应变片测量原理

第4章电阻式传感器

2021/10/10星期日1PPT课件电阻式传感器是将非电量转换为电量的传感器，包括的种类很多，主要有：电阻应变式、压阻式、电位器、热电阻、气敏电阻及湿敏电阻等。本章学习电阻应变式传感器和压阻式传感器的原理、转换电路及应用。2021/10/10星期日PPT课件敏感元件转换元件转换电路被测量标准电信号敏感元件：如电阻应变式传感器的弹性元件，将力

转换为应变。

转换元件：如电阻应变式传感器的电阻应变片，将（传感元件）应变转换为电阻变化。转换电路：如电阻应变式传感器的电桥，将电阻转换为电压或电流信号输出。电量辅助电源4.1电阻应变式传感器2021/10/10星期日PPT课件主要内容

3.1金属电阻应变片的工作原理3.2金属电阻应变片结构、种类及材料3.3金属电阻应变片的主要特性3.4金属电阻应变片的测量电路3.5电阻应变式传感器的典型应用2021/10/10星期日PPT课件实验：

取一根细电阻丝，两端接上一台万用表，记下其初始阻值。当我们用力将该电阻丝拉长时，能观察到什么现象？2021/10/10星期日PPT课件

金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。2021/10/10星期日PPT课件电阻应变效应分析

电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应。电阻应变效应：即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“电阻应变效应”。

4.1.1金属电阻应变片的工作原理2021/10/10星期日PPT课件一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：金属丝受轴向拉力F后，几何尺寸伸长,这时电阻变化多少呢？2021/10/10星期日PPT课件电阻的变化量dR可通过对上式进行全微分求得：2021/10/10星期日PPT课件则电阻的相对变化量为：2021/10/10星期日PPT课件为分析方便，假设电阻丝是圆形截面的，截面积A＝πr2，r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2πrdr，则有2021/10/10星期日PPT课件由材料力学可知，在弹性范围内，若电阻丝受拉伸，则沿轴向（纵向）伸长，沿径向（横向）缩短，纵向应变与横向应变的关系可表示为：上式中，μ为电阻丝材料的泊松系数，又称泊松比。上式中的负号表示横向应变与纵向应变的方向相反。2021/10/10星期日PPT课件综合上面三个式子，可得：这就是电阻应变效应的表达式。2021/10/10星期日PPT课件单位轴向应变所引起的电阻相对变化量称为电阻丝的应变灵敏系数，用K表示。根据上式可得2021/10/10星期日PPT课件灵敏系数K0受两个因素影响一是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ，往往称之为几何效应；二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（dρ/ρ）/ε，往往称之为压阻效应。。对金属材料：1+2μ＞＞(dρ/ρ)/ε对半导体材料：(dρ/ρ)/ε＞＞1+2μ很难用解析式描述2021/10/10星期日PPT课件对于金属材料，其压阻效应是很小的，可以忽略不计，电阻应变效应主要是几何效应。因此有这就是金属电阻应变效应的表达式。2021/10/10星期日PPT课件上式中Ks称为金属电阻丝的应变灵敏系数，表示金属电阻丝受单位轴向应变作用所产生的电阻相对变化量，且有2021/10/10星期日PPT课件大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。对于每一种金属电阻丝，在一定的变形范围内，无论受拉或受压，应变灵敏系数Ks保持不变，但超出该范围时Ks值将发生变化。2021/10/10星期日PPT课件对于大多数金属材料，泊松比μ＝0.3～1.3，所以Ks的数值在1.6～3.6之间。对康铜材料，K≈1.9~2.1；对镍铬合金材料，K≈2.1~2.3；对铂材料，K≈3~5。2021/10/10星期日PPT课件半导体应变片是用半导体材料制成的,其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高50～80倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的应用范围受到一定的限制。半导体应变片2021/10/10星期日PPT课件应变片主要性能指标举例上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？

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应变片测量原理：在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，贴在对象上的应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为ΔR时，便可得到被测对象的应变值，进而得到产生该应变的外力。2021/10/10星期日PPT课件由此可知,应变力σ正比于应变ε,而试件应变ε正比于电阻值的变化,所以应变力σ正比于电阻值的变化,这就是利用应变片测量应变的基本原理。σ=E·ε

根据应力与应变的关系，得到应力σ为

2021/10/10星期日PPT课件金属电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成,如图所示。1.结构4.1.2金属电阻应变片的结构、种类及材料2021/10/10星期日PPT课件2.种类

2021/10/10星期日PPT课件敏感栅是应变片的核心部分,它是应变片中将应变量转换成电阻变化量的电阻体，由线径为0.012～0.05mm的金属电阻丝绕成，它粘贴在绝缘的基片上,通过引线与测量电路相连，表面有一层起保护作用的覆盖层。金属丝式应变片

2021/10/10星期日PPT课件丝式电阻应变片敏感栅的典型形状，如图所示，由电阻丝绕制而成。这种应变片具有制造简单、性能稳定、价格便宜、易于粘贴等优点，但由于其圆弧部份参与变形会产生较大的横向效应。2021/10/10星期日PPT课件图所示为另一种丝式电阻应变片的敏感栅，称为短接型应变片，这种应变片是将电阻丝平行安放，两端用较粗的镀银铜线焊接连接。这种应变片的横向效应很小，但由于焊点多，在受冲击、振动时焊点容易损坏，制造工艺要求较高。2021/10/10星期日PPT课件箔式电阻应变片的敏感栅如图所示。2021/10/10星期日PPT课件各式箔式应变花2021/10/10星期日PPT课件箔式应变片的基本结构箔式电阻应变片通过光刻、腐蚀等工序在基底上制成的一层很薄的金属箔栅，基底和覆盖层多为胶质膜。2021/10/10星期日PPT课件优点（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求，

（2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅（3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。（4）横向效应可以忽略。（5）具有较好的可挠性，有利于粘贴及应变的传递；易加工，适于批量生产，成本低等。2021/10/10星期日PPT课件金属薄膜应变片

采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层。优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产。2021/10/10星期日PPT课件目前箔式应变片应用较多。金属丝式应变片使用最早。金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。当传感器的弹性体很薄、尺寸很小时，采用箔式应变片会由于基底材料和粘结剂的存在而对传感器特性产生不利影响，可采用薄膜式应变片。2021/10/10星期日PPT课件3.材料敏感栅作用：将应变量转换成电阻量要求：灵敏系数大且稳定，电阻率高，电阻温度系数小，易加工成细丝和箔材，具有良好的焊接性能和抗氧化性能。材料：康铜丝、镍铬合金等2021/10/10星期日PPT课件基底作用：保持敏感栅、引线的几何形状及其相对位置，被测构件上的应变不失真地传递到敏感栅上。要求：使敏感栅与弹性体之间具有足够高的电绝缘性能；具有良好的机械特性，易粘贴，耐潮湿。材料：纸或有机高分子材料，如环氧树脂等。2021/10/10星期日PPT课件覆盖层作用：保护敏感栅免受机械损伤和空气污染，防潮、防蚀要求：具有良好的机械特性。材料：纸或有机高分子材料等2021/10/10星期日PPT课件引线作用：连接敏感栅和测量电路要求：连接方式（双引线、多点焊接）。材料：紫铜，表面镀锡或镀银，便于焊接。2021/10/10星期日PPT课件粘结剂应用时通过粘合剂把应变片粘贴在测试件表面上。通过粘合剂和基底的传递作用使敏感栅感受测试件表面的变形和应变。如何使测试件表面的变形和应变准确地传递给敏感栅是应变片测量的关键之一。2021/10/10星期日PPT课件粘合剂有多种类型，其使用范围及特点各不相同。要求：粘力强、膨胀系数和试件相近，有良好的电气绝缘性能和使用工艺性。材料：有机粘结剂（环氧树脂），无机粘结剂（陶瓷粘结剂）。2021/10/10星期日PPT课件选用粘合剂时要根据应变片材料，测试件材料，应变片的工作条件，如工作温度、潮湿程度、有无化学腐蚀、稳定性要求，加温加压固化的可能性，粘贴时间长短等因素来考虑。2021/10/10星期日PPT课件测量精度与应变片粘贴的质量关系很大。在粘贴应变片时，必须严格按照粘贴工艺规程进行操作，保证粘贴质量。2021/10/10星期日PPT课件4.1.3金属电阻应变片主要特性几何尺寸栅长栅宽基底长基底宽2021/10/10星期日PPT课件如图所示，敏感栅在纵向的长度L，称为应变片的标距，也称栅长；敏感栅在横向的宽度b，称为应变片的栅宽；栅长与栅宽的乘积L×b，称为应变片的工作面积。2021/10/10星期日PPT课件一般厂家生产的应变片，标距都有一个系列值，最小为0.2mm，最长为300mm。应变片的工作面积小，有利于减小传感器体积及选择贴片位置，但不利于散热。因此，应根据需要选择应变片的几何尺寸。2021/10/10星期日PPT课件金属电阻应变片主要特性参数应变片电阻值没有安装也不受外力情况下，于室温时测定的电阻值；电阻值大，可承受的电压值大，但提高电阻值会使敏感栅尺寸变大；常见值：60、120、200、350、500、1000（Ω），其中120和350Ω最常见。2021/10/10星期日PPT课件金属电阻应变片主要特性参数灵敏系数－标称灵敏系数，小于同种材料金属丝的灵敏系数。原因是应变片的横向效应和粘贴胶带来的应变传递失真。

通常为2左右应变片的灵敏系数通过抽样法测定，将电阻应变片粘贴在一维应力作用下的试件上，试件材料规定为泊松比为0.285的钢2021/10/10星期日PPT课件金属电阻应变片主要特性参数应变极限指在一定的温度下，指示应变值与真实应变的相对差值不超过规定值（一般为10％）时的最大真实应变值2021/10/10星期日PPT课件εj真实应变εg指示应变εi100%190%2021/10/10星期日PPT课件金属电阻应变片主要特性参数最大工作电流应变片不因电流产生的热量而影响测量精度所允许通过的最大电流。静态测量时，最大工作电流为25mA；在动态测量时，可达75～100mA。2021/10/10星期日PPT课件金属电阻应变片主要特性参数极限工作温度应变片在规定条件下，能保持其工作特性不变或在允许范围内变化的最高工作温度或最低工作温度。2021/10/10星期日PPT课件应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。ΔεΔε1机械应变εR卸载加载指示应变εi机械滞后2021/10/10星期日PPT课件机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。产生原因：应变片在承受机械应变后的残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的不适当的变形或粘结剂固化不充分等。2021/10/10星期日PPT课件对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。产生的原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。

零漂2021/10/10星期日PPT课件如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。产生的原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。蠕变2021/10/10星期日PPT课件电阻应变片的选择、粘贴技术

1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2.用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆.3.试件表面处理：贴片处用细纱纸打磨干净，用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。2021/10/10星期日PPT课件5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。2021/10/10星期日PPT课件

1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。应变片的粘贴2021/10/10星期日PPT课件

2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。2021/10/10星期日PPT课件

3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。2021/10/10星期日PPT课件

4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。

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5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。

2021/10/10星期日PPT课件应变传感器在承重梁上2021/10/10星期日PPT课件横向效应2021/10/10星期日PPT课件横向效应金属丝式应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变ε使敏感栅电阻发生变化，而其横向应变εr也使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。bOlεrdldθθε0εr应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。2021/10/10星期日PPT课件横向效应

当将图3-3所示的应变片粘贴在被测试件上时,由于其敏感栅是由n条长度为l1的直线段和（n-1）个半径为r的半圆组成,在电阻丝的弯段，电阻的变化率与直段明显不同。若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变εx时,假设εx为正，则横向的应变εy为负。这样应变片的灵敏系数要比直线段材的电阻丝的灵敏系数小。这就是所谓的“横向效应”。2021/10/10星期日PPT课件若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴向应变ε作用下，全部纵栅的变形视为ΔL1ΔL1=nlε2021/10/10星期日PPT课件半圆弧横栅同时受到ε和εr的作用，在任一微小段长度dl=rdθ上的应变εθ可由材料力学公式求得每个圆弧形横栅的变形量Δl为2021/10/10星期日PPT课件纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅的变形量为应变片敏感栅的总变形为2021/10/10星期日PPT课件敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则电阻相对变化为2021/10/10星期日PPT课件令：则：可见，敏感栅电阻的相对变化分别是ε和εr作用的结果。2021/10/10星期日PPT课件当εr=0时，可得轴向灵敏度系数：当ε=0时，可得横向灵敏度系数：2021/10/10星期日PPT课件横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应系数H。即：可见，r愈小、l愈大，则H愈小。即敏感栅越窄、栅长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。2021/10/10星期日PPT课件如何测量应变片的灵敏系数K？K值通常采用抽样的方法，在规定条件下，通过实测确定。规定条件：1、试件材料取泊松比为μ=0.285的钢材2、试件单向受力3、应变片轴向与主应力方向一致2021/10/10星期日PPT课件温度误差及补偿

1.温度误差及产生原因要求：输出是输入的单值函数。把应变片安装在一个可以自由膨胀的试件上时，使试件不受任何外力的作用，如果环境温度发生变化，则应变片的电阻也随之发生变化，这种现象称为温度效应。由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。2021/10/10星期日PPT课件产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。

1)电阻温度系数的影响

2)

试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数不同的影响

2021/10/10星期日PPT课件式中:Rt——温度为t时的电阻值；

R0——温度为t0时的电阻值；α——金属丝的电阻温度系数；Δt——温度变化值，Δt=t-t0。当温度变化Δt时，电阻丝电阻的变化值为：

ΔRt=Rt-R0=R0αΔtRt=R0(1+αΔt)

1)电阻温度系数的影响敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：2021/10/10星期日PPT课件

2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响

当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时：环境温度变化不会产生附加变形。当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时：环境温度变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。2021/10/10星期日PPT课件设电阻丝和试件（构件）的初始长度均为l0,它们的线膨胀系数分别为βs和βg，若两者不粘贴，则它们的长度分别为ls=l0(1+βsΔt)lg=l0(1+βgΔt)2021/10/10星期日PPT课件当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形Δl、附加应变εβ和附加电阻变化ΔRβ分别为2021/10/10星期日PPT课件由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为

结论：因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K0,α,βs）以及被测试件线膨胀系数βg有关。2021/10/10星期日PPT课件

2.电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿、热敏电阻补偿三大类。

1)线路补偿法

电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。

2021/10/10星期日PPT课件图3-8电桥补偿法电桥补偿法2021/10/10星期日PPT课件电路分析A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知，当R3=R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压Uo的作用方向相反。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。2021/10/10星期日PPT课件当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有工程上，一般按R1=RB=R3=R4

选取桥臂电阻。2021/10/10星期日PPT课件当温度升高或降低Δt=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态，即2021/10/10星期日PPT课件测量应变时，工作应变片R