石大机械工程测试技术讲义07电阻应变式传感器

电阻应变式传感器(讲稿)李江全石河子大学机电学院电气工程教研室目录一、概述1、含义2、组成二、电阻应变片1、组成2、类型3、主要参数4、测量原理5、工作特性6、贴片三、电桥电路1、电桥电路的作用2、应变片工作电桥的转换工作原理3、电桥加减特性4、应变片排列和接桥的基本原则四、应变电测法1、基本原理2、应变电测系统组成3、电阻应变测量法的主要优缺点五、电阻应变式传感器的特点及应用补充问题1、对电阻丝材料有哪些要求？常用的电阻丝材料有哪几种？2、对基底和盖片的材料有哪些要求？常用的有哪几种材料？3、对引线材料有哪些要求？常用什么材料？4、对粘结剂的质量要求有哪些？常用的粘结剂有哪几种？5、应变片敏感栅的结构型式与横向效应有何关系？6、绝缘电阻过小对测试有何影响？7、为什么要进行应变片的防潮保护？怎样进行？8、对保护涂料的要求有哪些？9、影响应变片粘贴质量的因素有哪些？10、串、并联应变片能否增加电桥的输出？对电桥输出有何影响？11、电桥的非线是怎样产生的？它对测量有何影响？如何改善电桥的非线性？12、为什么应变式传感器大多采用交流不平衡电桥为测量电路？13、制作应变式传感器应注意哪些主要问题？14、电阻应变式传感器在运用时应注意哪些问题？15、造成应变片测量误差的主要因素有哪些？一、概述1、含义电阻应变传感器是将被测非电量通过应变片所产生的弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。2、组成电阻应变传感器由电阻应变片、测量线路及弹性元件等部分组成。1）弹性元件是直接感受被测量，并通过其弹性变形引起粘贴其上的应变片的应变发生变化。弹性元件是传感器的关键，任何物理量，只要能通过弹性元件将它变换成应变的相应变化，都可能利用应变片进行测量。为简便起见，有时也可在机器的原来另件上粘贴应变片进行测量，不需设专门的弹性元件。2）电阻应变片是一种能将被测试件上的应变变化转换成电阻变化的传感无件。它粘贴在弹性元件上。3）测量线路（转换电路）进一步将应变片的电阻变化再转换成电压或电流的变化，以便显示或记录被测非电量的大小。一般为电桥电路。4）其它附件。如：补偿元件、防护罩、接线插座等。二、电阻应变片电阻应变片（简称应变片或电阻片），又称为电阻应变计、粘贴式电阻变换器等。1、组成常用的电阻丝式应变片由下面几个部分组成：1）敏感栅（电阻丝）。是应变片最重要的组成部分，是敏感元件，它将机械应变转换为电阻的变化。2）基底和盖片。应变片的电阻丝粘贴在基底上，上面再贴着盖片。基底：保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置（即定位），并保证敏感部分和试件的绝缘，还将试件表面变形传递给电阻丝。盖片：既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，又保护电阻丝。3）引线。从应变片的敏感栅中引出的细金属线，连接测量导线用。4）粘结剂。用于将敏感栅固定于基底上和将盖层与基底粘结在一起。2、类型常用的应变片有电阻丝式、金属箔式和半导体式三种。1）电阻丝式：工作原理：基于电阻丝的应变效应。灵敏系数较小，输出小，横向效应大；受温度影响小，非线性误差小。根据电阻丝的形状可分为线绕式和短接式。线绕式：制造工艺简单，成本低，但横向效应大；短接式：横向效应小，传递变形好，但制造困难。按基底材质又可分为纸基的、纸浸胶基的、胶基的几种。纸基应变片：制造简单，易于粘贴，价格低，但耐热性和耐潮性不好，多在短期的室内试验中用。纸浸胶基应变片：使用温度可提高，抗潮湿性也较好，绝缘性好，可以长期使用，蠕变、滞后小。胶基片：性能基本上和纸浸胶基的相同。2）箔式应变片：优点：粘贴牢固，蠕变小，横向效应小，可提高测量精度；散热好，允许流过较大的电流，可以输出较强的信号，提高了测量灵敏度；使用范围广，疲劳寿命高；便于批量生产，生产率高；缺点：生产工序复价，价格贵，不适于高温环境下测量。3）半导体应变片工作原理：基于半导体材料的压阻效应。对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，其电阻率随应力而发生变化的现象称为半导体的压阻效应。优点：灵敏系数高，可测微小应变；机械滞后小，横向效应小，体积小。缺点：应变片的电阻值受温度影响大（温度稳定性差），灵敏系数的温度稳定性差，在大应变作用下，灵敏系数的非线性较大。电阻应变片种类多，选用时一般可从下面几个因素来考虑：1）测量时的环境条件：如温度、湿度、压力、有无腐蚀性、可燃性等。2）被测试件的受力状态：如应变梯度、应变性质、应变值的范围等。3）被测试件的材料性质。4）应变片的类型、几何尺寸、阻值、灵敏系数等选择。3、主要参数1）几何参数：标距（栅长）、基宽，使用面积。2）电阻值：指应变片没有安装，也不受外力时，在室温下测定的电阻值。应变片的标准名义电阻值（公称电阻值），通常为60、120、250、600、1000欧等，其中以120最常用，应变片包装盒上所标注的电阻值，可用公称电阻值及公差表示，如：120.5±0.24欧姆。3）灵敏系数：包装盒上一般是用平均名义灵敏系数值及相对均方根误差来标注的。应变片的规格，一般用使用面积和电阻值来表示。4、测量原理电阻丝式应变片测量应变的原理是基于电阻丝的应变效应，即：电阻丝的电阻值随其变形而发生改变的现象称为电阻丝的应变效应。当金属细丝由于受拉而伸长时，其长度增大，截面积减小，电阻丝的电阻值就增大；反之，如果电阻丝因受压力而缩短，则电阻值就减小。由，可推导出：应变和电阻变化之间的数学关系为：式中：——电阻丝的应变灵敏数此式表明了电阻的相对变化率与应变成正比，它们之间呈线性关系。根据电阻丝的应变效应，使用时可将应变片粘贴于被测试件（弹性元件）的表面上，当试件因受力变形时，电阻丝与弹性元件同时变形，引起应变片电阻值发生变化，通过测量应变片阻值的变化就可得知试件的变形量。然后根据被测量与变形量（应变）的比例关系求出被测量的值。凡是能通过弹性元件和应为建立一定关系的物理量和可用电阻应变传感器测量。5、工作特性1）应变传递特性如何使被测试件表面变形准确地传递给应变片是应变片测量的关键之一。实验表明：贴在试件上的应变片的电阻丝基本上可以和试件一起变形，应变片电阻丝的变形能够真实地反映被测试件的变形。为此，应变片的粘贴质量、粘贴方位很重要。2）应变片的灵敏系数（1）电阻丝的灵敏系数在进行电阻丝应变与阻值变化的数学关系推导中：可得：其中：就是电阻丝的灵敏系数。由此可知：受两个因素的影响：一是（1+2），它是由电阻丝几何尺寸（长度、截面积）变化引起的，对某种材料来说它是常数；另一个是，它是由电阻丝的电阻率随应变的改变所引起的，对于多数的电阻丝，其值也是常数，往往甚小，可以忽略。即：≈1+2=常数值一般无法由计算得到，通过实验得出，不同电阻丝材料的值在较大的范围内变化，一般K值在1.6∽2.0之间。对于每一种电阻丝在一定的变形范围内，无论受拉或受压，应变灵敏系数保持不变，当超出某一范围时，值将发生变化。（2）应变片的灵敏系数按电阻丝应变效应数学公式可以导出应变片电阻输出与应变关系为：或。式中：——称为应变片的灵敏系数表示单位应变所产生的应变片的电阻相对变化。在应变片轴线方向的单向应力作用下，应变片电阻的相对变化与试件表面安装应变片部位轴向应变的比值称为应变片的灵敏系数。当电阻丝绕成栅状做成应变片时，其灵敏系数小于电阻丝的灵敏系数，这是因为：一是因应变片的力传递特性，敏感栅端部有两a段不变形，没有引起电阻的变化。（胶层传递应变失真）二是横向效应结果，抵消无应力的部分输出，使应变片的总电阻变化量减小。（3）横向效应应变片粘贴在试件表面上，在单向受力状态下，线栅直线段感受主应力方向应变，引起电阻值增加；而应变片线栅圆弧段则感受横向应变-，使电阻值变小，即横向部分的线栅与轴向部分产生的电阻变化符号相反，使应变片的总电阻变化量减小，此种现象，称为应变片的横向效应。一般情况下，横向效应引起的误差是不大的，随着应变片结构的改进，使横向效应对测量结果的影响越来越小，如使用薄式应变片时，横向效应的影响可不予考虑，但在进行精度较高的应变测量时，应考虑横向效应对测量带来的误差，要对测得的应变值进行修正。3）应变片的温度特性（1）应变片的热输出贴在试件上的应变片，由于环境温度变化而引起电阻变化，将使输出应变与温度成比例的变化，这种现象称为应变片的热输出。（2）热输出产生的原因主要有两个：一是应变片的电阻丝材料本身的特性（电阻温度系数）引起的电阻变化：二是由于电阻丝材料与被测试件材料的线膨胀系数不同而产生的附加变形引起应变片电阻变化。则由于环境温度变化℃时，应变片总电阻变化为：（3）温度补偿粘贴在试件上的应变片，仅当环境温度变化时就会引起应变片电阻的变化，它往往很大，甚至超过测量值，对测量造成误差，因此必须消除其影响。在桥路输出中，消除因温度影响而造成的误差，或对它进行修正，以求出仅由应变引起的电桥输出的方法叫温度补偿。常用温度补偿的措施有两种：一是桥路补偿法：利用电桥相邻臂电阻变化自动加减的特性来补偿，此法适用于半桥和全桥。二是应变片自补偿：即使用温度自补偿应变片，有两种形式：1）组合式自补偿应变片；2）选择式自补偿应变片。另外，还有热敏电阻法等。4）其它工作特性（1）直线性指试件所产生的应变和电阻变化之间的线性关系。一般使用的以康铜为材料制成的应变片，在弹性和塑性两区域内，都有良好的直线性。粘贴质量不好，应变较大时会出现非线性，特别是半导体应变片。（2）机械滞后指对于已安装的应变片，在环境温度保持恒定时，加载和卸载过程中同一载荷下指示应变的差数。（3）热滞后指对于已安装的应变片，试件可以自由膨胀并不受外力作用，在室温和极限工作温度之间增加与减少温度，同一温度下指示应变的差数。（4）零点漂移对于已安装的应变片，在环境温度保持恒定，试件不受力的条件下，指示应变随时间的变化。（5）蠕变（）对于已安装的应变片，在温度恒定，当试件承受静载产生某一恒定应变后，在一段时间内，指示应变随时间的变化。（6）应变极限对于已安装的应变片，在环境温度保持恒定，对应变片连续进行加载时，指示应变和真实应变的差值不超过规定数值的最大真实应变值称为应变片的应变极限。（7）疲劳寿命（N）安装在试件上的应变片，在一定的交变机械应变作用下，可连续工作而不致疲劳损坏的循环次数称为疲劳寿命，一般可达106—107次。（8）绝缘电阻：对于已安装的应变片，其引线和安装应变片的试件之间的电阻值称为绝缘电阻。（9）最大工作电流：允许通过应变片，而不影响其工作特性的最大电流值。一般为几十mA，流过应变片的电流过大，会使应变片发热引起较大的零漂，甚至将应变片烧毁。注：真实应变（）——由于温度变化及施加机械载荷而在试件上产生应力所引起的变形。机械应变（）——仅由于施加载荷而在试件上产生应力所引起的变形。指示应变（）——指由应变片测得的应变值，它是由指示仪器（如应变仪）的读数经过对指示器与附属设备的误差进行整理后得出的。6、贴片根据应变式传感器工作原理，被测试件的变形是由粘贴在试件（或弹性元件）上的应变片反映出来，所以应变片粘贴在试件上是为了感受试件的变形，并转换为电阻的变化，故粘贴质量好坏对测量结果的影响极大。1）应变片的粘贴工艺过程：（1）制定布片方案；（2）应变片的选用和检查；（3）试件的表面处理；（4）定位划线；（5）粘贴应变片；（6）干燥；（7）粘贴质量检查；（8）焊接引线；（9）防潮保护处理。2）粘贴质量要求（1）粘贴牢固、位置准确；（2）胶层薄而均匀（不能有气泡）；（3）绝缘性能好（不漏电），一般要求绝缘电阻在100以上；（4）无蠕变（或很小）。3）粘贴质量检查（1）首先用万用表测量线栅的通断以及引线与试件间的电阻看有无短路现象；2）用放大镜观察电阻片与试件粘贴得是否均匀牢固，有无气泡，丝栅是否局部弯油等；3）用万用表或电桥测定贴片前后阻值，看变化是否大，偏差应小于0.1%；4）用兆欧表测量应变片引出线与试件间的绝缘电阻，一般在50—100M以上；5）将粘贴好的应变片组成电桥，接到静态变仪上，检查胶层有无气泡，局部是否漏贴，线栅皱曲等。经检查不合格的应变片应刮下来另补贴新片。对粘贴后长时间未用的应变片，在便用前应测量其电阻值和绝缘电阻。三、电桥电路1、电桥电路的作用电桥是将电阻、电感、电容等参数的变化变换为电压或电流输出的一种测量电路，其输出既可用于指示仪表直接测量，也可送入放大器进行放大。故应变片测量中设置电桥的作用为：1）可以测量出应变片所产生的微弱电阻变化，并将其转换为电压或电流的变化，以便仪器测量或送入放大器放大；2）便于进行温度补偿和消除非线性；3）可将输入信号进行调制处理。在应变片传感器设计中，应变片总是组成半桥或全桥形式，有下面几点原因：可增加输出（或提高电压灵敏度）；便于进行温度补偿；可减小或消除非线性误差。2、应变片工作电桥的转换工作原理应变片不受载时，首先要进行电桥平衡（无输出），使或，然后加载，使电桥一臂或几臂电阻发生变化（），即电桥平衡被破坏，输出端或，它是由应变片电阻变化引起的输出（），这样就可以通过测量来计算外载大小。3、电桥加减特性对全等臂对称电桥进行分析推导可得出电桥加减特性表达式：通过分析可得出电桥特性的重要结论：相邻臂有同号，相对臂有异号电阻变化时，电桥的输出能相减。相邻臂有异号，相对臂有同号电阻变化时，电桥的输出能相加。即：相邻臂相减，相对臂相加（没有考虑电阻变化的符号，计算时应将符号代入）。4、应变片排列和接桥的基本原则利用应变片测试系统测量载荷时，所遇到的载荷往往是多种多样的，有单一载荷，也有复杂载荷，如何准确测量出被测载荷，在贴片和接桥过程中应遵循下列基本原则：1）优先选用输出信号电压高的方案，如全桥；2）能消除非线性误差；3）能进行温度补偿（最好能实现温度互为补偿）；4）使测量载荷的灵敏度最高，即要求（1）将应变片的纵轴与试件最大应变方向一致，即沿主应力方向贴片；（2）接成相邻异号半桥或全桥；5）所测载荷明显，即要求能消除非测载荷对电桥输出的影响；6）便于分析和型式较简单。四、应变电测法1、基本原理用应变片将所需测定的非电量转换为电量，然后通过一定的测量电路及仪表对此电量进行测量，测得了该电量，就可知与之成比例的非电量。2、应变电测系统组成“应变电测”法测量系统由应变片、测量电路、放大电路、显示或记录仪表、电源等组成。弹性元件弹性元件电阻应变片静态电阻应变仪电桥电路动态电阻应变仪光线示波器计算机各部分的作用如下：1）应变片：作为传感元件，它将构件表面的应变转换成电阻的相对变化，它是整个测试系统的核心。2）测量电路：一般为电桥电路，它将应变片变形引起的电阻变化转变为电流或电压的变化。3）应变仪：实质上是一种放大器，它将测量电路送来的微弱信号（）加以放大并加工处理，以便显示记录。4）显示记录仪表：用以将放大的测量信号用数字或曲线的形式显示记录下来。5）电源。供给测量电路、应变仪、显示记录仪表以能量。一般测量电路和应变仪为一体，成为电阻应变仪，电阻应变仪的作用：将应变片电阻的相对变化转换成电压或电流信号，或者直接以应变量指示出来，或者再输送给记录仪器，这样电阻应变测量系统主要由应变片、电阻应变仪和记录仪器三个部分组成。3、电阻应变测量法的主要优缺点电阻应变测量法应用广泛这和它的优点密切相关：优点1）测量方法简单，易于掌握，所用电阻应变片和应变仪价格低廉，故可大量使用。2）电阻变化率与应变线性关系好。3）应变片尺寸小，重量轻，粘贴在试件表面上对其工作状态和应力分布的影响很小；没有惰性，不但用于静态测量，且能用于动态测量以及冲击试验和模型试验中的测量。4）测量应变的灵敏度高，最小可测出1个的量值。5）频率响应好，可测量0—几MHz的动态应变，惯性极小，可认为对应变的反应是立刻的。6）测量应变的范围大，不仅可以测量材料弹性范围内的应变，也可以测量材料塑性范围内的应变。7）测量精度高，在常温常压条件下，如操作技术正确，测量误差可达1%以下。8）便于多点测量，易于集中；可以测量狭小部位上的应变如测量孔眼边缘等应力集中地方的应变。9）测量环境的适应性较强，可在高压、高温、低温高速旋转强烈振动、强磁场、放射线、水中等恶劣环境中使用。10）测量可实现自动化，测量数据有数据显示，自动打印或记录在磁带上或送入计算机处理，能远距离传送，也可远距离遥测。11）利用应变片及其相应元件，可以制造出多种传感器，供测量力、压力、位移、速度、加速度、振荡等力学参数及其它物理量时使用，通用性较好。12）所用应变片结构简单，便于安装，使用维修方便，稳定性和可靠性较高。13）品种多样，在尺寸、灵敏度、工作温度、线栅形状等方面有很大的选择范围。这种测量方法的主要缺点：1）常规应变片在大应变状态下，电阻变化率与应变呈现较大的非线性，半导体应变片的非线性效应更为明显。2）常规应变片的输出信号较微弱，抗干扰能力较差，故信号连接线往往要采取屏蔽措施以防止干扰。3）应变片实际测出的是一点或一块面积中的平均应变，一般不易显示应力集中处的梯度和分布。4）一般只能反映构件表面的应变而难于测量构件内部应变。5）应变片对温度等环境反应较敏感，高温等条件下的应变测量需采用各种措施才能保证测量精确度。五、电阻应变式传感器的特点及应用1、特点电阻应变式传感器与其它类型传感器相比，具有测量范围广、精度高、动态响应好，输出特性线性好，性能稳定，工作可靠，能在恶劣的环境条件工作，使用简便，体积小等优点。因此，被广泛地应用于国防、冶金、煤炭、化工、交通运输、机械等各个部门中。2、应用有两种应用方式：1）直接用来测定结构试件的应变或应力。例如：为了研究机械桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的受力、变形情况，可利用不同形状的应变片，贴在构件的预定部位，可以测得构件拉、压应力等，为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可知靠的实验数据。2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量拉压力、荷重、位移、扭矩或弯矩、加速度等物理参数的传感器。在这种情况下，弹性元件在被测物理量的作用下，产生一个与被测量成正比的应变，然后用应变片作为传感元件将应变转换为电阻的变化，通过测量电路得知被测物理量。补充问题1、对电阻丝材料有哪些要求？常用的电阻丝材料有哪几种？对电阻丝及其材料的要求：1）要有较大的应变灵敏系数K，而且能在较大的应变范围内不变；2）具有高而稳定的电阻率，以便于制造小型的应变片。3）电阻温度系数小且稳定。4）抗氧化能力强，耐腐蚀性能强。5）电阻丝的横截面要均匀，以保持单位长度的电阻值的一致性。6）在工作温度范围内，能够保持足够的抗拉强度，良好的延展性，耐疲劳性能好。7）易于加工、焊接，对铜的热电势小。实际上没有一种合金材料能全部满足这些要求，要根据应变片的实际使用情况，有重点的规定材料的要求。常用的电阻丝材料有：康铜、镍铬合金、镍铬铁合金、铂及铂合金等。2、对基底和盖片的材料有哪些要求？常用的有哪几种材料？应变片的敏感元件粘贴在基底上，基底通过粘贴剂粘贴在试件上。对基底和盖片的材料要求：1）有良好的绝缘性能；2）易于粘贴；3）有一定的机械强度，较高的应变极限；4）线膨胀系数小，而且稳定；5）良好的热稳定性和防潮性。常用的材料有：纸、胶膜、玻璃纤维、金属薄片等。3、对引线材料有哪些要求？常用什么材料？引线一端与敏感丝相连，另一端与外接导线相连。对引线材料的要求：1）绕性好，有一定的机械强度；2）低电阻率，小的电阻温度系数；3）抗氧化性能好；4）易于焊接，与敏感栅材料的热电势小。常用材料有：镀锡紫铜、康铜、纯银、纯镍、镍铬、铁铬铝等合金。4、对粘结剂的质量要求有哪些？常用的粘结剂有哪几种？对粘结剂的质量要求：1）有良好的粘结强度（特别是抗剪强度）。2）能准确无误地传递变形。3）要有一定韧性，在冲击载荷和较大应变作用下，粘接性能应保持良好。4）干燥（固化）过程不收缩或收缩小，且固化后不吸潮。5）绝缘性能及耐化学性能良好。6）粘贴工艺好，即操作方便，且干燥时间短。7）化学性能稳定，能长期使用且保存方便。8）有较大的温度使用范围，对应变片无腐蚀作用。常用的粘结剂有：丙酮赛璐珞胶（万能胶、纤维素胶）、环氧树脂胶、酚醛-环氧粘结剂（应变胶）、-氢基丙稀酸脂粘结剂（KH-501、KH-502号胶）。5、应变片敏感栅的结构型式与横向效应有何关系？电阻丝式应变式按敏感栅结构可分为型和H型。U型又称圆角线栅式（线绕式），在测量纵向应变时，圆弧部分产生一负的电阻变化，从而降低了应变片的灵敏系数——即横向效应大；敏感栅越窄，基长越长的应变片，横向效应引起的误差越小。H型称直角线栅或（短接式），由于敏感栅横向线为粗铜导线或薄铜带，电阻极小，因而横向效应在此段引起的电阻变化与整个敏感栅的电阻变化的比值极小，即横向效应较小可忽略不计。6、绝缘电阻过小对测试有何影响？绝缘电阻的高低，是应变片粘贴质量和固化的完善程度的一个重要指标。绝缘电阻小，表示粘贴质量不好或干燥不良，这样会使应变仪的平衡调节遇到困难，并使应变片在工作时产生较大的蠕变，零漂和滞后现象，使测量误差大，测量精度降低。对于一般测量，绝缘电阻区50—100M即可。当要求较高时，应超过100M。对于长时间稳定性的精密测量应达10000M左右。7、为什么要进行应变片的防潮保护？怎样进行？粘贴好的应变片暴露在大气中。1）会吸收空气中的水分以及受水溅雨淋，受潮后将产生一系列的不良影响：绝缘电阻降低，导致测量灵敏度降低，零漂增大，甚至电桥不能平衡，无法正常工作，很快就会失去工作能力。2）应变片在工作中还可能受到油污腐蚀和机械损伤等。因此在质量检查后，应立即进行防潮和保护处理。为了防潮、防脏物及机械损伤，一般在粘贴好的应变片上涂溥保护涂料，如：中性凡士林、石腊、合成树脂类等。8、对保护涂料的要求有哪些？1）防潮性能，绝缘性能高；2）抗化学腐蚀性能强，韧性好，不影响传递变形；3）固化收缩小不改变应变片特性；4）温度稳定性好，涂敷方便等。9、影响应变片粘贴质量的因素有哪些？1）试件表面处理的好处；2）粘结剂的质量；3）粘贴的方法、技巧；4）干燥。10、串、并联应变片能否增加电桥的输出？对电桥输出有何影响？1）应变片串联。（1）电桥输出不增加（和一片单臂工作时一样），其输出值与串联各个应变片传递应变的平均值成线性变换关系。（2）串联应变片具有分压作用，可使通过电流下降，从而减少发热，故抗载能力提高，可以采用