传感器原理及工程应用(第三版)郁有文1-5第3章

1、第三章应变传感器、3.1工作原理3.2应变计类型、材料和粘贴3.3电阻应变计特性3.4电阻应变计测量电路3.5应变传感器应用、3.1工作原理、电阻应变计工作原理基于电阻在外部作用下产生机械变形(拉伸或压缩)时电阻值相应变化的电阻应变效应。如图3-1所示，没有力时原始电阻为(3-1)的金属电阻线，式：电阻线的电阻；l电阻导线长度；a电阻导线的横截面积。图3-1金属电阻线变形效果，电阻线由张力f作用时的l，横截面积相应地为A，电阻率通过材料光栅的变形等改变d，导致电阻值的相对变化，(3-2)，表达式：dl/l长度相对变化量，通过变形表示，(3-2) (3-4)材料力学表明，在弹性范围内拉导线会沿轴

2、拉伸和径向缩短，dl/l=金属电阻线的轴向变形，表示轴向变形和径向变形的关系，表示式中电阻线材料的泊松比，负号表示变形方向相反。(3-5)、或，(3-7)，通常由单位应变能引起的电阻值的变化称为电阻线的敏感系数。物理意义是单位变形引起的电阻的相对变化量，(3-8)，灵敏度系数k受两个因素的影响：应变计力后材料几何尺寸的变化(1 2)。另一种是应变计力后材料的电阻率变化(d/)/。对于金属材料，在阻抗线材灵敏度系数表示式中，1 2的值大于(d/)/，而对于半导体材料，(d/)/料件的值大于1 2。通过很多实验证明，在电阻的拉伸极限内，电阻的相对变化是成比例的，k是常数。半导体应变计由半导体材料制

3、成，并基于半导体材料的压阻效应工作。半导体材料的电阻率随作用应力的变化而变化的现象称为压阻效应。半导体应变计受轴向力作用时，电阻相对(3-9)，中间d/半导体应变计电阻率的相对变化量，其值为(3-10)，表达式：半导体材料的压电电阻系数；半导体材料的应变力；e半导体材料的弹性系数；半导体材料的变形。通过替代式(3-9)获得了式(3-10)，实验证明e比1 2大100倍，1 2可以忽略，因此半导体应变仪的灵敏度是，(3-12)，半导体应变仪的灵敏度是导线类型的550倍用应变计测量变形或应力时，根据上述特性，主体在外力作用下会发生微小的机械变形，应变计也会发生同样的变化，应变电阻值也会相应地发生变

4、化。应变计电阻变为r时，可以获得被测试对象的应变值，根据应力和应变的关系，应力值可以获得e，(3-13)，3.2应变计类型，材料和粘贴，3.2.1金属电阻应变计的各种形式的金属电阻应变计。一般电线电阻应变计和箔电阻应变计。金属电阻应变计的一般结构基本相同，图3-2是由敏感栅极、基板、罩和引线组成的钢丝型金属电阻撑杆的基本结构。敏感网格是拉伸的关键部分，它粘贴在绝缘体的基板上，附着起保护作用的盖子，焊接两端引出的电线。图3-2金属电阻应变计的结构，图3-3是导线电阻应变计和箔电阻应变计的结构。钢丝电阻应变计有回路和短线形式。回路应变计将电阻线缠绕在绝缘底座上，图3-3(a)是典型回路应变计的基本

5、形式。如图3-3(b)所示，敏感网格由电阻线并行排列，两端由比网格线直径大510倍的镀银线组成。箔电阻应变计是使用光刻、腐蚀等工艺制作的非常薄的金属箔，厚度一般为0.0030.01mm，可以制作各种形式的敏感栅(即应变花)，表面积和横截面比大，冷却条件好，通过电流更多，有利于大批量生产的优点。图3-3中的(c)、(d)、(e)和(f)是各种形状的箔拉伸。图3-3常用应变计形式，3.2.2金属电阻应变计材料对电阻线材料必须有以下要求：敏感系数大，在相当大的应变范围内保持常数；大值，即等长、等横截面积的阻力导线中的较大阻力值；电阻温度系数较小。否则，电阻也会随着环境温度的变化而变化。与铜线的焊接性

6、能优良，与其他金属的接触电位较小。机械强度高，加工性能好。表3-1是常用金属电阻线材料的特性，钢铜是目前使用最广泛的变形线材料，具有很多优点：敏感系数稳定性好，在弹性变形范围内保持常数，并且在塑性变形范围内基本上保持常数；钢铜的电阻温度系数小、稳定，使用适当的热处理工艺时，电阻温度系数可以在5010-6/范围内。钢铜加工性好，焊接容易，国内外多使用钢铜作为应变钢丝材料。3.2.3金属电阻应变计的粘贴应变计用粘合剂粘贴到测量的零件上。粘结剂形成的粘合层必须准确、快速地将受试零件的变形传递到敏感浇口。选择粘结剂时，必须考虑应变计材料和主体的材料特性，粘合力强，粘结后机械特性可靠，粘合层的剪切弹性系

7、数充分，良好的电绝缘性，蠕变和滞后少，耐湿性，耐油性，抗老化，动态应力测量时的疲劳性等。还必须考虑温度、相对湿度、稳定性要求和修补硬化时加热压力的可能性等变形操作条件。常用的粘结剂类型包括硝化纤维素、氰甘油、聚酯树脂、环氧树脂和酚醛树脂。粘贴过程包括主体进行表面处理、补丁位置确定、底漆涂层、补丁、干燥硬化、补丁质量检查、引线的焊接和固定、保护和屏蔽等。粘结剂的特性和应变计粘合质量直接影响应变贴片的工作特性，如零点漂移、蠕变、滞后、敏感系数、线性和温度变化的影响程度。表明，选择粘结剂和正确的粘接工艺与应变计的测量精度有很重要的关系。3.3电阻应变计特性，3.3.1弹性敏感元件及其基本特性物体被外

8、力改变原始大小或形状的现象称为变形，外力移除后，物体可以完全恢复原始大小和形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。弹性元件在应变计测量技术中占有非常重要的位置。力、力矩或压力首先转换为相应的变形或位移，然后传递到附着到弹性零部件的应变计，通过应变片将力、力矩或压力转换为相应的阻力值。挠性元件的基本属性说明如下。1 .刚性刚度是由外力引起的变形大小的测量，定义了弹性元素单位变形所需的力，表示为(3-14)，作用于弹性元素的外力为(牛顿(n)X弹性元件引起的变形(单位为mm)。刚度也可以从弹性特性曲线中获得。图3-4中弹性特性曲线1上的点a的刚度为通过点a与曲线1的切线，与

9、水平角度的切线表示在点a处相应弹性零部件的刚度(tan=dF/dx)。如果弹性元件的性质为线性，则刚性为tan=F/x=常数，如图3-4中的线2所示。图3- 4弹性特性曲线，2 .灵敏度通常表示弹性元素的特性，称为弹性元素的灵敏度，通常用s表示，其表达式(3-15)表明，通过单位力产生的弹性元素的变形大小，灵敏度大，弹性元素柔软变形大。与刚度一样，如果弹性特性是线性的，则灵敏度是常数，如果弹性特性是非线性的，则灵敏度意味着变量，即此弹性零部件在弹性变形范围内，并且单位力产生的变形大小在任何地方都不同。(3-15)，表3-2通常表示弹性元素的结构和特性，表3-2通常表示弹性元素的结构和特性，常用

10、弹性元素的材料包括合金钢(40Cr、35CrMnSiA等)、铍青铜(Qbe2、QBr2.5等)在传感器中，弹性元素的输入是力或压力，输出是变形或位移。力转换中对弹性敏感的元件通常包括实体或空心圆柱、等截面环、等截面或等强度悬臂梁。转换压力的弹性敏感因素包括弹簧管、膜片、膜盒、薄臂鼓桶等。3.3.2应变计电阻值应变计的电阻值应变计的电阻值是应变计未粘贴和拉伸时室温测量的电阻值，即初始电阻值。金属电阻应变计的电阻值标准化为特定系列，例如60、120、250、350、1000，其中120是最常用的。类型，t是应变计的轴向变形。(3-16)，K=(R/R)/t定义应变计的敏感度。测试零件上安装的变形表示在该轴上受到单向应力时，阻力相对变化(R/R)