应变式电阻传感器资料

1、第2章 应变式电阻传感器,1 应变计的基本原理,导电材料的应变电阻效应 电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值发生变化， 这种现象称为“应变效应”。 如图1所示，一根长 ，截面积为A的金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：,（1）,（2）,当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长dl，横截面积相应减小dA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了d，从而引起电阻值相对变化量为：,图1 导体受拉伸后的参数变化,1 应变计的基本原理,式中： 材料的轴向线应变，常用单位 (1=110-6mm/mm); dA/A圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为

2、电阻丝的半径，微分后可得dA=2r dr，则 ： 其中： r导体的半径，受拉时r缩小； 导体材料的泊松比。,1 应变计的基本原理,1 应变计的基本原理,式中，K0定义为金属材料的应变灵敏系数，表示单 位应变引起的电阻变化率。,灵敏系数K0受两个因素影响：材料几何尺寸的变化， 即1+2；材料的电阻率发生的变化， 即 （d/）/L。,2 金属应变计,结构 (1)敏感栅实现应变-电阻转换的敏感元件。 通常由直径为0.0150.05mm的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。要求材料的应变灵敏系数、电阻率、机械强度高，电阻的温度系数小，常用的材料有康铜、镍铬合金、镍铬铝合金。 (2)基底为保持敏感栅固

3、定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。基底必须很薄，一般为0.020.04mm。,2 金属应变计,(3)引线起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。通常取直径约0.10.15mm的低电阻的镀锡、镀银铜线，并用钎焊与敏感栅端连接。 (4)盖层用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用。 (5)粘结剂制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；也起着传递应变的作用。通常在室温工作的应变片多采用常温、指压固化条件的粘结剂如聚脂树脂、环氧树脂类。,2 金属应变计,2 金属应变计,应变片的主要参数,（1）电阻值R0:在未使用且不受力的情况下，在室

4、温条件下测定的电阻值 （2）绝缘电阻：敏感栅与基底之间的电阻值 （3）灵敏系数K:表面，轴向方向，单向应力,应变计多为一次性使用，应变计的特性是按规定的条件，从大批量生产中按比例抽样实测而得 除受到结构形状、成型工艺、黏结剂等影响，还受到了横向效应的影响。,2 金属应变计,电阻应变片的灵敏系数K,标定电阻应变片的灵敏系数K的测试规定： 1 粘贴在一维应力作用的试件； 2 试件材料为泊松比0=0.285的钢,2 金属应变计,横向效应,电阻丝的电阻变化：,再依据应变关系：,2 金属应变计,总的电阻变化,又总的电阻可表示为：,由以上两式可得：,与式（1）对比可得：,2 金属应变计,而应变片总的电阻变

5、化,其中,由此定义应变片的横向灵敏度：,如何获得C?,金属应变计,实验法确定 ,再求取C值。,由于,注意：实验法的条件,实际用应变片测量时会产生误差,若用标准灵敏系数计算,2 金属应变计,当 要减小误差，减小C 应变计的纵栅长度要长、横栅要小。(短接法）,2 金属应变计,（4）机械滞后 零漂及蠕变 在一定温度下，应变片受到增、减循环机械应变时，同一应变指示值的最大差值 原因：基底材料、粘结剂的材料、残余变形 通常要求：,2 金属应变计,蠕变与零漂 反映传感器的长期稳定性 零漂:一定温度下,应变片不承受的机械应变,输出随时间而变化的特性 蠕变:一定温度下,应变片承受一定的机械应变,输出随时间而变

6、化的特性,其中已包含了零漂,机械应变以声波的形式和速度在材料中传播的。当它依次通过一定厚度的基底、胶层，最终通过全部长度的敏感栅后，会引起应变计的响应时，会有时间的迟后。应变计的这种响应迟后对动态(高频)应变测量，尤会产生误差。 应变计的动态特性就是指其感受随时间变化的应变时之响应特性。,应变片的动态特性,应变波的传播过程,1 在试件材料中传播 传播速度为 2 在试件粘结剂和基底中传播 所需时间非常短，可忽略不计 3 在敏感栅的长度内传播 应变波全部通过敏感栅后，应变片的变形才能达到最大，造成时间上的延迟,结论：应变片反映的应变是敏感栅长度内所感受应变的平均值，影响动态响应特性的主要因素是应变

7、片的基长 （即一根敏感栅的直线长度+弧长）。,应变片的动态响应特性,1 对正弦信号的响应 下图表示一频率为f，幅值为0的正弦波，以速度v沿着 应变计纵向x方向传播时，在某一瞬时t的分布图。应变计 中点xt的瞬时应变为,3.2 应变片的动态响应特性,1 对正弦信号的响应 应变波达到最大幅值时两端的坐标： 在基长内测到的平均应变为,3.2 应变片的动态响应特性,1 对正弦信号的响应 则应变波的测量误差： 由 可测的应变波的频率为,4 应变片的温度效应及其补偿,一、温度效应及其热输出 1、温度效应(热效应） 设工作温度变化为t，则引起粘贴在试件上的应变计电阻的相对变化为: 式中： t敏感栅材料的电阻

8、温度系数； K应变计的灵敏系数；g、s分别为试件和敏感栅材料的线膨胀系数。,一、温度效应及其热输出 2、热输出,若gs，,其附加应变为：,折合成电阻变化为：,总的电阻变为：,一、温度效应及其热输出 2、热应变 相对的热应变为: 应变计的温度效应及其热输出由两部分组成：前部分为热 阻效应所造成；后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。 在工作温度变化较大时，这种热输出干扰必须加以补偿。,二、热输出补偿方法 1、温度自补偿法 精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿 。 (1)单丝自补偿应变计 在研制和选用应变计时，若选择敏感栅的合金材料，其t 、t能与试件材料的s相匹配，即满足 ，达到温度自补

9、偿的目的。 不同的试件材料必须用不同的应变片，局限性很大。,二、热输出补偿方法 1、温度自补偿法 (2)双丝自补偿应变计 敏感栅由电阻温度系数 一正一负的两种合金丝串接 而成。当工作温度变化时， 若Ra栅产生正的热输出a 与Rb栅产生负的热输出b 相等或相近，就可达到 自补偿的目的，即: ,图2.2 （a）回线式（ b）短接式,二、热输出补偿方法 1、自补偿法 （3）双丝半桥式 敏感栅由同符号电阻温度系数的两种合金丝串接而成，工作栅R1接入工作臂，补偿栅R2外接串接电阻RB(不敏感温度影响)接入补偿臂，另外的2个桥臂接入平衡电阻R3、R4。 当温度变化时，只要电桥工作臂和补偿臂的热输出相等或相近，就能达到热补偿目的 。,1、自补偿法 （3）双丝半桥式,2、桥路补偿法 （1）补偿块法,使用两个相同的应变计。R1贴在试件上，接入电桥工作臂， R2贴在与试件同材料、同环境温度，但不参与机械应变的补偿块上，接入电桥相邻臂作补偿臂，补