第二章_應(yīng)變式傳感器_

1、第二章第二章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 2.12.1 金屬應(yīng)變片式金屬應(yīng)變片式傳感器傳感器 應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變效應(yīng)做應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變效應(yīng)做 成的傳感器。成的傳感器。 核心元件核心元件是電阻應(yīng)變計(jì)（應(yīng)變片、應(yīng)是電阻應(yīng)變計(jì)（應(yīng)變片、應(yīng) 變計(jì)），它將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成變計(jì)），它將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成 電阻變化。電阻變化。有金屬、半導(dǎo)體兩種。有金屬、半導(dǎo)體兩種。 第二章 電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)金屬絲（或半導(dǎo)體）在外力：當(dāng)金屬絲（或半導(dǎo)體）在外力 作作 用下發(fā)生機(jī)械變用下發(fā)生機(jī)械變形形時(shí)其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象。時(shí)其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象。 當(dāng)受軸向應(yīng)力作用時(shí)有：當(dāng)受軸向應(yīng)力作

2、用時(shí)有： 第二章 金屬電阻絲應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)金屬電阻絲應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 1-基片；基片；2-電阻絲；電阻絲；3-覆蓋層；覆蓋層；4-引出線引出線 第二章 2 3 4 1 電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖 b l 由敏感柵由敏感柵1 1、基底、基底2 2、蓋片、蓋片3 3、引線、引線4 4和粘結(jié)劑等和粘結(jié)劑等 組成。組成。 （1） 敏感柵敏感柵 由金屬細(xì)絲繞成柵形。電阻應(yīng)變片的電阻值多為由金屬細(xì)絲繞成柵形。電阻應(yīng)變片的電阻值多為 120120。應(yīng)變片柵長(zhǎng)大小關(guān)系到所測(cè)應(yīng)變的準(zhǔn)確度，應(yīng)變。應(yīng)變片柵長(zhǎng)大小關(guān)系到所測(cè)應(yīng)變的準(zhǔn)確度，應(yīng)變 片測(cè)得的應(yīng)變大小是應(yīng)變片柵長(zhǎng)和柵寬所在面積內(nèi)的平片測(cè)得的應(yīng)

3、變大小是應(yīng)變片柵長(zhǎng)和柵寬所在面積內(nèi)的平 均軸向應(yīng)變量。均軸向應(yīng)變量。 柵長(zhǎng)（基寬）柵長(zhǎng)（基寬） 柵寬（標(biāo)距）柵寬（標(biāo)距） 第二章 2 103mm120 （2 2） 基底和蓋片基底和蓋片 基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對(duì)位置，蓋 片既保持敏感柵和引線的形狀和相對(duì)位置，還可保護(hù)敏 感柵?；椎娜L(zhǎng)稱為基底長(zhǎng)，其寬度稱為基底寬。 （4 4） 引線引線 是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線。 （3 3） 粘結(jié)劑粘結(jié)劑 用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼 在一起。 第二章 第二章 S l R 設(shè)有一根長(zhǎng)度為設(shè)有一根長(zhǎng)度為l l、截面積為、截面積為S S、電阻率為、電阻率為的的 金屬絲，其

4、電阻金屬絲，其電阻R R為為 兩邊取對(duì)數(shù)，得兩邊取對(duì)數(shù)，得 等式兩邊取微分，得等式兩邊取微分，得 S l R SlRlnlnlnln S dS l dld R dR R dR d l dl S dS 第二章 電阻的相對(duì)變化； 電阻率的相對(duì) 變化； 金屬絲長(zhǎng)度相對(duì)變化，用表示 截面積的相對(duì)變化。 l dl 稱為金屬絲長(zhǎng)度方向上的應(yīng)變或軸向應(yīng)變；以微應(yīng)變稱為金屬絲長(zhǎng)度方向上的應(yīng)變或軸向應(yīng)變；以微應(yīng)變 度量。度量。 SE F E 6 10 為應(yīng)力值；為應(yīng)力值；E E為材料的彈性模量；為材料的彈性模量； dr/rdr/r為金屬絲半徑的相對(duì)變化，即徑向應(yīng)變?yōu)闉榻饘俳z半徑的相對(duì)變化，即徑向應(yīng)變?yōu)?r r。

5、 S= r 2 dS /S=2dr/r r= 由材料力學(xué)知 第二章 金屬材料的泊松比金屬材料的泊松比 為電阻絲材料的泊松比，一般金屬為電阻絲材料的泊松比，一般金屬=0.3-0.5=0.3-0.5； / 21 RR k 21 / k 材料的幾何尺寸變化引起的材料的幾何尺寸變化引起的 材料的電阻率材料的電阻率隨應(yīng)變引起的（壓阻效應(yīng)）隨應(yīng)變引起的（壓阻效應(yīng)） 金屬材料：金屬材料：k k以前者為主，則以前者為主，則k k1+21+2=1.7-3.61.7-3.6 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體：體：k k值主要是由電阻率相對(duì)變化所決定值主要是由電阻率相對(duì)變化所決定 物理意義：?jiǎn)挝粦?yīng)變引起的電阻相對(duì)變化。物理意義：?jiǎn)挝?/p>

6、應(yīng)變引起的電阻相對(duì)變化。 第二章 )21 ()21 ( d l dld R dR 金屬應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變計(jì) 第二章 1 1 靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù) 當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻相對(duì)變化與應(yīng)變當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻相對(duì)變化與應(yīng)變?cè)诤茉诤?寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系。寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系。即即 K K為金屬應(yīng)變片的為金屬應(yīng)變片的“標(biāo)稱靈敏系數(shù)標(biāo)稱靈敏系數(shù)” 。 應(yīng)變片的靈敏系數(shù)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K K恒小于線材的靈敏系數(shù)恒小于線材的靈敏系數(shù)K KS S。原因：膠。原因：膠 層傳遞變形失真，橫向效應(yīng)也是一個(gè)不可忽視的因素。層傳遞變形失真，橫向效應(yīng)也是一個(gè)不可忽視的因素。 K R R R R K 第二章

7、試件與其上的應(yīng)變片受單向應(yīng)力時(shí)，其表面處于平面應(yīng)變狀態(tài)。對(duì)試件與其上的應(yīng)變片受單向應(yīng)力時(shí)，其表面處于平面應(yīng)變狀態(tài)。對(duì) 于由多條直線和圓弧部分組成敏感柵：于由多條直線和圓弧部分組成敏感柵： 直線段：沿軸向拉應(yīng)變直線段：沿軸向拉應(yīng)變，電阻，電阻 圓弧段：沿橫向壓應(yīng)變圓弧段：沿橫向壓應(yīng)變r(jià) r等，電阻等，電阻 y x y 第二章 br 橫向效應(yīng)：橫向效應(yīng)： 金屬應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件的軸向應(yīng)變金屬應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件的軸向應(yīng)變 使敏感柵電阻發(fā)生變化，其橫向應(yīng)變使敏感柵電阻發(fā)生變化，其橫向應(yīng)變 r r也將使敏也將使敏 感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化，應(yīng)變片的這感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化，應(yīng)變片的這

8、種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引 起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。 第二章 3 3 機(jī)械滯后機(jī)械滯后 產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘 余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘在制造或粘 貼應(yīng)變片時(shí)，敏感柵受到不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘哒辰Y(jié)劑固化不貼應(yīng)變片時(shí)，敏感柵受到不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘哒辰Y(jié)劑固化不 充分。充分。 1 機(jī)械應(yīng)變 卸載 加載 指 示 應(yīng) 變 i 應(yīng)變片的機(jī)械滯后 機(jī)械滯后值還與應(yīng)變片所機(jī)械滯后值還與應(yīng)變片所 承受的應(yīng)變

9、量有關(guān)。承受的應(yīng)變量有關(guān)。 第二章 1 機(jī)械應(yīng)變 卸載 加載 指 示 應(yīng) 變 i 應(yīng)變片的機(jī)械滯后 4 4 零點(diǎn)漂移和蠕變零點(diǎn)漂移和蠕變 零點(diǎn)漂移產(chǎn)生原因：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；零點(diǎn)漂移產(chǎn)生原因：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)； 應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。 第二章 如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng) 變，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性稱為蠕變。變，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性稱為蠕變。 一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的方向相反。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的方向相反。 產(chǎn)生原因：由于膠層之間發(fā)生產(chǎn)生

10、原因：由于膠層之間發(fā)生“滑動(dòng)滑動(dòng)”，使力傳，使力傳 到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。 5 應(yīng)變極限 在一定溫度下，在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對(duì)測(cè)試值的真應(yīng)變片的指示應(yīng)變對(duì)測(cè)試值的真 實(shí)應(yīng)變的相對(duì)誤差不超過(guò)規(guī)定范圍（一般為實(shí)應(yīng)變的相對(duì)誤差不超過(guò)規(guī)定范圍（一般為10%10%）時(shí)）時(shí) 的最大真實(shí)應(yīng)變值。的最大真實(shí)應(yīng)變值。 lim 真實(shí)應(yīng)變z 指 示 應(yīng) 變 i 應(yīng)變片的應(yīng)變極限應(yīng)變片的應(yīng)變極限 10% 1 影響因素：粘結(jié)劑和基底影響因素：粘結(jié)劑和基底 材料傳遞變形的性能及應(yīng)材料傳遞變形的性能及應(yīng) 變片的安裝質(zhì)量。變片的安裝質(zhì)量。 第二章 1 1 直流（交流）電橋直流（交流）電

11、橋 2 2 非線性誤差及其補(bǔ)償非線性誤差及其補(bǔ)償 應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化 R R/ /R R，要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成合適的電壓或電，要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成合適的電壓或電 流的變化，才能用電測(cè)儀表進(jìn)行測(cè)量。流的變化，才能用電測(cè)儀表進(jìn)行測(cè)量。 第二章 直流電橋 電阻應(yīng)變片的測(cè)量線路多采用交流電橋電阻應(yīng)變片的測(cè)量線路多采用交流電橋( (配交流放配交流放 大器大器) )，其原理和直流電橋相似。直流電橋比較簡(jiǎn)單，如，其原理和直流電橋相似。直流電橋比較簡(jiǎn)單，如 圖所示。當(dāng)電源圖所示。當(dāng)電源E E為電勢(shì)源，其內(nèi)阻為零時(shí)，可求出檢流為電勢(shì)源，其內(nèi)阻為零時(shí)，可求出檢

12、流 計(jì)中流過(guò)的電流計(jì)中流過(guò)的電流I Ig g與電橋各參數(shù)之間的關(guān)系為與電橋各參數(shù)之間的關(guān)系為 第二章 R2 R4 R1 R3 E 電橋線路原理圖 Rg A C D Ig B 當(dāng)當(dāng)R1R4=R2R3時(shí)，時(shí)，Ig=0，Ug=0，即電橋處于平衡狀態(tài)。，即電橋處于平衡狀態(tài)。 若電橋的負(fù)載電阻若電橋的負(fù)載電阻Rg為無(wú)窮大，則為無(wú)窮大，則B、D兩點(diǎn)可視為開(kāi)兩點(diǎn)可視為開(kāi) 路。路。 )( 4 4321 R R R R R R R RE U ii g 第二章 當(dāng)當(dāng) i R i R )-( 4 K 4321 i E R2 R4 R1 R3 E 電橋線路原理圖 Rg A C D Ig B 1 R 1 4 K U i

13、 g E 單臂半橋單臂半橋?yàn)閼?yīng)變片為應(yīng)變片 21 R，R ）（ 21 - 4 K U i g E 雙臂半橋雙臂半橋 為應(yīng)變片為應(yīng)變片 4321 RRRR， 全橋全橋 為應(yīng)變片為應(yīng)變片 )-( 4 K U 4321 i g E 拉應(yīng)片拉應(yīng)片 取正取正 當(dāng)當(dāng)RiR時(shí)，輸出電壓與應(yīng)變呈線性關(guān)系。時(shí)，輸出電壓與應(yīng)變呈線性關(guān)系。 若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)變?nèi)粝噜弮蓸虮鄣膽?yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)變 時(shí)，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的極性不同時(shí)，時(shí)，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的極性不同時(shí)， 輸出電壓為兩者之和。輸出電壓為兩者之和。 若相對(duì)兩橋臂應(yīng)變的極性一致時(shí)，輸出電

14、壓為兩者之和；若相對(duì)兩橋臂應(yīng)變的極性一致時(shí)，輸出電壓為兩者之和； 相對(duì)橋臂的應(yīng)變極性相反時(shí)，輸出電壓為兩者之差。相對(duì)橋臂的應(yīng)變極性相反時(shí)，輸出電壓為兩者之差。 利用上述特點(diǎn)可進(jìn)行溫度補(bǔ)償和提高測(cè)量的靈敏度利用上述特點(diǎn)可進(jìn)行溫度補(bǔ)償和提高測(cè)量的靈敏度。 第二章 五、溫度特性（誤差及其補(bǔ)償）五、溫度特性（誤差及其補(bǔ)償） 1 1 溫度誤差溫度誤差 應(yīng)變片的電阻絲應(yīng)變片的電阻絲 ( (敏感柵敏感柵) )具有一定溫度系數(shù)；具有一定溫度系數(shù)； 電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同。電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同。 第二章 設(shè)環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為t（）時(shí)， 粘貼在試件表面的應(yīng)變片敏感柵材料的電阻溫

15、度系 數(shù)為t ，則應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻相對(duì)變化為 t R R t 1 第二章 t get 2 相應(yīng)的電阻相對(duì)變化為相應(yīng)的電阻相對(duì)變化為 K K應(yīng)變片靈敏系數(shù)。應(yīng)變片靈敏系數(shù)。 tK R R ge 2 第二章 溫度變化形成的總電阻相對(duì)變化：溫度變化形成的總電阻相對(duì)變化： tKt R R R R R R get t 21 第二章 12 12溫度補(bǔ)償（自補(bǔ)償法和線路補(bǔ)償法）溫度補(bǔ)償（自補(bǔ)償法和線路補(bǔ)償法） 單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片 若要應(yīng)變片在溫度變化若要應(yīng)變片在溫度變化t時(shí)的熱輸出值為零，必須使時(shí)的熱輸出值為零，必須使 即即 選擇應(yīng)變片時(shí)，若使其電阻溫度系數(shù)選擇應(yīng)變片時(shí)，若使其電阻溫度系數(shù) 和

16、線膨脹系和線膨脹系 數(shù)數(shù) 與與 滿足上式的條件，即可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)滿足上式的條件，即可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ) 償。具有這種敏感柵的應(yīng)變片稱為單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片。償。具有這種敏感柵的應(yīng)變片稱為單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片。 0 get K egt K e t g 第二章 雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片 是由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種是由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種 為負(fù)值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達(dá)到一定的溫度為負(fù)值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達(dá)到一定的溫度 范圍內(nèi)在一定材料的試件上實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)?，如圖。范圍內(nèi)在一定材料的試件上實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)?，如圖。 (Ra) t= (Rb) t 焊點(diǎn)

17、Ra Rb 第二章 這種應(yīng)變片的自補(bǔ)償條件要求粘貼在某種試件上的兩這種應(yīng)變片的自補(bǔ)償條件要求粘貼在某種試件上的兩 段敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號(hào)段敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號(hào) 相反，即相反，即 電路補(bǔ)償法電路補(bǔ)償法 如圖，電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關(guān)系為 式中A由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。 3241 RRRRAUSC USC R2 R4 R1 R3 E 橋路補(bǔ)償法 由上式可知，當(dāng)R3、R4 為常數(shù)時(shí)，Rl和R2對(duì)輸出 電壓的作用方向相反。利 用這個(gè)基本特性可實(shí)現(xiàn)對(duì) 溫度的補(bǔ)償。 第二章 測(cè)量應(yīng)變時(shí)，使用兩個(gè)應(yīng)變片，一片貼在被使用兩個(gè)應(yīng)變片，一片貼在被

18、測(cè)試件的表面測(cè)試件的表面，圖中R1稱為工作應(yīng)變片。另一片另一片 貼在與被測(cè)試件材料相同的補(bǔ)償塊上貼在與被測(cè)試件材料相同的補(bǔ)償塊上，圖中R2， 稱為補(bǔ)償應(yīng)變片。 補(bǔ)償應(yīng)變片粘貼示意圖 R1 R2 第二章 當(dāng)被測(cè)試件不承受應(yīng)變時(shí)，R1和R2處于同一 溫度場(chǎng)，調(diào)整電橋參數(shù)，可使電橋輸出電壓為零，即 上式中可以選擇R1=R2=R及R3=R4=R。 當(dāng)溫度升高或降低時(shí)，若R1t=R2t，即兩個(gè)應(yīng)變 片的熱輸出相等，由上式可知電橋的輸出電壓為零， 即 0 3241 RRRRAUSC 322411 RRRRRRAU ttSC 0 21 tt RRRA 第二章 將補(bǔ)償片貼在被測(cè)試件上，既能起到溫度補(bǔ)償作用，又將補(bǔ)償片貼在被測(cè)試件上，既能起到溫度補(bǔ)償作用，又 能提高輸出的靈敏度，貼法如圖所示。能提高輸出的靈敏度，貼法如圖所示。 R1 R2 FF R1R2 （b）（a） F 圖圖(a)為一個(gè)梁受彎曲應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片為一個(gè)梁受彎曲應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片R1和和R2的變形方向的變形方向 相反，上面受拉，下面受壓，應(yīng)變絕對(duì)值相等，符號(hào)相相反