第三章電阻應(yīng)變式傳感器ppt課件

1、第三章第三章 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容 本章論述應(yīng)變式傳感器的任務(wù)原理；應(yīng)變片的本章論述應(yīng)變式傳感器的任務(wù)原理；應(yīng)變片的種類；應(yīng)變片的特性；應(yīng)變片的溫度誤差及補償；種類；應(yīng)變片的特性；應(yīng)變片的溫度誤差及補償；應(yīng)變片的丈量電路；應(yīng)變式傳感器的運用。應(yīng)變片的丈量電路；應(yīng)變式傳感器的運用。教學(xué)重點教學(xué)重點 1. 應(yīng)變片的任務(wù)原理及根本特性；應(yīng)變片的任務(wù)原理及根本特性； 2. 應(yīng)變片的溫度誤差構(gòu)成及補償；應(yīng)變片的溫度誤差構(gòu)成及補償； 3. 應(yīng)變式傳感器丈量電路的構(gòu)造方式及特點；應(yīng)變式傳感器丈量電路的構(gòu)造方式及特點； 4. 了解應(yīng)變式傳感器的根本運用。了解應(yīng)變式傳感器的根本運用。

2、作業(yè)：作業(yè)：2-1，2-5 電阻應(yīng)變式傳感器是以電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變式傳感器是以電阻應(yīng)變片(簡稱簡稱應(yīng)變片應(yīng)變片)為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。 應(yīng)變變化應(yīng)變變化-電阻變化電阻變化電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器?運用運用: 丈量應(yīng)變及其他物理量，如丈量力、壓力、丈量應(yīng)變及其他物理量，如丈量力、壓力、位移、力矩、分量、溫度和加速度等物理量。位移、力矩、分量、溫度和加速度等物理量。電阻應(yīng)變式傳感器特點電阻應(yīng)變式傳感器特點: 構(gòu)造簡單、體積小、丈量范圍廣、頻率呼應(yīng)特性構(gòu)造簡單、體積小、丈量范圍廣、頻率呼應(yīng)特性好、適宜動態(tài)和靜態(tài)丈量、運用壽命長、性能穩(wěn)定可好、適宜動態(tài)和靜態(tài)丈量、運用壽命長、

3、性能穩(wěn)定可靠等特點，是目前運用最廣泛的傳感器之一?？康忍攸c，是目前運用最廣泛的傳感器之一。應(yīng)變片類型應(yīng)變片類型(根據(jù)資料不同根據(jù)資料不同) 金屬應(yīng)變片金屬應(yīng)變片 應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng) 半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片 壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)3-1 金屬應(yīng)變片式傳感器金屬應(yīng)變片式傳感器 金屬應(yīng)變片式傳感器的中心元件是金屬應(yīng)變片，它金屬應(yīng)變片式傳感器的中心元件是金屬應(yīng)變片，它可將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。可將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。 運用時將應(yīng)變片用粘結(jié)劑結(jié)實地粘貼在被測試件外表上，當(dāng)運用時將應(yīng)變片用粘結(jié)劑結(jié)實地粘貼在被測試件外表上，當(dāng)試件受力變形時，應(yīng)變片的敏感柵也伴隨變形，引起應(yīng)變片電阻試件受力變

4、形時，應(yīng)變片的敏感柵也伴隨變形，引起應(yīng)變片電阻值變化，經(jīng)過丈量電路將其轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號輸出。值變化，經(jīng)過丈量電路將其轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號輸出。1.1.精度高，丈量范圍廣；精度高，丈量范圍廣；2.2.頻率呼應(yīng)特性較好；頻率呼應(yīng)特性較好；3.3.構(gòu)造簡單、尺寸小、分量輕；構(gòu)造簡單、尺寸小、分量輕；4.4.可在高低溫、高速、高壓、劇烈振動、強磁場及可在高低溫、高速、高壓、劇烈振動、強磁場及核輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣環(huán)境條件下正常任務(wù)；核輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣環(huán)境條件下正常任務(wù)；5.5.易于實現(xiàn)小型化、固態(tài)化；價錢低廉、種類多樣，便易于實現(xiàn)小型化、固態(tài)化；價錢低廉、種類多樣，便于選擇。于選擇。 應(yīng)變式傳

5、感器已成為目前非電量電測技術(shù)中非常重應(yīng)變式傳感器已成為目前非電量電測技術(shù)中非常重要的檢測手段，廣泛地運用于工程丈量和科學(xué)實驗中，要的檢測手段，廣泛地運用于工程丈量和科學(xué)實驗中，主要是由于它具有以下幾個特點：主要是由于它具有以下幾個特點：dFFLL+Ld-dll+ dl2r2(r-dr)F一、金屬絲式應(yīng)變片一、金屬絲式應(yīng)變片 變化上式，得變化上式，得SlRslRlnlnlnln等式兩邊微分，那么等式兩邊微分，那么得得SdSldldRdR一應(yīng)變效應(yīng)一應(yīng)變效應(yīng)設(shè)有一根長度為設(shè)有一根長度為 、截面積為、截面積為S S、電阻率為的金屬絲，其電阻、電阻率為的金屬絲，其電阻R R為為l為電阻率的相對變化為電

6、阻率的相對變化d稱為金屬絲長度方向的應(yīng)變或軸向應(yīng)變稱為金屬絲長度方向的應(yīng)變或軸向應(yīng)變ldl為截面積的相對變化為截面積的相對變化 SdSSdSldldRdR上式三項分別為上式三項分別為:為金屬絲半徑的相對變化，為金屬絲半徑的相對變化，rdr金屬資料電阻率相對變化與其體積相對變化之間有下關(guān)系：金屬資料電阻率相對變化與其體積相對變化之間有下關(guān)系：VdVcd2rS由由rdrdS2有有rdrSdS 2即即面積的相對變化變面積的相對變化變?yōu)榘霃降南鄬ψ兓癁榘霃降南鄬ψ兓疞dLrdr為電阻絲資料的泊松比為電阻絲資料的泊松比SdSldldRdRlSV2(12 )dVdSdlVSl 由此得由此得 )21 ( c

7、VdVcdrdrSdS 2)21()21( cRdR(12 )(12 )cK)21()21( cRdR(12 )(12 )cK(12 )(12 )KcK為金屬資料的應(yīng)變靈敏度系數(shù)為金屬資料的應(yīng)變靈敏度系數(shù)電阻率變?yōu)閹缀螀?shù)再聯(lián)絡(luò)應(yīng)變和固有參數(shù)電阻率變?yōu)閹缀螀?shù)再聯(lián)絡(luò)應(yīng)變和固有參數(shù) 電阻率變化電阻率變化 形形 變變dRR)21 ( 電阻的變化由兩部分組成電阻的變化由兩部分組成: 一是應(yīng)變片受力后資料由形變引起的變化，即一是應(yīng)變片受力后資料由形變引起的變化，即1+2 二是應(yīng)變片受力后資料的電阻率發(fā)生的變化，二是應(yīng)變片受力后資料的電阻率發(fā)生的變化，即即/。 對金屬資料：對金屬資料：1+2( /)/

8、對半導(dǎo)體資料：對半導(dǎo)體資料：( /)/1+2 大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)， 電阻的電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，即相對變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。為常數(shù)。 引線引線-銜接丈量導(dǎo)線之用銜接丈量導(dǎo)線之用蓋層蓋層基底與面膠基底與面膠中間介質(zhì)和絕緣作用中間介質(zhì)和絕緣作用電阻絲電阻絲( (敏感柵敏感柵)轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件 以下圖為電阻應(yīng)變片的典型構(gòu)造圖。它由敏感柵、基底、蓋片、引線和粘結(jié)劑以下圖為電阻應(yīng)變片的典型構(gòu)造圖。它由敏感柵、基底、蓋片、引線和粘結(jié)劑等組成。這些部分所選用的資料將直接影呼應(yīng)變片的性能。因此，應(yīng)根據(jù)運用條等組成。這些部分所選用的資料將直接影呼應(yīng)變

9、片的性能。因此，應(yīng)根據(jù)運用條件和要求合理地加以選擇。件和要求合理地加以選擇?；采w層覆蓋層金屬絲金屬絲引線引線二應(yīng)變片的構(gòu)造與資料二應(yīng)變片的構(gòu)造與資料1.1.敏感柵敏感柵 它是應(yīng)變片最重要的組成部分，由某種金屬細(xì)絲繞成柵形。普通它是應(yīng)變片最重要的組成部分，由某種金屬細(xì)絲繞成柵形。普通用于制造應(yīng)變片的金屬細(xì)絲直徑為用于制造應(yīng)變片的金屬細(xì)絲直徑為0.0150.0150.05mm0.05mm。電阻應(yīng)變片的。電阻應(yīng)變片的電阻值為電阻值為6060、120120、200200等各種規(guī)格，以等各種規(guī)格，以120120最為常用。敏最為常用。敏感柵在縱軸方向的長度稱為柵長。在與應(yīng)變片軸線垂直的方向上，感柵

10、在縱軸方向的長度稱為柵長。在與應(yīng)變片軸線垂直的方向上，敏感柵外側(cè)之間的間隔稱為柵寬。應(yīng)變片柵長大小關(guān)系到所測應(yīng)變敏感柵外側(cè)之間的間隔稱為柵寬。應(yīng)變片柵長大小關(guān)系到所測應(yīng)變的準(zhǔn)確度，應(yīng)變片測得的應(yīng)變大小實踐上是應(yīng)變片柵長和柵寬所在的準(zhǔn)確度，應(yīng)變片測得的應(yīng)變大小實踐上是應(yīng)變片柵長和柵寬所在面積內(nèi)的平均軸向應(yīng)變量。柵長有面積內(nèi)的平均軸向應(yīng)變量。柵長有1010、20mm20mm等規(guī)格，分別順應(yīng)于不等規(guī)格，分別順應(yīng)于不同的用途。同的用途。 2. 基底和蓋片 基底用于堅持敏感柵、引線的幾何外形和相對位置，蓋片既堅持敏感柵和引線的外形和相對位置，還可維護(hù)敏感柵。最早的基底和蓋片多用專門的薄紙制成?；缀穸绕?/p>

11、通為0.020.04mm，基底的全長稱為基底長,其寬度稱為基底寬。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同。用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一同。 運用金屬應(yīng)變片時運用金屬應(yīng)變片時, ,也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件外表也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件外表某個方向和位置上，以便將構(gòu)件受力后的外表應(yīng)變傳送給應(yīng)變計的某個方向和位置上，以便將構(gòu)件受力后的外表應(yīng)變傳送給應(yīng)變計的基底和敏感柵?；缀兔舾袞拧?常用的粘結(jié)劑分為有機和無機兩大類。有機粘結(jié)劑用于低溫、常常用的粘結(jié)劑分為有機和無機兩大類。有機粘結(jié)劑用于低溫、常溫暖中溫。常用有聚丙烯酸酯、酚

12、醛樹脂、有機硅樹脂，聚酰亞胺溫暖中溫。常用有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機硅樹脂，聚酰亞胺等。無機粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸鹽、硼酸鹽等。等。無機粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸鹽、硼酸鹽等。4. 引線引線它是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的金屬線。常用直徑約它是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的金屬線。常用直徑約0.80.15mm的鍍錫銅線，或扁帶形的其它金屬資料制成。對引線資料的性能要的鍍錫銅線，或扁帶形的其它金屬資料制成。對引線資料的性能要求為電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多求為電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵資料都可制造引線。數(shù)敏感柵資料都可

13、制造引線。金屬箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片的任務(wù)原理根本和電阻絲式應(yīng)變片一樣。它的電阻敏箔式應(yīng)變片的任務(wù)原理根本和電阻絲式應(yīng)變片一樣。它的電阻敏感原件不是金屬絲柵，而是經(jīng)過光刻技術(shù)、腐蝕等工序制成的薄金感原件不是金屬絲柵，而是經(jīng)過光刻技術(shù)、腐蝕等工序制成的薄金屬箔柵，故稱箔式電阻應(yīng)變片。屬箔柵，故稱箔式電阻應(yīng)變片。金屬箔的厚度普通為金屬箔的厚度普通為0.0030.0030.010mm0.010mm，它的基片和蓋片多為膠質(zhì)膜，它的基片和蓋片多為膠質(zhì)膜，基片厚度普通為基片厚度普通為0.030.030.05mm0.05mm。箔材外表積大，散熱條件好，故允許經(jīng)過較大電流，因此可以輸箔材外表積大

14、，散熱條件好，故允許經(jīng)過較大電流，因此可以輸出較大信號，提高了丈量靈敏度。出較大信號，提高了丈量靈敏度。金屬箔式應(yīng)變片和絲式應(yīng)變片相比較，有如下特點金屬箔式應(yīng)變片和絲式應(yīng)變片相比較，有如下特點箔柵的尺寸準(zhǔn)確，均勻，且能制成任不測形，為制造小距應(yīng)變片箔柵的尺寸準(zhǔn)確，均勻，且能制成任不測形，為制造小距應(yīng)變片提供了條件，從而擴展了應(yīng)變片的運用范圍。便于成批消費。提供了條件，從而擴展了應(yīng)變片的運用范圍。便于成批消費。金屬箔柵很薄，因此它所感受的應(yīng)力形狀與試件外表的應(yīng)力形狀金屬箔柵很薄，因此它所感受的應(yīng)力形狀與試件外表的應(yīng)力形狀更為接近。其次，當(dāng)箔材和絲材具有同樣的截面積時，箔材與粘接更為接近。其次，當(dāng)

15、箔材和絲材具有同樣的截面積時，箔材與粘接層的接觸面積比絲材大，使它能更好地和試件共同任務(wù)。箔柵的端層的接觸面積比絲材大，使它能更好地和試件共同任務(wù)。箔柵的端部較寬，橫向效應(yīng)較小，因此提高了應(yīng)變丈量的精度。部較寬，橫向效應(yīng)較小，因此提高了應(yīng)變丈量的精度。半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片K21分析：當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時分析：當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對變化量與所受的應(yīng)變半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對變化量與所受的應(yīng)變力有關(guān)：力有關(guān)：E式中：式中： 半導(dǎo)體資料的壓阻系數(shù)半導(dǎo)體資料的壓阻系數(shù); 半導(dǎo)體資料的所受應(yīng)變力半導(dǎo)體資料的所受應(yīng)變力; E半導(dǎo)體資料的彈性模量半導(dǎo)體資料的彈性模量

16、; 半導(dǎo)體資料的應(yīng)變。半導(dǎo)體資料的應(yīng)變。因此：因此：)21 (ERR實驗證明，實驗證明，E比比1+2大上百倍，所以大上百倍，所以1+2可可以忽略，因此半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為：以忽略，因此半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為： ERRK 丈量原理：在外力作用下，被測對象產(chǎn)生微丈量原理：在外力作用下，被測對象產(chǎn)生微小機械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生一樣的變化，小機械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生一樣的變化， 同時同時應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測得應(yīng)變片電應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測得應(yīng)變片電阻值變化量為阻值變化量為R時，便可得到被測對象的應(yīng)變值，時，便可得到被測對象的應(yīng)變值， 根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，得到應(yīng)力值根據(jù)應(yīng)力

17、與應(yīng)變的關(guān)系，得到應(yīng)力值為為 ：=E RRK3.3 電阻應(yīng)變片的特性電阻應(yīng)變片的特性 應(yīng)變片電阻值應(yīng)變片電阻值. 未受應(yīng)變時初始電阻值未受應(yīng)變時初始電阻值靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù). 物理意義：單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化物理意義：單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化.橫向效應(yīng)橫向效應(yīng).最大任務(wù)電流最大任務(wù)電流.動態(tài)呼應(yīng)特性動態(tài)呼應(yīng)特性.主要特性主要特性KRR/RRK或或 丈量結(jié)果闡明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)丈量結(jié)果闡明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)恒小于線材的靈敏系數(shù)Km。究其緣由，。究其緣由，除膠層傳送變形失真外，橫向效應(yīng)也是一個不可忽視的要素。除膠層傳送變形失真外，橫向效應(yīng)也是一個不可忽視的要素。

18、 1,靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)金屬應(yīng)變絲的電阻相對變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，金屬應(yīng)變絲的電阻相對變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，用靈敏系數(shù)用靈敏系數(shù)K表示。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻應(yīng)變特性，與表示。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻應(yīng)變特性，與金屬單絲情況不同。因此，須用實驗方法對應(yīng)變片的電阻金屬單絲情況不同。因此，須用實驗方法對應(yīng)變片的電阻-應(yīng)變應(yīng)變 特特性重新測定。性重新測定。RR實驗闡明，金屬應(yīng)變片的電阻相對變化實驗闡明，金屬應(yīng)變片的電阻相對變化 與應(yīng)變在很寬的范圍內(nèi)與應(yīng)變在很寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系。即均為線性關(guān)系。即 為了減小橫向效應(yīng)產(chǎn)生的丈量誤差，普通采用箔式應(yīng)變片。為了

19、減小橫向效應(yīng)產(chǎn)生的丈量誤差，普通采用箔式應(yīng)變片。xy2.橫向效應(yīng)橫向效應(yīng) 定義：絲繞應(yīng)變片沿軸向感受拉應(yīng)變定義：絲繞應(yīng)變片沿軸向感受拉應(yīng)變 ，電阻，電阻值將添加，而在園弧段上，其電阻的變化與直線段不值將添加，而在園弧段上，其電阻的變化與直線段不一樣，在垂直方向上一樣，在垂直方向上=90產(chǎn)生負(fù)的壓應(yīng)變產(chǎn)生負(fù)的壓應(yīng)變 ，其，其電阻是減小的。靈敏系數(shù)比直的電阻絲降低，這種景電阻是減小的。靈敏系數(shù)比直的電阻絲降低，這種景象稱為橫向效應(yīng)象稱為橫向效應(yīng).r愈小，愈小，l愈大，即敏感柵愈窄，基長愈長的應(yīng)變片，其橫愈大，即敏感柵愈窄，基長愈長的應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)引起的誤差越小。向效應(yīng)引起的誤差越小。由于橫向效

20、應(yīng)系數(shù)的作用，在丈量縱向應(yīng)變時，圓弧部由于橫向效應(yīng)系數(shù)的作用，在丈量縱向應(yīng)變時，圓弧部分產(chǎn)生了一個負(fù)值的電阻變化。從而降低了靈敏度系數(shù)，分產(chǎn)生了一個負(fù)值的電阻變化。從而降低了靈敏度系數(shù)，該景象稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。該景象稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。lbOrdld0rl1l3.機械滯后機械滯后應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當(dāng)溫度恒定時，其指示應(yīng)變與試件外表應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當(dāng)溫度恒定時，其指示應(yīng)變與試件外表機械應(yīng)變的比值該當(dāng)不變，即加載、卸載過程中的靈敏系數(shù)應(yīng)一致，機械應(yīng)變的比值該當(dāng)不變，即加載、卸載過程中的靈敏系數(shù)應(yīng)一致，否那么就會帶來靈敏系數(shù)的誤差。然而實驗闡明，在添加或減少機否那么就會帶來靈敏系

21、數(shù)的誤差。然而實驗闡明，在添加或減少機械應(yīng)變的過程中，對同一機械應(yīng)變械應(yīng)變的過程中，對同一機械應(yīng)變，應(yīng)變片的指示應(yīng)變值不同，應(yīng)變片的指示應(yīng)變值不同，此差值即為機械滯后。此差值即為機械滯后。1機械應(yīng)變機械應(yīng)變卸載卸載加載加載指指示示應(yīng)應(yīng)變變i 機械滯后值還與應(yīng)變片所接受的應(yīng)變量有關(guān)，機械滯后值還與應(yīng)變片所接受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時的機械應(yīng)變愈大，卸載時的滯后也愈大。加載時的機械應(yīng)變愈大，卸載時的滯后也愈大。所以，通常在實驗之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載所以，通常在實驗之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載假設(shè)干次，以減少因機械滯后所產(chǎn)生的實驗誤假設(shè)干次，以減少因機械滯后所產(chǎn)生的實驗誤差。差。 產(chǎn)生緣由：應(yīng)變片在接受機

22、械應(yīng)變后的剩余變形，使敏感柵產(chǎn)生緣由：應(yīng)變片在接受機械應(yīng)變后的剩余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時，敏感柵遭電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時，敏感柵遭到的不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘辰Y(jié)劑固化不充分等。到的不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘辰Y(jié)劑固化不充分等。4. 零點漂移和蠕變零點漂移和蠕變對于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時對于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時,即使被測定試件未接受應(yīng)力，即使被測定試件未接受應(yīng)力，應(yīng)變片的指示應(yīng)變也會隨時間添加而逐漸變化。這一些變化就是應(yīng)應(yīng)變片的指示應(yīng)變也會隨時間添加而逐漸變化。這一些變化就是應(yīng)變片指示應(yīng)變的零點漂移。產(chǎn)生零點漂移的主要緣由是敏感柵通以變片指示應(yīng)

23、變的零點漂移。產(chǎn)生零點漂移的主要緣由是敏感柵通以任務(wù)電流后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不任務(wù)電流后的溫度效應(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。充分等。當(dāng)應(yīng)變片接受恒定的機械應(yīng)變時，應(yīng)變片的指示應(yīng)變卻隨時間而變當(dāng)應(yīng)變片接受恒定的機械應(yīng)變時，應(yīng)變片的指示應(yīng)變卻隨時間而變化，這種特性稱為蠕變。蠕變產(chǎn)生的緣由是由于膠層之間發(fā)生化，這種特性稱為蠕變。蠕變產(chǎn)生的緣由是由于膠層之間發(fā)生“滑滑動，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。動，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。理想情況下，應(yīng)變片電阻理想情況下，應(yīng)變片電阻的相對應(yīng)變片與所接受的的相對應(yīng)變片與所接受的軸向應(yīng)變成正比，即靈敏軸向應(yīng)變

24、成正比，即靈敏系數(shù)為常數(shù)，這種情況只系數(shù)為常數(shù)，這種情況只能在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)才能在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)才干堅持，當(dāng)試件外表的應(yīng)干堅持，當(dāng)試件外表的應(yīng)變超越一數(shù)值時，它們之變超越一數(shù)值時，它們之間的比例關(guān)系不再成立。間的比例關(guān)系不再成立。5. 應(yīng)變極限應(yīng)變極限j真實應(yīng)變真實應(yīng)變g指示應(yīng)變指示應(yīng)變i100%190%四、應(yīng)變片的動態(tài)呼應(yīng)特性四、應(yīng)變片的動態(tài)呼應(yīng)特性變化頻率較高的動態(tài)應(yīng)變變化頻率較高的動態(tài)應(yīng)變 動態(tài)呼應(yīng)特性動態(tài)呼應(yīng)特性 機械應(yīng)變機械應(yīng)變 應(yīng)變波方式傳播應(yīng)變波方式傳播 應(yīng)變波應(yīng)變波粘合劑粘合劑 基基 底底一樣于聲波速度的應(yīng)變波一樣于聲波速度的應(yīng)變波 敏感柵敏感柵 1、應(yīng)變波的傳播過程、應(yīng)變

25、波的傳播過程a.應(yīng)變波在試件資料中的傳播應(yīng)變波在試件資料中的傳播b.應(yīng)變波在粘合劑和基底中的傳播應(yīng)變波在粘合劑和基底中的傳播需求時間非常短，可忽略不計需求時間非常短，可忽略不計 sm1000s8105速度速度厚度厚度 0.05mm時間時間c.應(yīng)變波在應(yīng)變片敏感柵長度內(nèi)的傳播應(yīng)變波在應(yīng)變片敏感柵長度內(nèi)的傳播 應(yīng)變片反響出來的應(yīng)變波形，是應(yīng)變片絲柵長度應(yīng)變片反響出來的應(yīng)變波形，是應(yīng)變片絲柵長度內(nèi)所感受應(yīng)變量的平均值。即只需當(dāng)應(yīng)變波經(jīng)過應(yīng)變內(nèi)所感受應(yīng)變量的平均值。即只需當(dāng)應(yīng)變波經(jīng)過應(yīng)變片全部長度后，應(yīng)變片所反響的波形才干到達(dá)最大值。片全部長度后，應(yīng)變片所反響的波形才干到達(dá)最大值。即有一定的延時，從而

26、對動態(tài)丈量產(chǎn)生影響。即有一定的延時，從而對動態(tài)丈量產(chǎn)生影響。2、應(yīng)變片任務(wù)頻率范圍的估算、應(yīng)變片任務(wù)頻率范圍的估算 影響頻率特性的關(guān)鍵因數(shù)是應(yīng)變片的基長。其可影響頻率特性的關(guān)鍵因數(shù)是應(yīng)變片的基長。其可測頻率截至頻率分析如下：測頻率截至頻率分析如下：A、正弦應(yīng)變波、正弦應(yīng)變波應(yīng)變片對正弦應(yīng)變波的呼應(yīng)如圖示應(yīng)變片對正弦應(yīng)變波的呼應(yīng)如圖示L t應(yīng)變波幅的丈量誤差為應(yīng)變波幅的丈量誤差為1sin00000llav丈量誤差與應(yīng)變波長與基長的相對比值丈量誤差與應(yīng)變波長與基長的相對比值 有關(guān)有關(guān)有以下關(guān)系存在有以下關(guān)系存在fv0nl0nlvf 應(yīng)變片基長應(yīng)變片基長mm 1 2 3 5 10 15 20 最高工

27、作頻率最高工作頻率KHz25012583.3350 2516.6712.50/10 20l應(yīng)變波長與基長相對比值應(yīng)變波長與基長相對比值5000/ ,20vm s n五、溫度誤差及其補償五、溫度誤差及其補償1. 溫度誤差溫度誤差用作丈量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變變化，而不用作丈量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變變化，而不受其它要素的影響。實踐上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度包括被受其它要素的影響。實踐上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度包括被測試件溫度影響很大。因環(huán)境溫度改動而引起電阻變化的兩測試件溫度影響很大。因環(huán)境溫度改動而引起電阻變化的兩個主要要素：個主要要素：其一是應(yīng)變片的電阻絲具有一定溫度系

28、數(shù)；其一是應(yīng)變片的電阻絲具有一定溫度系數(shù)；其二是電阻絲資料與測測試資料的線膨脹系數(shù)不同。其二是電阻絲資料與測測試資料的線膨脹系數(shù)不同。由于丈量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改動而給丈量帶來的附加誤差，稱為由于丈量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改動而給丈量帶來的附加誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差。應(yīng)變片的溫度誤差。 產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要要素有下述兩個方面。產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要要素有下述兩個方面。 1、 電阻溫度系數(shù)的影響電阻溫度系數(shù)的影響 敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可用下式表示：敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可用下式表示： Rt=R0(1+0t) 式中式中: Rt溫度為溫度為t時的電阻值；時的電阻值； R0溫度

29、為溫度為t0時的電阻值；時的電阻值； 0溫度為溫度為t0時金屬絲的電阻溫度系數(shù)；時金屬絲的電阻溫度系數(shù)； t溫度變化值，溫度變化值，t= t - t0 當(dāng)溫度變化當(dāng)溫度變化t時，電阻絲電阻的變化值為：時，電阻絲電阻的變化值為： R=Rt-R0=R00t Rt=R0(1+0t) 2 試件資料和電阻絲資料的線膨脹系數(shù)的影響試件資料和電阻絲資料的線膨脹系數(shù)的影響 當(dāng)試件與電阻絲資料的線膨脹系數(shù)一樣時：環(huán)當(dāng)試件與電阻絲資料的線膨脹系數(shù)一樣時：環(huán)境溫度變化不會產(chǎn)生附加變形。境溫度變化不會產(chǎn)生附加變形。 當(dāng)試件與電阻絲資料的線膨脹系數(shù)不同時：環(huán)當(dāng)試件與電阻絲資料的線膨脹系數(shù)不同時：環(huán)境溫度變化，電阻絲會產(chǎn)

30、生附加變形，從而產(chǎn)生附境溫度變化，電阻絲會產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻變化。加電阻變化。 設(shè)電阻絲和試件在溫度為設(shè)電阻絲和試件在溫度為0時的長度均為時的長度均為l0, 它們的線膨脹系數(shù)分別為它們的線膨脹系數(shù)分別為s和和g，假設(shè)兩者不粘貼，假設(shè)兩者不粘貼，那么它們的長度分別為：那么它們的長度分別為： ls=l0(1+st)lg=l0(1+gt) 當(dāng)兩者粘貼在一同時，電阻絲產(chǎn)生的附當(dāng)兩者粘貼在一同時，電阻絲產(chǎn)生的附加變形加變形l、附加應(yīng)變、附加應(yīng)變和附加電阻變化和附加電阻變化R分別為：分別為： tRKRKRtlltllllsgsgsgsg)()()(000000由于溫度變化而引起的應(yīng)變片總電阻相

31、對變化量為由于溫度變化而引起的應(yīng)變片總電阻相對變化量為 tKtKtRRRRRsgsgt)()(000000 結(jié)論：因環(huán)境溫度變化而引起的附加電阻的相結(jié)論：因環(huán)境溫度變化而引起的附加電阻的相對變化量，除了與環(huán)境溫度有關(guān)外，還與應(yīng)變片本對變化量，除了與環(huán)境溫度有關(guān)外，還與應(yīng)變片本身的性能參數(shù)身的性能參數(shù)K0, 0, s以及被測試件線膨脹系以及被測試件線膨脹系數(shù)數(shù)g有關(guān)。有關(guān)。 2.2.溫度補償方法溫度補償方法 電阻應(yīng)變片的溫度補償方法通常有線路補償電阻應(yīng)變片的溫度補償方法通常有線路補償和應(yīng)變片自補償兩大類。和應(yīng)變片自補償兩大類。 電橋補償是最常用且效果較好的電阻片溫度電橋補償是最常用且效果較好的電

32、阻片溫度誤差補償方法。誤差補償方法。 R為任務(wù)應(yīng)變片，為任務(wù)應(yīng)變片，R為補償片。為補償片。電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關(guān)系為電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關(guān)系為314231012341234()()abRRRR RRUUUUUURRRRRRRRA A為由橋臂電阻和電源電壓決議的常數(shù)。為由橋臂電阻和電源電壓決議的常數(shù)。由上式可知，當(dāng)由上式可知，當(dāng)R3R3、R4R4為常數(shù)時，為常數(shù)時， R1R1和和R2R2對輸出電對輸出電壓的作用方向相反。利用這個根本特性可實現(xiàn)對溫壓的作用方向相反。利用這個根本特性可實現(xiàn)對溫度的補償，補償效果較好，這是最常用的外償方法度的補償，補償效果較好，這是最常用的外償方法之一。之一。

33、314231012341234()()abRRRR RRUUUUUURRRRRRRR1234()()UARRRR01423()UAR RR R 丈量應(yīng)變時，運用兩個應(yīng)變片，一片貼在被測試件的外表，如圖丈量應(yīng)變時，運用兩個應(yīng)變片，一片貼在被測試件的外表，如圖中中R1R1，稱為任務(wù)應(yīng)變片。另一片貼在與被測試件資料一樣的補償塊，稱為任務(wù)應(yīng)變片。另一片貼在與被測試件資料一樣的補償塊上，如圖中上，如圖中R2R2，稱為補償應(yīng)變片。在任務(wù)過程中補償塊不接受應(yīng)變，稱為補償應(yīng)變片。在任務(wù)過程中補償塊不接受應(yīng)變，僅隨溫度發(fā)生變形。僅隨溫度發(fā)生變形。當(dāng)被測試件不接受應(yīng)變時，當(dāng)被測試件不接受應(yīng)變時，R1R1和和R2R

34、2處于同一溫度場，調(diào)整電橋參處于同一溫度場，調(diào)整電橋參數(shù)，可使電橋輸出電壓為零。數(shù)，可使電橋輸出電壓為零。0)(3241RRRRAUo當(dāng)溫度升高或降低時，假設(shè)當(dāng)溫度升高或降低時，假設(shè) , ,即兩個應(yīng)變片的熱即兩個應(yīng)變片的熱輸出相等，由此可得輸出電壓輸出相等，由此可得輸出電壓UOUO為為ttRR210)()()()()(212121322411ttttttttoRRRARRRRRRRRARRRRRRARRRRRRAU假設(shè)此時有應(yīng)變作用，只會引起電阻假設(shè)此時有應(yīng)變作用，只會引起電阻R1R1發(fā)生變化，發(fā)生變化，R2R2不接受應(yīng)變，不接受應(yīng)變，故可得輸出電壓故可得輸出電壓UOUO為為KRARRRRRK

35、RRRAUtto413224111)()( 由上式可知，電橋輸出電壓只與應(yīng)變有關(guān)，與溫度無關(guān)。最后該由上式可知，電橋輸出電壓只與應(yīng)變有關(guān)，與溫度無關(guān)。最后該當(dāng)指出，為到達(dá)完全補償，需滿足以下條件：當(dāng)指出，為到達(dá)完全補償，需滿足以下條件：R1和和R2的電阻溫度系數(shù)的電阻溫度系數(shù)、線膨脹系數(shù)、線膨脹系數(shù)，應(yīng)，應(yīng)變靈敏系數(shù)變靈敏系數(shù)K都一樣，兩片的初始電阻值也要都一樣，兩片的初始電阻值也要求一樣。求一樣。用于粘補助償片的構(gòu)件和粘貼任務(wù)片的試件用于粘補助償片的構(gòu)件和粘貼任務(wù)片的試件二者資料必需一一樣，即要求兩者線膨脹系數(shù)二者資料必需一一樣，即要求兩者線膨脹系數(shù)相等。相等。兩應(yīng)變片處于同一溫度環(huán)境兩應(yīng)變

36、片處于同一溫度環(huán)境中中 單絲自補償應(yīng)變片單絲自補償應(yīng)變片由附加應(yīng)變式可以看出，假設(shè)使應(yīng)變片在溫度變化時的熱輸出值由附加應(yīng)變式可以看出，假設(shè)使應(yīng)變片在溫度變化時的熱輸出值為零，必需使為零，必需使0)(0tKtKRRlstt)(lsK當(dāng)被測資料確定以后，就可以選擇適宜的敏感柵資料滿足上式，到達(dá)補償?shù)哪慨?dāng)被測資料確定以后，就可以選擇適宜的敏感柵資料滿足上式，到達(dá)補償?shù)哪康牡臏y試資料單一測試資料單一這種溫度自補償應(yīng)變計是由兩種不同電阻溫度系數(shù)一種為正值，這種溫度自補償應(yīng)變計是由兩種不同電阻溫度系數(shù)一種為正值，一種為負(fù)值的資料串聯(lián)組成敏感柵，以到達(dá)一定的溫度范圍內(nèi)一種為負(fù)值的資料串聯(lián)組成敏感柵，以到達(dá)一

37、定的溫度范圍內(nèi)在一定資料的試件上實現(xiàn)溫度補償。如下圖。在一定資料的試件上實現(xiàn)溫度補償。如下圖。雙絲組合式自補償應(yīng)變計雙絲組合式自補償應(yīng)變計焊點焊點RaRb這種應(yīng)變片的自補償條件要求粘貼在某種試件上的兩敏感柵，隨這種應(yīng)變片的自補償條件要求粘貼在某種試件上的兩敏感柵，隨溫度變地而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號相反，即溫度變地而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號相反，即tbtaRR)()(CBADU0UiR1R2R3R4構(gòu)件受彎曲構(gòu)件受彎曲應(yīng)力應(yīng)力構(gòu)件受單向應(yīng)力構(gòu)件受單向應(yīng)力FR1(R4)R2(R3)不平衡電橋平衡電橋電橋 平衡電橋平衡電橋不平衡電橋不平衡電橋交流電橋直流電橋不平衡電橋R1 R1R4R3AC

38、BEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b)R3 R3R4 R4全橋差動電橋半橋差動電橋單臂電橋不平衡電橋EKRREUEKRREUEKRREUUUU1101101102244全橋差動電橋半橋差動電橋單臂電橋電橋單臂電橋單臂電橋半橋差動電橋半橋差動電橋全橋差動電橋全橋差動電橋交流電橋交流電橋43214444333322221111jjjjeZjXRZeZjXRZeZjXRZeZjXRZ32413241ZZZZ復(fù)阻抗模平衡復(fù)阻抗模平衡復(fù)阻抗幅角平復(fù)阻抗幅角平衡衡 交流電橋特性及平衡調(diào)理R1R2R4R3ACR5DUoU(a)R1R2R4R3ACR5UoU(b)BBR6R1R2R

39、4R3ACUoU(c)BC1C2C3C4R1R2R4R3ACCUoU( d )BRD、在軸向、在軸向，圓柱式力傳感器，圓柱式力傳感器如圖為在能接受較大力如圖為在能接受較大力的實心圓柱上，在圓柱的軸的實心圓柱上，在圓柱的軸向陳列兩個應(yīng)變片，在其環(huán)向陳列兩個應(yīng)變片，在其環(huán)向陳列另外兩個應(yīng)變片。向陳列另外兩個應(yīng)變片。應(yīng)變式力傳感器采用四個一樣的應(yīng)變片，被測力變化時，其中兩個應(yīng)變式力傳感器采用四個一樣的應(yīng)變片，被測力變化時，其中兩個受拉伸應(yīng)力，電阻增大，另外兩個電阻那么受緊縮應(yīng)力，電阻減小，受拉伸應(yīng)力，電阻增大，另外兩個電阻那么受緊縮應(yīng)力，電阻減小，經(jīng)過四臂電橋獲得電信號輸出，同時處理了靈敏度、線性性

40、、溫度經(jīng)過四臂電橋獲得電信號輸出，同時處理了靈敏度、線性性、溫度補償。補償。(a)(a)實心圓柱實心圓柱(b)(b)空心圓柱空心圓柱懸臂梁式測力傳感器懸臂梁式測力傳感器等截面梁等截面梁等強度梁等強度梁 自在端自在端 自在端自在端懸梁臂的特點是：構(gòu)造簡單；有正、負(fù)應(yīng)變區(qū)；靈敏度高；適宜于小負(fù)荷情況懸梁臂的特點是：構(gòu)造簡單；有正、負(fù)應(yīng)變區(qū)；靈敏度高；適宜于小負(fù)荷情況下運用。其構(gòu)造又分為等截面式和等強度式。下運用。其構(gòu)造又分為等截面式和等強度式。206xxF lb hFEbhL2max6等截面梁等截面梁等強度梁等強度梁截面抗彎模數(shù)截面抗彎模數(shù)截面上的彎距截面上的彎距DdppEdDd)(2)2(應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器 丈量較大壓力時，多采用筒式壓力傳感器。圓柱體內(nèi)有一盲孔，一端有法蘭盤丈量較大壓力時，多采用筒式壓力傳感器。圓柱體內(nèi)有一盲孔，一端有法蘭盤與被測系統(tǒng)相連。與被測系統(tǒng)相連。環(huán)向應(yīng)變環(huán)向應(yīng)變?nèi)绾斡盟膫€應(yīng)變片構(gòu)成電橋使輸出最大如何用四個應(yīng)變片構(gòu)成電橋使輸出最大ACBDU0UiR1R2R3R4DdpR1R2R3R4ACBDU0UiR1R2R3R4kRRRR2211應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變片在被測加速度變化時，其中兩個應(yīng)變片感受拉伸應(yīng)力，電阻增大；在被測加速度變化時，其中兩個應(yīng)變片感受拉伸應(yīng)力，電阻增大；另外兩個電阻感受