電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及工作原理

1、-PAGE 3. z.電阻應(yīng)變片的構(gòu)造及工作原理12345圖4-1-3 電阻應(yīng)變片1-敏感柵；2-引線；3-粘結(jié)劑；4-覆蓋層；5-基底電阻應(yīng)變片的構(gòu)造如圖4-1-3所示，其中，敏感柵是應(yīng)變片中把應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的敏感局部，它是用金屬絲或半導(dǎo)體材料制成的單絲或柵狀體。引線是從敏感柵引出電信號的絲狀或帶狀導(dǎo)線。(1)粘結(jié)劑：是具有一定電絕緣性能的粘結(jié)材料，用它將敏感柵固定在基底上。(2)覆蓋層：用來保護(hù)敏感柵而覆蓋在上面的絕緣層。 (3)基底：用以保護(hù)敏感柵，并固定引線的幾何形狀和相對位置。 電阻應(yīng)變片能將力學(xué)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)量是利用了金屬導(dǎo)線的應(yīng)變電阻效應(yīng)。我們知道，金屬導(dǎo)線的電阻R與其長度

2、L成正比，與其截面積A成反比，即 (4-1-3)式中是導(dǎo)線的電阻率。如果導(dǎo)線沿其軸線方向受力產(chǎn)生形變，則其電阻值也隨之發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象被稱為金屬導(dǎo)線的應(yīng)變電阻效應(yīng)。為了說明產(chǎn)生這一效應(yīng)的原因，可將式4-1-3取對數(shù)后進(jìn)展微分得 (4-1-4)式中，為金屬導(dǎo)線長度的相對變化，用軸向應(yīng)變來表示，即；是截面積的相對變化。r為金屬導(dǎo)線的半徑，是金屬導(dǎo)線半徑的相對變化，即徑向應(yīng)變r。導(dǎo)線軸向伸長的同時徑向縮小，所以軸向應(yīng)變與徑向應(yīng)變r有以下關(guān)系： (4-1-5)為金屬材料的泊松比。根據(jù)實驗，金屬材料電阻率相對變化與其體積的相對變化之間的關(guān)系為，C為金屬材料的一個常數(shù)，如銅絲C=1 。由 我們可導(dǎo)出

3、與、r之間的關(guān)系。由此得出代入式4-1-4得(4-1-6)Ks稱為金屬絲靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變引起的電阻相對變化。由式4-1-6可見Ks由兩局部組成，前一局部由金屬絲的幾何尺寸變化引起，一般金屬的在0.3左右，因此，后一局部為電阻率隨應(yīng)變而引起變化的局部，它除與金屬絲幾何尺寸有關(guān)外還與金屬本身的特性有關(guān)。Ks對于一種金屬材料在一定應(yīng)變圍是一常數(shù)，于是得出 (4-1-7) 為表示應(yīng)變片的電阻變化與試件應(yīng)變的關(guān)系，引入應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K，定義為：試件受到一維應(yīng)力的作用時，如應(yīng)變片的主軸線與應(yīng)力方向一致，則應(yīng)變片的電阻變化率和試件主應(yīng)力方向的應(yīng)變 之比稱為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，即(4-1-8)由

4、于粘結(jié)劑傳遞形變的失真與應(yīng)變片的橫向變形等因素的影響，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K總是小于金屬絲的靈敏系數(shù)Ks。K值由生產(chǎn)廠家給出。 由式4-1-8看出，應(yīng)變片的敏感柵受力后使其電阻發(fā)生變化。將其粘貼在試件上，利用應(yīng)變電阻效應(yīng)便能把試件外表的應(yīng)變量直接變換為電阻的相對變化量，電阻應(yīng)變片就是利用這一原理制成的傳感元件。非平衡電橋測量質(zhì)量與電流、電壓的關(guān)系將電阻應(yīng)變片粘貼在試件的外表，應(yīng)變片的兩端接入測量電路電橋。隨著試件受力變形，應(yīng)變片的電阻絲也獲得相應(yīng)的形變使電阻值發(fā)生變化。由應(yīng)變片的工作原理可知，當(dāng)應(yīng)變沿應(yīng)變片的主軸方向時，應(yīng)變片的電阻變化率和試件本實驗為懸臂梁的主應(yīng)變成正比，即 或 (4-1-1)式

5、中K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)此值由應(yīng)變片廠家給出；R是未加力時應(yīng)變片阻值的初始值；R是加力變形后應(yīng)變片的電阻變化。所以只要測出應(yīng)變片阻值的相對變化，便可得出被測試件的應(yīng)變。本實驗用平衡電橋測量應(yīng)變片電阻的相對變化。實驗裝置及測量線路如圖4-1-1和圖4-1-2所示，將被測試件一端夾持在穩(wěn)固的基座上，其主體懸空，構(gòu)成一懸臂梁。在懸臂梁固定端A處貼一應(yīng)變片，在懸臂梁變形端B處貼一同型號同規(guī)格的應(yīng)變片，在C端掛一砝碼托盤以備加載。將A處的應(yīng)變片作為溫度補(bǔ)償片R1，B處的應(yīng)變片R*作為傳感元件測量應(yīng)變，用電阻箱R2、Ra和微調(diào)電阻箱Rb以及R1、R*組成一電橋，作為微小形變測量電路。當(dāng)C處加載時，懸臂梁將向

6、下彎曲，B處產(chǎn)生變形，貼在B處的應(yīng)變片亦發(fā)生變形，其電阻值發(fā)生變化，此電阻值的變化可通過電橋測量出來，從而可測定懸臂梁B處的形變。接應(yīng)變片 圖4-1-2 微小形變測量電路K1RR1R2R*RaRbK2mAGERAC 圖4-1-1 懸臂梁示意圖 應(yīng)變片由金屬電阻絲制成，當(dāng)其部通電流或環(huán)境溫度變化時，均能引起電阻絲的阻值變化。溫度引起的阻值變化與應(yīng)變引起的阻值變化同時存在，從而導(dǎo)致測量誤差。測量中怎樣才能使溫度引起的阻值變化對測量系統(tǒng)無影響？A處的應(yīng)變片R1是作為溫度補(bǔ)償用的，稱為補(bǔ)償片。它與應(yīng)變片R*的構(gòu)造和參數(shù)一樣，而且貼在同一懸臂梁上，保證了兩個應(yīng)變片的部條件和外部環(huán)境一致。不同的是應(yīng)變片R

7、*隨懸臂梁的變形而變形，而補(bǔ)償片R1則不受懸臂梁形變的影響，只是當(dāng)溫度變化引起應(yīng)變片R*的阻值變化時，補(bǔ)償片R1亦有同樣變化。而R1與R*又分別處于電橋的兩個相鄰臂上電橋平衡后，R1與R*流過的電流一樣，如圖4-1-2，當(dāng)電橋平衡時有，在同一溫度變化條件下，R*有一增量R，則R1亦有一一樣增量R，則= ，電橋仍然是平衡的，即測量過程中因溫度變化而引起應(yīng)變片的阻值變化對測量電橋的平衡狀態(tài)沒有影響，此時電阻箱Ra+Rb的讀數(shù)反映的只是應(yīng)變引起的阻值變化，所以到達(dá)了溫度補(bǔ)償?shù)哪康?。在用電橋測電阻時，電橋系統(tǒng)的靈敏程度反映了測量的準(zhǔn)確程度，所以引入電橋靈敏度的概念，其定義為 (格) (4-1-2)它表示電橋平衡后，R*所引起的d越大，電橋靈敏度S越高，所得平衡點越準(zhǔn)確，測量誤差越小。電橋靈敏度不僅與檢流計有關(guān)，還與所加電壓及各橋臂電阻值的大小和配置有