檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)3周-應(yīng)變片課件

檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)檢測(cè)就是去認(rèn)識(shí)——科學(xué)家西門(mén)子（W.Ven.Siemens）非電量檢測(cè)技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中，檢測(cè)技術(shù)研究的對(duì)象大多數(shù)是非電量的測(cè)量技術(shù)。常見(jiàn)的測(cè)量對(duì)象如：熱工量：壓力，溫度，流量；機(jī)械量：位移，壓力，長(zhǎng)度，物位，速度，加速度，振動(dòng)；

學(xué)習(xí)非電量檢測(cè)技術(shù)，首先需要學(xué)習(xí)傳感技術(shù)。傳感技術(shù)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要性是無(wú)可低估的，沒(méi)有性能好的傳感器，就不會(huì)有良好的檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。國(guó)內(nèi)傳感器共分10大類(lèi)，24小類(lèi)，6000個(gè)品種，而國(guó)外品種更多，如美國(guó)約有17000種傳感器，所以發(fā)展傳感器品種的領(lǐng)域很寬廣?；ち浚簼舛龋煞?，PH值，黏度；一、電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變片傳感器用途:壓力,荷重,扭矩,加速度等的測(cè)量。特點(diǎn):體積小,性能穩(wěn)定,精度高,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,測(cè)量范圍大,抗干擾能力強(qiáng)等.目前主要有兩種:金屬電阻絲應(yīng)變片,半導(dǎo)體應(yīng)變片。下圖為金屬電阻絲應(yīng)變片的外形結(jié)構(gòu).應(yīng)變效應(yīng)——金屬絲金屬電阻絲的電阻關(guān)系:當(dāng)電阻絲受到外力作用發(fā)生形變,影響電阻變化的三個(gè)參數(shù)（電阻率、長(zhǎng)度、截面積）:全微分方程:應(yīng)變效應(yīng)——金屬絲電阻相對(duì)變化量:對(duì)于截面積變化量轉(zhuǎn)換為直徑變化:根據(jù)材料力學(xué)橫向收縮和縱向伸長(zhǎng)關(guān)系:整理::泊松系數(shù),=0.3→0.5;ε和分別為縱向應(yīng)變（長(zhǎng)度相對(duì)變化量）和橫向應(yīng)變（橫向相對(duì)變化量）金屬-半導(dǎo)體區(qū)別(1)對(duì)于金屬電阻絲應(yīng)變片的電阻率受力后變化甚微,故可以忽略不計(jì):

為電阻絲靈敏系數(shù)，μ在0.3-0.5，所以K為1.6-2.0。(2)對(duì)于半導(dǎo)體應(yīng)變片是根據(jù)壓阻效應(yīng)工作的電阻率的變化要比前兩項(xiàng)大得多.其中:r壓阻系數(shù);沿縱向的應(yīng)變;E材料的彈性模量;K靈敏系數(shù)。K=50-70遠(yuǎn)比金屬電阻絲應(yīng)變片的靈敏度高。靈敏系數(shù)k-補(bǔ)充當(dāng)具有初始電阻值的應(yīng)變計(jì)粘貼于試件表面時(shí)，試件受力引起的表面應(yīng)變，將傳遞給應(yīng)變計(jì)的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對(duì)變化。實(shí)驗(yàn)證明，在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，有下列關(guān)系：式中：為應(yīng)變計(jì)軸向應(yīng)變；

為應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)。兩種應(yīng)變片的特性小結(jié)1.靈敏度

金屬電阻絲:K=1+2,為金屬材料的泊松系數(shù),=0.3-0.5.

所以,應(yīng)變片靈敏系數(shù)最大為K=2.半導(dǎo)體材料:K=50~70，可測(cè)微小應(yīng)變（600微應(yīng)變，長(zhǎng)度相對(duì)變化量為10-6為1微應(yīng)變）2.線性度:金屬電阻絲:非線性誤差小,在較大測(cè)量范圍內(nèi)應(yīng)變片靈敏系數(shù)基本不變。半導(dǎo)體材料:非線性誤差嚴(yán)重,測(cè)量范圍小。3.動(dòng)態(tài)特性:

金屬電阻絲:響應(yīng)速度在低頻時(shí)較好,但隨頻率提高,響應(yīng)速度有可能跟不上而導(dǎo)致失真.半導(dǎo)體材料:因體積小,保證響應(yīng)速度良好的頻率范圍較寬.4.其他特性:

半導(dǎo)體材料的橫向效應(yīng),機(jī)械滯后小于金屬電阻絲.金屬應(yīng)變的類(lèi)型金屬絲式金屬箔式金屬薄膜式金屬絲式金屬箔式應(yīng)變片在絕緣基底上，將厚度為0.003～0.01mm電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀。（1）尺寸準(zhǔn)確，線條均勻，適應(yīng)不同的測(cè)量要求;（2）可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵;（3）與被測(cè)試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。散熱條件好，允許電流大，靈敏度提高;（4）橫向效應(yīng)可以忽略;（5）蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)。金屬電阻絲應(yīng)變片的橫向效應(yīng)1.實(shí)際靈敏系數(shù)上述討論的靈敏系數(shù)K=1+2,指的是一根金屬導(dǎo)體,但是當(dāng)金屬絲繞制成柵狀片時(shí),增加了多處的彎角,金屬絲無(wú)論是在拉伸還是壓縮,直線部分與彎角部分的應(yīng)變不相同。金屬絲受外力后,直線部分僅受到縱向應(yīng)變,而彎角部分將同時(shí)受到縱向和橫向兩個(gè)方向的應(yīng)變.使彎角部分的電阻變化減少。這就是橫向效應(yīng)。2.橫向效應(yīng)的缺點(diǎn)：（1）靈敏系數(shù)減小，（2）電阻與應(yīng)變的關(guān)系存在非線性。減少橫向效應(yīng)的幾種措施敏感柵的縱柵愈窄、愈長(zhǎng)，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應(yīng)的影響愈小。

（1）減少?gòu)澖菣M向長(zhǎng)度：（2）加粗彎角寬度：（3）彎角采用良導(dǎo)體材料：金屬電阻絲應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償使用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變時(shí)，總希望應(yīng)變片電阻僅同受力應(yīng)變有關(guān),不受其他因素影響。但實(shí)際上環(huán)境溫度變化必然會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片產(chǎn)生附加誤差。

電阻溫度系數(shù)的影響：敏感柵的電阻絲隨溫度變化的關(guān)系式如下：Ra：溫度t時(shí)的電阻值；Ro：溫度to時(shí)的電阻值；：參考溫度to時(shí)的電阻溫度系數(shù)。其中：R=Rot表示溫度變化后產(chǎn)生的電阻變化量，這是在測(cè)量應(yīng)變時(shí)溫度變化引起的誤差之一。工件材料與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響設(shè)金屬絲的線脹系數(shù)為s，工件彈性體的線脹系數(shù)為g，當(dāng)溫度變化后各自自由伸長(zhǎng)。實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)變片基片與工件（彈性體）是采用特殊粘結(jié)劑作剛性連接，受力后兩者之間不產(chǎn)生滑動(dòng)。如果兩者的線脹系數(shù)相同，則金屬絲的變形處于自由狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生附加形變。否則兩者因線脹量不一致，導(dǎo)致相互牽扯而引起附加形變。

電阻絲：工件彈性體：總的附加電阻：附加電阻：附加應(yīng)變：附加伸長(zhǎng)：電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法R1RBR3R4R1RB初始狀態(tài)Uo=A（R1R4-RBR3）=0溫度變化后Uo=A［（R1+ΔR1t）R4-(RB+ΔRBt)R3］=0R1=RBR3=R4補(bǔ)償了溫度溫度引起的誤差可由半橋和全橋補(bǔ)償優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、方便，在常溫下補(bǔ)償效果較好缺點(diǎn)：在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致的情況，因而影響補(bǔ)償效果。彈性模量E的溫度補(bǔ)償彈性模量E隨溫度上升而減小，導(dǎo)致應(yīng)變阻值減小，產(chǎn)生誤差。金屬絲電阻應(yīng)變片的表示方法橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的關(guān)系:用長(zhǎng)方形符號(hào)表示電阻應(yīng)變片.圖(a)受到的是壓力,縱向受力電阻減小,橫向受力電阻增加;圖(b)受到的是拉力,縱向受力電阻增加,橫向受力電阻減小;應(yīng)變片電阻測(cè)量簡(jiǎn)單電路將受力形變后的應(yīng)變片電阻變化量轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào):

圖中R1為固定電阻,R2為應(yīng)變片電阻.

輸出電壓:(1)應(yīng)變片受力形變前:(2)應(yīng)變片受力形變后:不足：輸入輸出信號(hào)不一致:受力為0時(shí),輸出電壓不為0;不能反映受力方向:應(yīng)變片無(wú)論拉伸還是壓縮輸出電壓總是正電壓.直流電橋平衡條件電橋輸出電壓平衡條件對(duì)電橋輸出電壓:若R1-R4受到應(yīng)變作用阻值=Ri+Ri。若，負(fù)載電阻無(wú)窮大，輸出電壓可近似為：Ri=R(1)單臂電橋R1-R4只有一個(gè)為工作的應(yīng)變片(如R1),其余為固定電阻.則:R1=R2=R3=R4;ΔR1=ΔR，

ΔR2-4=0提高電壓U或選用靈敏度系數(shù)高的應(yīng)變片能提高橋路的電壓靈敏度。由于應(yīng)變片有功率限制，因此橋路電壓有上限。(2)對(duì)稱(chēng)電橋:通常只有兩個(gè)橋臂為工作的應(yīng)變片(如R1,R2),其余為固定電阻.<1>若R1縱向應(yīng)變?chǔ)?R2橫向應(yīng)變?chǔ)纽?lt;2>若R1,R3均為縱向應(yīng)變?chǔ)?/p>

(3)非對(duì)稱(chēng)電橋:

a=?使輸出最大?R1和R4產(chǎn)生不同的應(yīng)變a=1,令t=a+1,變換后求導(dǎo)。對(duì)稱(chēng)電橋是非對(duì)稱(chēng)電橋的特例，其優(yōu)點(diǎn)是非線性誤差較小。（4）全橋電路（4個(gè)電阻都是應(yīng)變電阻）:欲使輸出電壓最大，R２＜０，R４＜０，則讓R1、R3產(chǎn)生縱向應(yīng)變，R2、R4產(chǎn)生橫向應(yīng)變。電壓靈敏度最高，因此是最常用的一種橋路非線性誤差非線性誤差9半橋差動(dòng)電路R1+ΔR1R2-ΔR2若ΔR1=ΔR2,R1=R2,R3=R4,則得Uo與（ΔR1/R1）呈線性關(guān)系,差動(dòng)電橋無(wú)非線性誤差,而且電橋電壓靈敏度KU=E/2,比單臂工作時(shí)提高一倍,同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片,一個(gè)受拉應(yīng)變,一個(gè)受壓應(yīng)變,接入電橋相鄰橋臂,稱(chēng)為半橋差動(dòng)電路,該電橋輸出電壓為結(jié)論<2>對(duì)于半橋和全橋,通常采用同性質(zhì)的敏感元件作為橋臂.那么各自的電橋輸出電壓如下:<1>無(wú)論哪一種電橋,全橋的靈敏度最高;全橋工作時(shí):半橋工作時(shí):單臂工作時(shí):結(jié)論<3>選用半橋和全橋測(cè)量電路不僅可以提高電橋的靈敏度,還可以克服非線性和溫度引起的干擾.<4>為了提高電橋的靈敏度,可以適當(dāng)提高電源電壓.但是電源電壓過(guò)高會(huì)引起電流增加,導(dǎo)致溫度對(duì)敏感元件的影響而造成附加誤差.電橋調(diào)零制造工藝原因可能是的電橋不受載荷時(shí)輸出電壓不為零，因此必須調(diào)零。P107例題1如圖所示,初始狀態(tài)R1=R2=R3=R4=120Ω，U=12V,求輸出電壓U0。(1)只有R1為工作的應(yīng)變片,k=2,ε=0.0016;(2)只有R1,R2為工作的應(yīng)變片,k=2,ε1=0.0016;ε2=-0.0016;(3)R1-R4均為工作的應(yīng)變片,k=2,ε1=ε3=0.0016;ε2=ε4=-0.0016;解:(1)只有R1為工作的應(yīng)變片,k=2,ε=0.0016(3)R1-R4均為工作的應(yīng)變片,k=2,ε1=ε3=0.0016;

ε2=ε4=-0.0016;(2)只有R1,R2為工作的應(yīng)變片,k=2,ε1=0.0016;ε2=-0.0016;交流電橋或者:交流電橋的參數(shù)為阻抗:1.平衡條件:與直流電橋類(lèi)似.阻抗參數(shù)也可以用復(fù)數(shù)形式表示:交流電橋的平衡條件:實(shí)部相等:虛部相等:例:如圖所示,某個(gè)交流電橋,已知Z1=R1+jX1=5+j6,Z2=R2+jX2=4-j2,Z3=R3+jX3=6+j2,為了滿足平衡條件,Z4取多少?虛部相等:解:交流電橋的平衡條件:實(shí)部相等:聯(lián)立方程,求得:R4=-1(Ω),X4=11(Ω),聯(lián)立方程,求得:R4=5.8(Ω),X4=9.4(Ω).上述結(jié)果說(shuō)明該交流電橋能達(dá)到平衡.實(shí)部相等:虛部相等:若Z3=R3+jX3=6-j2,則:上述結(jié)果說(shuō)明該交流電橋不可能達(dá)到平衡常見(jiàn)的電阻應(yīng)變片傳感器的結(jié)構(gòu)1.懸臂梁特點(diǎn)：靈敏度高，測(cè)量范圍小在梁的同一位置的上方與下方各粘貼同性質(zhì)的應(yīng)變片,可以得到大小相同方向相反的應(yīng)變。F：外部施力；E：梁材料的彈性模量；b:寬度；受力關(guān)系:續(xù)例題有一應(yīng)變式等強(qiáng)度懸臂梁式力傳感器,假設(shè)懸臂梁的熱脹系數(shù)相等,R1=R2,構(gòu)成半橋雙臂電路。設(shè)懸臂梁的厚度h=0.5mm,固定端寬度b=18mm,l=15mm材料的彈性模量E=21011N/m2,應(yīng)變片靈敏度K=2,橋路的電源電壓Ui=2V,若輸出電壓為1.0mV,計(jì)算作用力F.

解:計(jì)算作用力F:懸臂梁的應(yīng)變與外力的關(guān)系:橋路輸出電壓與電阻變化關(guān)系