第3章-電阻應(yīng)變式傳感器-

第3章

電阻應(yīng)變式傳感器3.1

電阻應(yīng)變片的工作原理 應(yīng)變：在力的作用下，物體的尺寸發(fā)生相對變化。電阻的應(yīng)變效應(yīng)：金屬或半導(dǎo)體材料的電阻值隨著其所受機(jī)械變形的大小而改變的現(xiàn)象。金屬絲的電阻值：全微分式：〔因?yàn)锳=πr2，所以dA=2πrdr〕定義：泊松系數(shù)〔橫向變形系數(shù)〕：μ＝－Δr╱r╱Δl╱l＝－εr╱εε＝Δl╱l為軸向應(yīng)變，εr＝Δr╱r為橫向應(yīng)變?！渤Ｓ脝挝唬何?yīng)變10-6mm/mm〕整理得：關(guān)于金屬材料K0為常數(shù)。K0為金屬材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)。 物理意義：單位應(yīng)變引起的電阻相對變化。3.2電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、類型及參數(shù)結(jié)構(gòu)基底：固定與絕緣〔厚度為0.03mm〕電阻絲：敏感柵〔柵長l、柵寬a〕引出線：電路連接〔直徑為0.1－0.3mm〕覆蓋層：保護(hù)、絕緣分類絲式應(yīng)變片〔柵絲直徑為0.01－〕回線式：簡單可靠、橫向效應(yīng)大。短接式：橫向效應(yīng)小，制造復(fù)雜，可靠性差。箔式應(yīng)變片〔厚度為0.003－〕薄膜式應(yīng)變片〔厚度為0.001－1μm〕半導(dǎo)體式應(yīng)變片〔敏感柵由半導(dǎo)體材料做成。主要是dρ/ρ很大，因而靈敏度很高，但溫度特性較差〕。3金屬應(yīng)變片的參數(shù)幾何尺寸：基長為0.2－300mm應(yīng)變片的電阻值〔R0〕：未安裝時(shí)、室溫條件下柵的電阻。通常60－1000Ω。靈敏系數(shù)〔K0〕：單位應(yīng)變引起的電阻相對變化。絕緣電阻：基底決定。＞1010Ω最大工作電流。橫向效應(yīng)：在敏感柵的橫向段，由于試件的橫向變形，使得產(chǎn)生的ΔRy與ΔRx相反，從而使應(yīng)變片靈敏度降低的現(xiàn)象。機(jī)械滯后：在應(yīng)變變化的正程與逆程之間，電阻變化的不重合性。蠕變與零點(diǎn)漂移蠕變：定溫，定拉力，長時(shí)間作用，輸出電阻隨時(shí)間變化的現(xiàn)象。零點(diǎn)漂移：定溫，無力，長時(shí)間作用，輸出電阻隨時(shí)間變化的現(xiàn)象。 3應(yīng)變片的粘貼技術(shù)〔略〕3.3應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 3應(yīng)變波在試件材料中的傳播 應(yīng)變波在幾種材料中的傳播速度應(yīng)變波在粘接層和應(yīng)變片基片中的傳播傳播時(shí)間忽略不計(jì)應(yīng)變波在應(yīng)變片柵長度內(nèi)的傳播應(yīng)變片測得的應(yīng)變是被測構(gòu)件在基長內(nèi)的平均應(yīng)變值。 3應(yīng)變波為正弦波應(yīng)變片對正弦波的響應(yīng) 不同基長應(yīng)變片的最高工作頻率應(yīng)變波為階躍波應(yīng)變片對階躍波的響應(yīng)應(yīng)變波通過應(yīng)變片全長所需時(shí)間為L/v。所以上升時(shí)間為： 0.35來自于幅頻特性，以確保測量精度。1/tr為固有頻率。3.4測量電路直流電橋電壓源單臂電橋用直流電壓源對電橋供電。電路：電橋的一個(gè)臂上為應(yīng)變片，其他3個(gè)為固定電阻。平衡條件輸出電壓：電橋平衡時(shí)：Uo＝0，則R1R4=R2R3。有應(yīng)變時(shí)，設(shè)R1變化為R1+ΔR1，則有： 由平衡條件：電橋的電壓靈敏度〔輸出電壓與應(yīng)變片電阻值相對變化之比〕 Kv與電橋的供電電壓UE成正比。 Kv的最大值處于n＝1，此時(shí)：非線性誤差由5－24即：半橋差動(dòng)電橋與全橋差動(dòng)電橋半橋差動(dòng)電橋電路：電橋的相鄰兩個(gè)臂上分別為應(yīng)變方向相反的應(yīng)變片，另外兩個(gè)臂上為固定電阻。輸出電壓：電橋的電壓靈敏度Kv＝UE/2 是單臂電橋電壓靈敏度的二倍。非線性誤差無非線性誤差。有溫度補(bǔ)償作用。全橋差動(dòng)電橋：電路：電橋的四個(gè)臂上全部為應(yīng)變片，相鄰兩個(gè)臂上應(yīng)變方向相反。輸出電壓：電橋的電壓靈敏度Kv＝UE 是單臂電橋電壓靈敏度的四倍。非線性誤差無非線性誤差。3.4.2 電橋由正弦交流電源供電，橋臂不是純電阻。 等效電路 結(jié)論與直流電橋狀況相似。3.5電阻應(yīng)變式傳感器的溫度誤差及其補(bǔ)償3溫度誤差及其產(chǎn)生的原因 1．溫度變化引起應(yīng)變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應(yīng)變 2．試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變3溫度補(bǔ)償方法 1．橋路補(bǔ)償法 結(jié)構(gòu)：補(bǔ)償應(yīng)變片粘貼于補(bǔ)償塊上〔與試件相同的材料〕，補(bǔ)償塊不受應(yīng)力。 電路：測量片與補(bǔ)償片構(gòu)成半橋〔全橋〕差動(dòng)電路。 原理：溫度變化引起的應(yīng)變片電阻變化為相同方向，通過電橋消除影響。 2．應(yīng)變片自補(bǔ)償法 方法一結(jié)構(gòu)：特別材料構(gòu)成應(yīng)變片。 原理：使溫度與線膨脹產(chǎn)生的附加應(yīng)變互相抵消或減小。條件： 缺點(diǎn)：局限性大。一種應(yīng)變片只能用于一種試件材料。 方法二結(jié)構(gòu)：用兩種不同材料構(gòu)成應(yīng)變片。 原理：兩種不同材料的溫度系數(shù)不同，選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，使電阻變化減小或消除。 條件：3.6應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)制定及應(yīng)用 應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)3應(yīng)變式壓力傳感器 1．平膜片式應(yīng)變壓力傳感器 簡易平膜片式應(yīng)變壓力傳感器 應(yīng)力分布應(yīng)變片的位置電路 2．薄壁圓筒式應(yīng)變壓力傳感器 筒式壓力傳感器 應(yīng)力分布 電路3應(yīng)變式加速度傳感器 應(yīng)變式加速度傳感器 原理：a－〔m〕→F－〔梁〕→應(yīng)變－〔應(yīng)變片〕→ΔR－〔電橋〕→ΔV3