電阻應(yīng)變效應(yīng)演示文稿

電阻應(yīng)變效應(yīng)演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有47頁\編輯于星期五電阻應(yīng)變效應(yīng)現(xiàn)在是2頁\一共有47頁\編輯于星期五電阻絲較細(xì),一般在0.015~0.06mm,其兩端焊有較粗的低阻鍍錫銅絲（0.1~0.2mm）4作為引線,以便與測量電路連接。圖2.1中,L稱為應(yīng)變計的標(biāo)距,也稱（基）柵長,a稱為（基）柵寬,L×a稱為應(yīng)變計的使用面積。現(xiàn)在是3頁\一共有47頁\編輯于星期五圖2.1電阻應(yīng)變計構(gòu)造簡圖現(xiàn)在是4頁\一共有47頁\編輯于星期五2.1.2應(yīng)變計的分類應(yīng)變計有很多品種系列:從尺寸上講,長的有幾百mm,短的僅0.2mm;由結(jié)構(gòu)形式上看,有單片、雙片、應(yīng)變花和各種特殊形狀的圖案;就使用環(huán)境上說,有高溫、低溫、水、核輻射、高壓、磁場等;而安裝形式,有粘貼、非粘貼、焊接、火焰噴涂等。金屬應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成,如圖3-2所示。敏感柵是應(yīng)變片的核心部分,它粘貼在絕緣的基片上,其上再粘貼起保護(hù)作用的覆蓋層,兩端焊接引出導(dǎo)線。金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵有絲式、箔式和薄膜式三種。主要的分類方法是根據(jù)敏感元件材料的不同,將應(yīng)變計分為金屬式和半導(dǎo)體式兩大類。從敏感元件的形態(tài)又可進(jìn)一步分類如下:現(xiàn)在是5頁\一共有47頁\編輯于星期五現(xiàn)在是6頁\一共有47頁\編輯于星期五應(yīng)變計金屬屬性半導(dǎo)體式體形薄膜型絲式箔式體型薄模型擴(kuò)散型外延型Pn結(jié)及其它形式現(xiàn)在是7頁\一共有47頁\編輯于星期五半導(dǎo)體式體型薄膜型、擴(kuò)散型、外延型、PN結(jié)及其他形式金屬電阻應(yīng)變計常見的形式有絲式、箔式、薄膜式等。絲式應(yīng)變計是最早應(yīng)用的品種。金屬絲彎曲部分可作成圓弧、銳角或直角,如圖2.2所示。彎曲部分作成圓?。║）形是最早常用的一種形式,制作簡單但橫向效應(yīng)較大。直角（H）形兩端用較粗的鍍銀銅線焊接,橫向效應(yīng)相對較小,但制作工藝復(fù)雜,將逐漸被橫向效應(yīng)小、其他方面性能更優(yōu)越的箔式應(yīng)變計所代替。現(xiàn)在是8頁\一共有47頁\編輯于星期五圖2.2現(xiàn)在是9頁\一共有47頁\編輯于星期五箔式應(yīng)變計的線柵是通過光刻、腐蝕等工藝制成很薄的金屬薄柵（厚度一般在0.003～0.01mm）。與絲式應(yīng)變計相比有如下優(yōu)點(diǎn):(1)工藝上能保證線柵的尺寸正確、線條均勻,大批量生產(chǎn)時,阻值離散程度小。(2)可根據(jù)需要制成任意形狀的箔式應(yīng)變計和微型小基長（如基長為0.1mm）的應(yīng)變計?，F(xiàn)在是10頁\一共有47頁\編輯于星期五(3)敏感柵截面積為矩形,表面積大,散熱好,在相同截面情況下能通過較大電流。(4)厚度薄,因此具有較好的可撓性,它的扁平狀箔柵有利于形變的傳遞。(5)蠕變小,疲勞壽命高。(6)橫向效應(yīng)小。(7)便于批量生產(chǎn),生產(chǎn)效率高。圖2.3畫出了幾種箔式應(yīng)變計?，F(xiàn)在是11頁\一共有47頁\編輯于星期五圖2.3幾種箔式應(yīng)變計現(xiàn)在是12頁\一共有47頁\編輯于星期五薄膜式應(yīng)變計是采用真空濺射或真空沉積技術(shù),在薄的絕緣基片上蒸鍍金屬電阻薄膜（厚度在零點(diǎn)幾納米到幾百納米）,再加上保護(hù)層制成。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高,允許通過的電流密度大,工作溫度范圍廣,可工作于-197～317°C,也可用于核輻射等特殊情況下?，F(xiàn)在是13頁\一共有47頁\編輯于星期五制作應(yīng)變計敏感元件的金屬材料應(yīng)有如下要求:(1)k0大,并在盡可能大的范圍內(nèi)保持常數(shù)。(2)電阻率ρ大。這樣,在一定電阻值要求下,同樣線徑,所需電阻絲長度短。(3)電阻溫度系數(shù)小。高溫使用時,還要求耐高溫氧化性能好。(4)具有良好的加工焊接性能?，F(xiàn)在是14頁\一共有47頁\編輯于星期五常用的敏感元件材料是康銅（銅鎳合金）、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金等。常溫下使用的應(yīng)變計多由康銅制成。半導(dǎo)體應(yīng)變計應(yīng)用較普遍的有體型、薄膜型、擴(kuò)散型、外延型等。體型半導(dǎo)體應(yīng)變計是將晶片按一定取向切片、研磨、再切割成細(xì)條,粘貼于基片上制作而成。幾種體型半導(dǎo)體應(yīng)變計示意圖如圖2.4所示。

現(xiàn)在是15頁\一共有47頁\編輯于星期五圖2.4體型半導(dǎo)體應(yīng)變計示意圖現(xiàn)在是16頁\一共有47頁\編輯于星期五薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變計是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積于絕緣體或藍(lán)寶石基片上制成的。擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變計是將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到高阻的N型硅基片上,形成一層極薄的敏感層制成的。外延型半導(dǎo)體應(yīng)變計是在多晶硅或藍(lán)寶石基片上外延一層單晶硅制成的。半導(dǎo)體應(yīng)變計有如下優(yōu)點(diǎn):現(xiàn)在是17頁\一共有47頁\編輯于星期五(1)靈敏度高。比金屬應(yīng)變計的靈敏度約大50~100倍。工作時,可不必用放大器就可用電壓表或示波器等簡單儀器記錄測量結(jié)果。(2)體積小,耗電省。(3)由于具有正、負(fù)兩種符號的應(yīng)力效應(yīng)（即在拉伸時P型硅應(yīng)變計的靈敏度系數(shù)為正值;而N型硅應(yīng)變計的靈敏度系數(shù)為負(fù)值。(4)機(jī)械滯后小,可測量靜態(tài)應(yīng)變、低頻應(yīng)變等?，F(xiàn)在是18頁\一共有47頁\編輯于星期五工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng),即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時,它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。如圖3-1所示,一根金屬電阻絲,在其未受力時,原始電阻值為R=式中:ρ——電阻絲的電阻率;L——電阻絲的長度;S——電阻絲的截面積。（3-1）現(xiàn)在是19頁\一共有47頁\編輯于星期五現(xiàn)在是20頁\一共有47頁\編輯于星期五當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時,將伸長ΔL,橫截面積相應(yīng)減小ΔS,電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變Δρ,故引起電阻值相對變化量為式中ΔL/L是長度相對變化量,用應(yīng)變ε表示ΔS/S為圓形電阻絲的截面積相對變化量,即現(xiàn)在是21頁\一共有47頁\編輯于星期五由材料力學(xué)可知,在彈性范圍內(nèi),金屬絲受拉力時,沿軸向伸長,沿徑向縮短,那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為式中:μ——電阻絲材料的泊松比,負(fù)號表示應(yīng)變方向相反。將式（3-3）#,式（3-5）代入式（3-2）,可得或（3-6）（3-7）現(xiàn)在是22頁\一共有47頁\編輯于星期五通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏度系數(shù)。其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量,其表達(dá)式為（3-8）靈敏度系數(shù)受兩個因素影響:一個是受力后材料幾何尺寸的變化,即（1+2μ）;另一個是受力后材料的電阻率發(fā)生的變化,即（Δρ/ρ）/ε。對金屬材料電阻絲來說,靈敏度系數(shù)表達(dá)式中（1+2μ）的值要比（（Δρ/ρ）/ε）大得多,而半導(dǎo)體材料的（（Δρ/ρ）/ε）項的值比（1+2μ）大得多。大量實(shí)驗(yàn)證明,在電阻絲拉伸極限內(nèi),電阻的相對變化與應(yīng)變成正比,即K為常數(shù)。現(xiàn)在是23頁\一共有47頁\編輯于星期五用應(yīng)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時,根據(jù)上述特點(diǎn),在外力作用下,被測對象產(chǎn)生微小機(jī)械變形,應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化,同時應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測得應(yīng)變片電阻值變化量ΔR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σ為σ=E·ε（3-9）式中:σ——試件的應(yīng)力;ε——試件的應(yīng)變;E——試件材料的彈性模量。由此可知,應(yīng)力值σ正比于應(yīng)變ε,而試件應(yīng)變ε正比于電阻值的變化,所以應(yīng)力σ正比于電阻值的變化,這就是利用應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理。現(xiàn)在是24頁\一共有47頁\編輯于星期五應(yīng)變計之所以成為重要的敏感元件,主要由于具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)測量應(yīng)變的靈敏度和精確度高。能測1～2微應(yīng)變（1×10-6mm/mm）的應(yīng)變。誤差一般可小于1%。精度可達(dá)0.015%FS（普通精度可達(dá)0.05%FS）。(2)測量范圍大。從彈性變形一直可測至塑性變形。變形范圍從1%～20%。現(xiàn)在是25頁\一共有47頁\編輯于星期五(3)尺寸?。ǔ⌒蛻?yīng)變計的敏感柵尺寸為0.2mm×2.5mm）,重量輕,對試件工作狀態(tài)和應(yīng)力分布影響很小。既可用于靜態(tài)測量,又可用于動態(tài)測量,且具有良好的動態(tài)響應(yīng)（可測幾十甚至上百赫的動態(tài)過程）。(4)能適應(yīng)各種環(huán)境?？梢栽诟邷亍⒊蛪?、高壓、水下、強(qiáng)磁場以及輻射等惡劣環(huán)境下使用。

現(xiàn)在是26頁\一共有47頁\編輯于星期五(5)價格低廉、品種多樣,便于選擇和大量使用。應(yīng)變計有如下缺點(diǎn):在大應(yīng)變下具有較大的非線性,半導(dǎo)體應(yīng)變計的非線性更為明顯;輸出信號較微弱,故抗干擾能力較差。應(yīng)變式傳感器的性能在很大程度上取決于應(yīng)變計的性能。下面就來討論應(yīng)變計的主要特性?，F(xiàn)在是27頁\一共有47頁\編輯于星期五1應(yīng)變計的靈敏度系數(shù)K金屬電阻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,2.1.1節(jié)中已用靈敏度系數(shù)k0表示這種關(guān)系。金屬絲做成應(yīng)變計后,由于基片、粘合劑以及敏感柵的橫向效應(yīng),電阻應(yīng)變特性與單根金屬絲將有所不同,必須重新用實(shí)驗(yàn)來測定。實(shí)驗(yàn)是按規(guī)定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。電阻應(yīng)變計貼在一維力作用下的試件上,例如受軸向拉壓的直桿、純彎梁等?，F(xiàn)在是28頁\一共有47頁\編輯于星期五試件材料用泊松系數(shù)μ=0.285的鋼。用精密電阻電橋或其他儀器測出應(yīng)變計相對電阻變化,再用其他測應(yīng)變的儀器測定試件的應(yīng)變,得出電阻應(yīng)變計的電阻—應(yīng)變特性。實(shí)驗(yàn)證明,電阻應(yīng)變計的電阻相對變化ΔR/R與應(yīng)變Δl/l=ε之間在很大范圍內(nèi)是線性的,即現(xiàn)在是29頁\一共有47頁\編輯于星期五2.應(yīng)變計電阻值R應(yīng)變計在未安裝也不受外力的情況下,于室溫時測得的電阻值。這是使用應(yīng)變計時應(yīng)知道的一個參數(shù)。國內(nèi)應(yīng)變計系列習(xí)慣上選用120、175、350、500、1000、1500Ω?，F(xiàn)在是30頁\一共有47頁\編輯于星期五式中,k為電阻應(yīng)變計的靈敏度系數(shù)。因一般應(yīng)變計粘貼到試件上后不能取下再用,只能在每批產(chǎn)品中提取一定百分比（如5%）的產(chǎn)品進(jìn)行測定,取其平均值作為這一批產(chǎn)品的靈敏度系數(shù)。這就是產(chǎn)品包裝盒上注明的靈敏度系數(shù),或稱“標(biāo)稱靈敏度系數(shù)”?，F(xiàn)在是31頁\一共有47頁\編輯于星期五3.最大工作電流最大工作電流是指允許通過應(yīng)變計而不影響其工作的最大電流值。工作電流大,應(yīng)變計輸出信號就大,因而靈敏度高。但過大的工作電流會使應(yīng)變計本身過熱,使靈敏系數(shù)變化,零漂、蠕變增加,甚至燒壞應(yīng)變計。工作電流的選取,要根據(jù)散熱條件而定,主要取決于敏感柵的幾何形狀和尺寸、截面的形狀和大小、基底的尺寸和材料、粘合劑的材料和厚度以及試件的散熱性能等。通常允許電流值在靜態(tài)測量時約取25mA左右,動態(tài)測量時可高一些,箔式應(yīng)變計可取更大些。在測量塑料、玻璃、陶瓷等導(dǎo)熱性差的材料時,工作電流要取小些?，F(xiàn)在是32頁\一共有47頁\編輯于星期五4.橫向效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明,應(yīng)變計的靈敏度k恒小于金屬線材的靈敏度系數(shù)k0。其原因除了粘合劑、基片傳遞變形失真外,主要是由于存在橫向效應(yīng)。敏感柵由許多直線及圓角組成,如圖2.5所示。拉伸被測試件時,粘貼在試件上的應(yīng)變計,被沿應(yīng)變計長度方向拉伸,產(chǎn)生縱向拉伸應(yīng)變εx,應(yīng)變計直線段電阻將增加。但是在圓弧段上,沿各微段（圓弧的切向）的應(yīng)變并不是εx,與直線段上同樣長的微段所產(chǎn)生的電阻變化不同。現(xiàn)在是33頁\一共有47頁\編輯于星期五現(xiàn)在是34頁\一共有47頁\編輯于星期五5.遲滯機(jī)械滯后和熱滯后

貼有應(yīng)變計的試件進(jìn)行加載和卸載時,其ΔR/R-ε特性曲線不重合。把加載和卸載特性曲線的最大差值δ（如圖2.10所示）稱為應(yīng)變計的機(jī)械滯后值。6.零漂和蠕變恒定溫度下,粘貼在試件上的應(yīng)變計,在不承受載荷的條件下,電阻隨時間變化的特性稱為應(yīng)變計的零漂。零漂的主要原因是,敏感柵通過工作電流后的溫度效應(yīng),應(yīng)變計的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化,粘接劑固化不充分等。現(xiàn)在是35頁\一共有47頁\編輯于星期五7.應(yīng)變極限

粘貼在試件上的應(yīng)變計所能測量的最大應(yīng)變值稱為應(yīng)變極限。在一定的溫度(室溫或極限使用溫度)下,對試件緩慢地施加均勻的拉伸載荷,當(dāng)應(yīng)變計的指示應(yīng)變值對真實(shí)應(yīng)變值的相對誤差大于10%時,就認(rèn)為應(yīng)變計已達(dá)到破壞狀態(tài),此時的真實(shí)應(yīng)變值就作為該批應(yīng)變計的應(yīng)變極限。現(xiàn)在是36頁\一共有47頁\編輯于星期五圖2.10應(yīng)變計的機(jī)械滯后現(xiàn)在是37頁\一共有47頁\編輯于星期五8.溫度誤差9.疲勞壽命

已安裝的應(yīng)變計,在恒定幅值的交變應(yīng)力作用下,可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)。所謂疲勞損壞是指應(yīng)變計指示應(yīng)變的變化超過規(guī)定誤差,或者應(yīng)變計的輸出波形上出現(xiàn)毛刺,或者應(yīng)變計完全損壞而無法工作。疲勞壽命反映應(yīng)變計對動態(tài)應(yīng)變的適應(yīng)能力。應(yīng)變計的疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)一般可達(dá)106次。現(xiàn)在是38頁\一共有47頁\編輯于星期五2.4電阻應(yīng)變片的測量電路由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小,要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測量出來,同時要把電阻相對變化ΔR/R轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。因此,需要有專用測量電路用于測量應(yīng)變變化而引起電阻變化的測量電路,通常采用直流電橋和交流電橋。一、直流電橋

1.直流電橋平衡條件電橋如圖3-5所示,E為電源,R1、R2、R3及R4為橋臂電阻,RL為負(fù)載電阻。現(xiàn)在是39頁\一共有47頁\編輯于星期五現(xiàn)在是40頁\一共有47頁\編輯于星期五（3-28）當(dāng)電橋平衡時,Uo=0,則有R1R4=R2R3或（3-29）式（3-29）稱為電橋平衡條件。這說明欲使電橋平衡,其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等,或相對兩臂電阻的乘積相等。現(xiàn)在是41頁\一共有47頁\編輯于星期五2.5溫度誤差及其補(bǔ)償2.5.1溫度誤差產(chǎn)生的原因

把應(yīng)變計安裝在自由膨脹的試件上,即使試件不受任何外力作用,如果環(huán)境溫度發(fā)生變化,應(yīng)變計的電阻也將發(fā)生變化。這種變化疊加在測量結(jié)果中將產(chǎn)生很大誤差。這種由于環(huán)境溫度改變而帶來的誤差,稱為應(yīng)變計的溫度誤差,又稱熱輸出。產(chǎn)生溫度誤差的原因有二:(1)敏感柵金屬絲電阻本身隨溫度發(fā)生變化。電阻與溫度的關(guān)系可由下式表示:現(xiàn)在是42頁\一共有47頁\編輯于星期五式中,Rt為溫度t時的電阻值;R0為溫度T0時的電阻值;Δt為溫度的變