第二章-應變式傳感器

傳感器原理及應用主要內容金屬絲應變效應（重點）金屬絲式應變片的主要特性（難點）金屬絲式應變傳感器測量電路（重點）金屬絲式應變片溫度誤差及其補償（重點，難點）金屬絲式應變傳感器的應用（重點）壓阻式傳感器(不講)金屬絲式應變片的結構與材料2第一節(jié)應變式傳感器非電量應變電阻應變片彈性元件電阻變化電量一.金屬電阻應變片的工作原理1.工作原理導體的應變—電阻效應金屬絲伸長后幾何尺寸變化Straingagetransducer傳感器3彈性元件具有彈性應變特性的物體應變物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象彈性應變當外力去除后，物體能夠完全恢復其尺寸和形狀的應變一.金屬電阻應變片的工作原理電阻應變片的工作原理是基于應變效應即導體或半導體材料在外界力的作用下產生機械變形時，其電阻值相應發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應變效應”。

4當電阻絲受到拉力F作用時，將伸長Δl，橫截面積相應減小ΔA，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了Δρ，從而引起電阻值變化量為式中：dl/l——長度相對變化量，用應變ε表示為電阻相對變化量：5

dA/A——圓形電阻絲的截面積相對變化量，設r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2πr

dr，則材料力學：在彈性范圍內，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短，軸向應變和徑向應變的關系可表示為μ為電阻絲材料的泊松比，負號表示應變方向相反。6推得：定義：電阻絲的靈敏系數(shù)（物理意義）：單位應變所引起的電阻相對變化量。其表達式為材料幾何尺寸變化材料物理特性變化7靈敏度系數(shù)受兩個因素影響:①受力后材料幾何尺寸的變化,即（1+2μ）;一般金屬μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；②受力后材料的電阻率發(fā)生的變化,即(Δρ/ρ)/ε。（稱“壓阻效應”）

8KS由兩部分組成的分析：對金屬材料：1+2μ＞＞(dρ/ρ)/ε，以前者為主，則KS≈1+2μ；對半導體材料：(dρ/ρ)/ε＞＞1+2μ，KS值主要由電阻率相對變化所決定。大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內，電阻的相對變化與應變成正比，即KS為常數(shù)。通常KS在1.8～3.6范圍內。9主要結構參數(shù)：規(guī)格以有效面積和電阻值來表示：Electronicresistancestraingage(計量器)bl柵長柵寬基底蓋片引線敏感柵二、金屬電阻應變片的結構和類型10（1）敏感柵

感受應變，并將應變轉換為電阻的變化。敏感柵有絲式、箔式和薄膜式三種。

由金屬細絲繞成柵形。電阻應變片的電阻值為60Ω、120Ω、200Ω、350Ω、600Ω和1000Ω等多種規(guī)格，以120Ω最為常用。應變片柵長大小關系到所測應變的準確度，應變片測得的應變大小是應變片柵長和柵寬所在面積內的平均軸向應變量。（1）敏感柵11對敏感柵的材料的要求：①應變靈敏系數(shù)大，并在所測應變范圍內保持為常數(shù)；②電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長的應變片；③電阻溫度系數(shù)要??；④抗氧化能力高，耐腐蝕性能強；⑤在工作溫度范圍內能保持足夠的抗拉強度；⑥加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材；⑦易于焊接，對引線材料的熱電勢小。對應變片要求必須根據(jù)實際使用情況，合理選擇。12二、金屬電阻應變片的結構和類型絲式應變片一般多用紙基，價格低、粘貼容易，但耐久性、耐濕性較差，橫向效應大，在要求不高時可用；常用材料：銅鎳合金類、銅錳合金類、鉑銥合金類、鎳鉻絲、卡瑪絲及銀鈀絲等。類型：金屬絲式、箔式、薄膜式(1)絲式：金屬絲d=0.015——0.05mm回線式或繞絲式短接式13幾種箔式應變計(2)箔式：（厚膜）膜厚25um左右光刻箔式應變片多用膠基，可用于150℃以下的中溫和常溫測試，它絕緣性能好，參數(shù)分散性小，精度高，在應變測量中應用最廣泛。14（3）薄膜式：膜厚<0.1um沉積或真空蒸鍍

金屬膜式在玻璃或膠木基體上，用高溫蒸鍍或電鍍方法，涂覆一層金屬膜而制成。優(yōu)點：溫度系數(shù)小，可在高溫環(huán)境下工作。缺點：耐磨性差、功率小、阻值不高(1kΩ～2kΩ)。15（2）基底和蓋片（2）基底和蓋片

絕緣及傳遞應變。要求基底準確地把試件應變傳遞給敏感柵。同時基片絕緣性能要好，否則應變片微小電信號就要漏掉。蓋片

由紙箔、膠質膜等制成。起保護作用：防濕、蝕、塵?；淄瑫r用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護敏感柵?；椎娜L稱為基底長，其寬度稱為基底寬?；咨w片引線敏感柵16（3）粘結劑

敏感柵與基底、基底與試件、基底與蓋片之間的粘結。分有機和無機兩大類。有機粘結劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機硅樹脂，聚酰亞胺等。無機粘結劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。（4）引線

連接電阻絲與測量電路，輸出電參量。是從應變片的敏感柵中引出的細金屬線。對引線材料的性能要求：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)敏感柵材料都可制作引線。17應變計金屬應變片18⑴測量范圍大；⑵靈敏度高、精確度高；⑶尺寸小、重量輕，簡單;⑷適應性強；⑸便于多點測量;⑹頻率響應特性好。金屬應變片的優(yōu)點19三、金屬應變片的工作特性

1、靈敏系數(shù)：實驗表明：應變片的靈敏系數(shù)恒小于電阻絲的靈敏系數(shù)。金屬絲做成應變計后,由于基片、粘合劑以及敏感柵的橫向效應,電阻應變特性與單根金屬絲將有所不同,必須重新用實驗來測定。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變計相對電阻變化,再用其他測應變的儀器測定試件的應變,得出電阻應變計的電阻—應變特性。

20因一般應變計粘貼到試件上后不能取下再用,只能在每批產品中提取一定百分比（如5%）的產品進行測定,取其平均值作為這一批產品的靈敏度系數(shù)。這就是產品包裝盒上注明的靈敏度系數(shù),或稱“標稱靈敏度系數(shù)”。212、橫向效應直線段：軸向拉應變，電阻值增大圓弧段：除存在軸向應變外，還存在橫向負應變，造成電阻值減小，因而靈敏度減小?？梢娀￠Lls愈短,柵長l愈長,橫向效應愈小?；蛘哒f敏感柵愈窄,基長愈長的應變計,其橫向效應引起的誤差越小。223.機械滯后原因：殘余變形4.零漂和蠕變零漂：蠕變：機械滯后貼有應變計的試件進行加載和卸載時,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稱為應變計的機械滯后值。235.應變極限和疲勞壽命表明應變片在不超過規(guī)定非線性誤差（一般為10％）時，所能經受的最大真實應變值。疲勞壽命：在恒定幅值交變力的作用下，連續(xù)工作不產生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)N.246、最大工作電流和絕緣電阻最大工作電流：允許通過應變片而不影響其工作的最大電流值。靜態(tài)測量約取25mA，動態(tài)測量可高一些。絕緣電阻：應變片引線和被測試件之間的電阻值要求：7、應變片的電阻值應變片未經安裝、不受力、室溫下測得的電阻值目前常用的電阻系列有：60Ω、120Ω、200Ω、350Ω、500Ω、1000Ω、1500Ω等，其中以120Ω最常用。25四、溫度誤差及補償（一）溫度誤差1)電阻溫度系數(shù)2)線膨脹系數(shù)不同，使電阻變化

t：電阻溫度系數(shù)

e

：試件膨脹系數(shù)

g

：敏感柵膨脹系數(shù)相應的虛假應變?yōu)?/p>

結論：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)境溫度有關外，還與應變片自身的性能參數(shù)（K,αt,βg）以及被測試件線膨脹系數(shù)βe有關。26溫度誤差的大小例如試件為鋼材，電阻絲為康銅絲，

=20×10-6/℃,

e=11×10-6/℃,

g=15×10-6/℃，K=2,鋼材的彈性模量E=20×104N/mm2,在Δt=1℃時：Δt=1℃引起的應變變化：因此，當電阻應變片的測量范圍為100~120N/mm時，如果溫度變化1℃，則將造成1%以上的測量誤差。Δt=1℃引起的電阻相對變化：引起的應力變化：27(二)溫度補償電阻應變片的溫度補償方法通常有應變片自補償法和線路補償法兩大類。1．自補償法(1)單絲自補償法：用熱處理的方法調整柵絲的溫度系數(shù)要實現(xiàn)溫度自補償,必須有電阻絲材料與被測材料配合恰當，基本滿足上式。28每一種材料的被測試件，其線膨脹系數(shù)都為確定值，可以在有關的材料手冊中查到。在選擇應變片時，若應變片的敏感柵是用單一的合金絲制成，并使其電阻溫度系數(shù)和線膨脹系數(shù)滿足上式的條件，即可實現(xiàn)溫度自補償。具有這種敏感柵的應變片稱為單絲自補償應變片。

單絲自補償應變片的優(yōu)點是結構簡單，制造和使用都比較方便，但它必須在具有一定線膨脹系數(shù)材料的試件上使用，否則不能達到溫度自補償?shù)哪康摹?9(2)雙絲組合式自補償應變片是由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達到一定的溫度范圍內在一定材料的試件上實現(xiàn)溫度補償?shù)?，如圖。這種應變片的自補償條件要求粘貼在某種試件上的兩段敏感柵，隨溫度變化而產生的電阻增量大小相等，符號相反，即焊點RaRb補償效果可達±0.45με／℃。302、電路補償法(2)直接補償如圖應變片直接粘貼在試件上下兩側(3)熱敏電阻R1——工作應變片，安裝在被測試件上；RB——補償應變片，安裝在補償塊上，與被測試件溫度相同，但不承受應變。(1)采用溫度補償應變片①在應變片工作過程中，保證R3=R4。②R1和RB兩個應變片應具有相同的電阻溫度系數(shù)α、線膨脹系數(shù)β、應變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值R0。③粘貼補償片的補償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料必須一樣，兩者線膨脹系數(shù)相同。④兩應變片應處于同一溫度場。

31五.轉換電路(一)直流電橋平衡條件：R1R4=R2R3不平衡時，求得負載電流：輸出電壓1.一般情況求取的方法是戴維南定理32當電阻引起增量時設等臂電橋2.當時33此式表明：a.當時，電橋輸出電壓與應變成線性關系。b.若相鄰兩橋臂的應變極性一致，即同為拉應變或壓應變時，輸出電壓為兩相鄰橋臂之差；若相鄰兩橋臂的極性不一致時，則輸出電壓為兩者之和。c.若相對橋臂的應變極性一致，輸出電壓為兩者之和；反之為兩者之差。34（二）直流電橋的非線性誤差當僅橋臂AB工作時輸出電壓為單臂工作時稱為惠斯通電橋354.兩臂差動工作輸出靈敏度提高一倍，并有溫度補償作用。等臂時，得：考慮兩臂差動工作時有沒有非線性誤差？36四臂差動進一步提高輸出靈敏度。37六.應變式傳感器（一）應變式傳感器的組成應變片1.受力構件2.彈性元件彈性元件設計主要要求：靈敏度高，剛度夠足，線性好，固有振動頻率高（二）電阻應變式力傳感器測量范圍廣：精度高：線性好；工作性能穩(wěn)定、可靠381.柱力式傳感器圓柱式力傳感器的彈性元件分為實心和空心兩種。柱式力傳感器-ε2+ε1截面積SFFF面積S-ε1+ε2b）a）a)柱形b）筒形39在軸向布置一個或幾個應變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應變片，后者取符號相反的橫向應變，從而構成了差動對。由于應變片沿圓周方向分布，所以非軸向載荷分量被補償，在與軸線任意夾角的α方向，其應變?yōu)椋害?——沿軸向的應變；μ——彈性元件的泊松比。40軸向的應變片感受的應變：當α=0時圓周方向的應變片感受的應變：當α=90?時E：彈性元件的楊氏模量（縱向的彈性模量）式中