第二章-應(yīng)變式傳感器

傳感器原理及應(yīng)用主要內(nèi)容金屬絲應(yīng)變效應(yīng)（重點）金屬絲式應(yīng)變片的主要特性（難點）金屬絲式應(yīng)變傳感器測量電路（重點）金屬絲式應(yīng)變片溫度誤差及其補(bǔ)償（重點，難點）金屬絲式應(yīng)變傳感器的應(yīng)用（重點）壓阻式傳感器(不講)金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與材料2第一節(jié)應(yīng)變式傳感器非電量應(yīng)變電阻應(yīng)變片彈性元件電阻變化電量一.金屬電阻應(yīng)變片的工作原理1.工作原理導(dǎo)體的應(yīng)變—電阻效應(yīng)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(yīng)變特性的物體應(yīng)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(yīng)變當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變一.金屬電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。

4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(yīng)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(shè)r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2πr

dr，則材料力學(xué)：在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短，軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為μ為電阻絲材料的泊松比，負(fù)號表示應(yīng)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(yīng)變所引起的電阻相對變化量。其表達(dá)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(yīng)”）

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(dǎo)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(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，即KS為常數(shù)。通常KS在1.8～3.6范圍內(nèi)。9主要結(jié)構(gòu)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(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和類型10（1）敏感柵

感受應(yīng)變，并將應(yīng)變轉(zhuǎn)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(xì)絲繞成柵形。電阻應(yīng)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(yīng)變片柵長大小關(guān)系到所測應(yīng)變的準(zhǔn)確度，應(yīng)變片測得的應(yīng)變大小是應(yīng)變片柵長和柵寬所在面積內(nèi)的平均軸向應(yīng)變量。（1）敏感柵11對敏感柵的材料的要求：①應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測應(yīng)變范圍內(nèi)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(yīng)變片；③電阻溫度系數(shù)要小；④抗氧化能力高，耐腐蝕性能強(qiáng)；⑤在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)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(yīng)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(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和類型絲式應(yīng)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(yīng)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(yīng)變計(2)箔式：（厚膜）膜厚25um左右光刻箔式應(yīng)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(yīng)變測量中應(yīng)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(yīng)變。要求基底準(zhǔn)確地把試件應(yīng)變傳遞給敏感柵。同時基片絕緣性能要好，否則應(yīng)變片微小電信號就要漏掉。蓋片

由紙箔、膠質(zhì)膜等制成。起保護(hù)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(hù)敏感柵。基底的全長稱為基底長，其寬度稱為基底寬?；咨w片引線敏感柵16（3）粘結(jié)劑

敏感柵與基底、基底與試件、基底與蓋片之間的粘結(jié)。分有機(jī)和無機(jī)兩大類。有機(jī)粘結(jié)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(jī)硅樹脂，聚酰亞胺等。無機(jī)粘結(jié)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(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)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(yīng)變計金屬應(yīng)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(yīng)性強(qiáng)；⑸便于多點測量;⑹頻率響應(yīng)特性好。金屬應(yīng)變片的優(yōu)點19三、金屬應(yīng)變片的工作特性

1、靈敏系數(shù)：實驗表明：應(yīng)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(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(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。

20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)”。212、橫向效應(yīng)直線段：軸向拉應(yīng)變，電阻值增大圓弧段：除存在軸向應(yīng)變外，還存在橫向負(fù)應(yīng)變，造成電阻值減小，因而靈敏度減小。可見弧長ls愈短,柵長l愈長,橫向效應(yīng)愈小?；蛘哒f敏感柵愈窄,基長愈長的應(yīng)變計,其橫向效應(yīng)引起的誤差越小。223.機(jī)械滯后原因：殘余變形4.零漂和蠕變零漂：蠕變：機(jī)械滯后貼有應(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稱為應(yīng)變計的機(jī)械滯后值。235.應(yīng)變極限和疲勞壽命表明應(yīng)變片在不超過規(guī)定非線性誤差（一般為10％）時，所能經(jīng)受的最大真實應(yīng)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(chǎn)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(yīng)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(yīng)變片引線和被測試件之間的電阻值要求：7、應(yīng)變片的電阻值應(yīng)變片未經(jīng)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(bǔ)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(yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)?/p>

結(jié)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(guān)外，還與應(yīng)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(guān)。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(yīng)變變化：因此，當(dāng)電阻應(yīng)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(yīng)力變化：27(二)溫度補(bǔ)償電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有應(yīng)變片自補(bǔ)償法和線路補(bǔ)償法兩大類。1．自補(bǔ)償法(1)單絲自補(bǔ)償法：用熱處理的方法調(diào)整柵絲的溫度系數(shù)要實現(xiàn)溫度自補(bǔ)償,必須有電阻絲材料與被測材料配合恰當(dāng)，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(guān)的材料手冊中查到。在選擇應(yīng)變片時，若應(yīng)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(bǔ)償。具有這種敏感柵的應(yīng)變片稱為單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片。

單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)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(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?9(2)雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片是由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負(fù)值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達(dá)到一定的溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)模鐖D。這種應(yīng)變片的自補(bǔ)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(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號相反，即焊點RaRb補(bǔ)償效果可達(dá)±0.45με／℃。302、電路補(bǔ)償法(2)直接補(bǔ)償如圖應(yīng)變片直接粘貼在試件上下兩側(cè)(3)熱敏電阻R1——工作應(yīng)變片，安裝在被測試件上；RB——補(bǔ)償應(yīng)變片，安裝在補(bǔ)償塊上，與被測試件溫度相同，但不承受應(yīng)變。(1)采用溫度補(bǔ)償應(yīng)變片①在應(yīng)變片工作過程中，保證R3=R4。②R1和RB兩個應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)α、線膨脹系數(shù)β、應(yīng)變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值R0。③粘貼補(bǔ)償片的補(bǔ)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(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場。

31五.轉(zhuǎn)換電路(一)直流電橋平衡條件：R1R4=R2R3不平衡時，求得負(fù)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(dāng)電阻引起增量時設(shè)等臂電橋2.當(dāng)時33此式表明：a.當(dāng)時，電橋輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。b.若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)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(yīng)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(dāng)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(bǔ)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(jìn)一步提高輸出靈敏度。37六.應(yīng)變式傳感器（一）應(yīng)變式傳感器的組成應(yīng)變片1.受力構(gòu)件2.彈性元件彈性元件設(shè)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(yīng)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(yīng)變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片，后者取符號相反的橫向應(yīng)變，從而構(gòu)成了差動對。由于應(yīng)變片沿圓周方向分布，所以非軸向載荷分量被補(bǔ)償，在與軸線任意夾角的α方向，其應(yīng)變?yōu)椋害?——沿軸向的應(yīng)變；μ——彈性元件的泊松比。40軸向的應(yīng)變片感受的應(yīng)變：當(dāng)α=0時圓周方向的應(yīng)變片感受的應(yīng)變：當(dāng)α=90?時E：彈性元件的楊氏模量（縱向的彈性模量）式中