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1、 1 专业英语 Jiangsu Normal University 2 第三章 应变式传感器 3.1 工作原理 3.2 电阻应变片特性 3.3 电阻应变片的测量电路 3.4 应变式传感器应用 3 第三章 应变式传感器 3.1 工作原理 3.2 电阻应变片特性 3.3 电阻应变片的测量电路 3.4 应变式传感器应用 4 力学相关概念 应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变 当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应 变 弹性元件 具有弹性应变特性的物体 3.1 工作原理 5 应变式传感器概述 是利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器 结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴
2、电阻应变片构成 工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在 力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或 位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻 值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反 映被测量的大小。 应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的 测量 6 应变效应分析 导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形（拉伸 或压缩）时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应 变效应”。 电阻应变片的工作原理是基于应变效应。 7 一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为： 图3-1 金属电阻丝应变效应 8 当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长l，横截面
3、积相应 减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了 ，从而引起电阻值变化量为 式中：dl/l长度相对变化量，用应变表示为 即：电阻相对变化量为 9 dA/A圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的 半径，微分后可得dA=2r dr，则 材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长， 沿径向缩短， 轴向应变和径向应变的关系可表示为 为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。 10 推得： 定义：电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变所引起的电 阻相对变化量。其表达式为 11 灵敏系数K受两个因素影响： 一是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2 二是应变片受力后材料的电
4、阻率发生的变化， 即（ d/）/。 对金属材料：1+2(d/)/ 对半导体材料：(d/)/1+2 大量实验证明，在金属电阻丝拉伸极限内，电阻的 相对变化与应变成正比，即K为常数。 12 分析：当半导体应变片受轴向力作用时， 其电阻相对变化为 半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关： 式中： 半导体材料的压阻系数; 半导体材料的所受应变力; E半导体材料的弹性模量; 半导体材料的应变。 13 因此： 实验证明，E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略， 因而半导体应变片的灵敏系数为 14 半导体应变片突出优点是灵敏度高, 比金属丝式高5080 倍。但它有温度系数大, 应变时非线性比较严重
5、等缺点，使它 的应用范围受到一定的限制。 测量原理：在外力作用下，被测对象产生微小机械变形 ，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相 应变化。当测得应变片电阻值变化量为R时，便可得到被测 对象的应变值， 根据应力与应变的关系，得到应力值为 =E 15 第三章 应变式传感器 3.1 工作原理 3.2 电阻应变片特性 3.3 电阻应变片的测量电路 3.4 应变式传感器应用 16 一、 电阻应变片的种类 电阻应变片品种繁多, 形式多样。 但常用的应变片可分为 两类: 金属电阻应变片和半导体电阻应变片。 金属应变片由敏感栅、 基片、 覆盖层和引线等部分组成, 如图 3 - 2 所示。 敏感
6、栅是应变片的核心部分, 它粘贴在绝缘的基片上, 其上 再粘贴起保护作用的覆盖层, 两端焊接引出导线。金属电阻应 变片的敏感栅主要有丝式和箔式两种。 3.2 电阻应变片特性 17 18 常用应变片的形式 19 二、 横向效应 当将图 3 - 3 所示的应变片粘贴在被测试件上时, 由于其敏感栅是由n条 长度为l1的直线段和（n-1）个半径为r的半圆组成, 若该应变片承受轴向应 力而产生纵向拉应变x时, 则各直线段的电阻将增加, 但在半圆弧段则受到 从+x到-x之间变化的应变, 圆弧段电阻的变化将小于沿轴向安放的同样 长度电阻丝电阻的变化。综上所述, 将直的电阻丝绕成敏感栅后, 虽然长度 不变, 应
7、变状态相同, 但由于应变片敏感栅的电阻变化较小, 因而其灵敏系数 K较电阻丝的灵敏系数K0小, 这种现象称为应变片的横向效应。 20 当实际使用应变片的条件与其灵敏系数K的标定条件不同 时, 如0.285或受非单向应力状态, 由于横向效应的影响 , 实际K值要改变, 如仍按标称灵敏系数来进行计算, 可能造 成较大误差。当不能满足测量精度要求时, 应进行必要的修 正, 为了减小横向效应产生的测量误差, 现在一般多采用箔 式应变片。 21 三、 应变片的温度误差及补偿 1. 应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差 ， 称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素
8、有： 1) 电阻温度系数的影响 2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 22 1) 电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示： 式中: Rt温度为 t 时的电阻值; R0温度为t0时的电阻值; 0温度为t0时金属丝的电阻温度系数; t温度变化值, t=t-t0。 当温度变化t时, 电阻丝电阻的变化值为 23 2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时：环境温度变 化不会产生附加变形。 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时：环境温度变 化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。 设电阻丝和试件在温度为0时的长度均为l0
9、, 它们的线 膨胀系数分别为s和g，若两者不粘贴，则它们的长度分别 为 ls=l0(1+st) lg=l0(1+gt) 24 当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形l、附 加应变和附加电阻变化R分别为 25 由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为 结论：因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量 ，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（ K0, 0, s）以及被测试件线膨胀系数g有关。 26 2. 电阻应变片的温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片 自补偿两大类。 1) 线路补偿法 电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。图 3-4 所 示是电桥补偿
10、法的原理图。电桥输出电压Uo与桥臂参数的关 系为 图3-4 电桥补偿法 27 电路分析： A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知， 当 R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压U0的作用方向相 反。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。 28 测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补偿 应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工 作应变片承受应变。 当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t 的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有 工程上，一般按R1 = RB = R3 = R4 选取桥臂电阻。 29 温度补偿的实现：当温度升高或降低t=t
11、-t0时，两个应变片因温 度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态， 即 应变的测量：被测试件有应变的作用，则工作应变片电阻R1又 有新的增量R1=R1K，而补偿片因不承受应变，故不产生新的 增量， 此时电桥输出电压为 可见：电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变有关，而与环境 温度无关。 30 注意补偿条件： 在应变片工作过程中，保证R3=R4。 R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数、线膨 胀系数、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材 料必须一样，两者线膨胀系数相同。 两应变片应处于同一温度场。 31 2) 应变片的自补偿法 利用自身具
12、有温度补偿作用的应变片来补偿的。 上式表明，当被测试件的线膨胀系数g已知时，如果合理 选择敏感栅材料， 即其电阻温度系数0、灵敏系数K0以及线膨 胀系数s，满足上式，则不论温度如何变化，均有Rt/R0=0，从 而达到温度自补偿的目的。 要实现温度自补偿，必须有 32 第三章 应变式传感器 3.1 工作原理 3.2 电阻应变片特性 3.3 电阻应变片的测量电路 3.4 应变式传感器应用 33 3.3 电阻应变片的测量电路 由于机械应变一般都很小, 要把微小应变引起的 微小电阻变化测量出来, 同时要把电阻相对变化R/ R转换为电压或电流的变化。因此, 需要有专用测量 电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路, 通常采用直流电桥和交流电桥。 34 一、直流电桥 1. 直流电桥平衡条件 图3-5 直流电桥 当RL时，电桥输出电压为 电桥如图 3 - 5 所示, E为电源, R1、R2、R3及R4为桥臂电 阻, RL为负载电阻。 35 当电桥平衡时，Uo=0，则有 R1R4=R2R3 或 电桥平衡条件：欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等 ， 或相对两臂电阻
