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1、传感器及检测技术一. 弹性体及其应变二.电阻应变片及其电阻变化三.信号处理电路四.电阻应变片的粘贴五.应变式传感器应用实例2.1 应变式传感器传感器及检测技术传感器及检测技术一. 弹性体及其应变弹性体（敏感元件）的基本概念：物体在外力作用下 改变原来尺寸或形状的现象称为变形。如果变形后的 物体在外力去除后又恢复原来形状的变形称为弹性变 形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。（1）刚度：弹性元件产生单位变 形所需的力。 （2）灵敏度：在单位力作用下弹性 元件产生的变形。传感器及检测技术弹性敏感元件的基本要求及类型：刚度和灵敏度表示了弹性元件的软硬程度。元件越硬，刚度 越大，单位力作用下变形越小
2、，灵敏度越小。当刚度和灵敏 度为常数时，作用力F与变形X成线性关系，此种元件称为 线性弹性元件。（1）具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强 度高等）和良好的机械加工及热处理性能。（2）良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等 ）。（3）弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳 定。（4）抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。对弹 性敏 感元 件的 基本 要求 传感器及检测技术（1）变换力（力矩）弹性元件：等截面柱 式、悬臂梁、圆环式和等截面薄板等。（2）变换压力弹性元件：弹簧管、波纹管 、膜片（力、压力均可以变换）等。弹 性 元 件 输 入 量 传感器及检测技术r
3、 r0ll0绝对伸长 绝对压缩 1. 弹性等截面轴受外力作用后变形量：FF(a) 拉伸FF(b) 压缩传感器及检测技术轴向应变 径向应变 泊松系数 反映物质形变程度， 反映物质弹性特征（0.2 0.4）， E是材料的弹性模量. E钢=2.0*1011N/m2 E铝=0.7*1011N/m2传感器及检测技术应变 2. 等截面悬臂梁自由端受向下外力作用后：此时上表面应变为正（拉应变）下表面应变为负（压应变） 自由端位移（挠度）最大，固定端应变最大。它适于测量500Kg以下的载荷，最小为测几十克重的力，这种传感器具 有结构简单、加工容易、应变片易粘贴、灵敏度高等特点。悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性
4、敏感元件。特点是灵敏度比较高。 所以多用于较小力的测量。例如民用电子秤中就多采用悬臂梁。当力F （例如苹果的重力作用）以垂直方向作用于电子秤中的铝质悬臂梁的末端时， 梁的上表面产生拉应变，下表面产生压应变。传感器及检测技术应变 3. 等强度悬臂梁自由端受向下外力作用后：此时上表面应变为正（拉应变）下表面应变为负（压应变）同一表面上各点应变相等，上下表面应变绝对 相等、符号相反。 传感器及检测技术FhL0 通常采用厚度 h 不变， 宽度 b 改变来满足：其他讨论与等截面梁式荷重传感器相同。传感器及检测技术应变 *两端固定横梁受向下外力作用后：此时上表面应变为负（压应变）下表面应变为正（拉应变）传
5、感器及检测技术双弯曲梁为传感器弹性双弯曲梁为传感器弹性体，四片应变片分别粘体，四片应变片分别粘贴在梁的上、下两表面贴在梁的上、下两表面上，组成全桥电路。当上，组成全桥电路。当载荷载荷F F作用时，作用时，R R1 1、R R3 3受拉伸，阻值增加；受拉伸，阻值增加； R R2 2、R R4 4受压缩，阻值减小受压缩，阻值减小。电桥失去平衡，产生。电桥失去平衡，产生电压输出。电压输出。双弯曲梁双弯曲梁R4R2R3R1F传感器及检测技术传感器及检测技术电阻应变片种类： 丝式(绕线式)、箔式、半导体式引出线电阻丝(丝栅)基底金属箔式应变片金属丝式应变片二. 电阻应变片及其电阻变化传感器及检测技术传感
6、器及检测技术金属电阻应变片的结构如右图所示，它由敏感栅、 基体、覆盖层（保护片）和引出线四部分组成 1 1金属应变片金属应变片 传感器及检测技术机 电 设 备 中 传 感 器 的 连 接 与 信 号 获 取（1）敏感栅是转换元件，由金属丝、金属箔制成，它被 粘贴在基体上。通过基体把应变传递给它。（2）基体起绝缘作用。（3）覆盖层（保护片）起绝缘保护作用。（4）引出线焊接于敏感栅两端，作连接测量导线之用。电阻应变片有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。 金属电阻应变片又有丝式、箔式和薄膜式等结构形式。传感器及检测技术电阻应变片的结构和工作原理电阻应变片的结构和工作原理 对于一长为对于一长为L L
7、、横截面积为、横截面积为A A、电阻率为、电阻率为 的的金属丝，其电阻值金属丝，其电阻值R R为：为：如果对电阻丝长度作用均匀，则如果对电阻丝长度作用均匀，则 、L L、A A的变化的变化(d(d 、d dL L、d dA A) )将引起电阻将引起电阻R R 变化变化d dR R，d dR R可通过对上式的全微分求得：可通过对上式的全微分求得：传感器及检测技术电阻相对变化量为：电阻相对变化量为： 若电阻丝是圆形的，若电阻丝是圆形的， 则则A=A=rr , ,对对r r 微分微分 得得dAdA=2r =2r drdr，则：，则： ll+ dl2r2(r-dr)F金属丝的应变效应传感器及检测技术
8、y y= = - -x x由材料力学的知识：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，由材料力学的知识：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长， 沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为：沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为：可得：可得：对于确定的材料，对于确定的材料，(1+2(1+2 ) )项是常数，其数值约在项是常数，其数值约在1212之间，之间，传感器及检测技术2 2半导体应变片半导体应变片 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻压阻效应效应而制成的一种纯电阻性元件而制成的一种纯电阻性元件 。当半导体材料。当半导体材料某一轴向受外力作用
9、时，其电阻率会发生变化。某一轴向受外力作用时，其电阻率会发生变化。 当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为 : :实验证明实验证明 L LE E比比1+21+2 大近百倍，所以大近百倍，所以1+21+2 可以忽略，因而半导体应变片的可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为：灵敏系数为： 传感器及检测技术晶面(crystal face): 在晶格中由一系列原子所 构成的平面称为晶面。传感器及检测技术晶向(crystal direction): 在晶格中,任意两原子之间 的连线所指的方向。传感器及检测技术晶向指数: 用密勒(Miller)指数对晶
10、格中某一原子排 列在空间的位向进行标定。使用方法: 设置坐标; 求截距; 取最小整数。半导体应变片在不同 晶向上受相同大小应 力作用时电阻率变化 情况不同。例如p型 硅在111晶向上的灵 敏度k约为150，而在 100晶向上仅为10左 右。传感器及检测技术三.信号处理电路从前面的讨论知道：电阻应变片的作用是将构件表面的 应变转变为电阻的变化。因此将应变片连入电路中构成 电桥。传感器及检测技术目前的应变仪均采用惠斯通电桥电路测量应变片的阻 值变化。 四臂电桥如图所示：传感器及检测技术传感器及检测技术当在小应变、等桥臂（R1= R2= R3 = R4 ）、相同的灵敏系数 时，上式简化成下式：若电桥
11、的四个臂均与粘贴于构件上的电阻片相连，当构件变 形时，桥臂上的阻值分别变为： R1+R1 、R2+R2、 R3+R3、 R4+R4。此时BD点的输出电压为：可以证明输出电压与桥臂阻值的关系：式中： 1、 2、 3、 4分别代表四个应变片所感受的应变值，传感器及检测技术几种常用的组桥方式：1. 单臂测量：桥路中只有一个桥臂参与构件的机械变形。输出 的桥压为：2.半桥测量：桥路中相邻的两个桥臂参与构件的机械变形。输出的 桥压为：3. 对臂测量：桥路中相对的两个桥臂参与构件机械变形。输出的桥 压为：4.全桥测量：桥路中四个桥臂全部参与构件机械变形。输出的桥 压为：传感器及检测技术 温度补偿片（桥测量
12、或称单点测量）引起电阻片的阻值改变的因素：1.机械变形；2.温度变 化。温度变化引起阻值改变的量是无用的量。可以利用电桥 加减特性，通过温度补偿片来消除。即单臂（桥）测量。43传感器及检测技术 半桥测量 在AB，BC两个臂上分别接上工作片，温度影响将互相抵消。43传感器及检测技术对臂测量在AB，CD两个臂上接工作片，BC，DA接温度补偿 片。四个臂的电阻同处一个温度场，温度影响相互抵消。传感器及检测技术 全桥测量电桥的四个臂上接工作片，都参与机械变形，同处 一个温度场，温度影响相互抵消。传感器及检测技术一般应变片标准阻值120欧姆，即测量电压，即可知道应变，也就知道荷重或对应物体的质量了 传感
13、器及检测技术把应变片用特制胶水粘固在弹性元件或需要测量变形的物 体表面上。在外力作用下，电阻丝随该物体一起变形，其 电阻值发生相应变化。由此，将被测量转化为电阻变化。 四. 电阻应变片的粘贴1. 1. 去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等 ，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力 ，用浸有酒精或丙，用浸有酒精或丙 酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。粘贴步骤：传感器及检测技术3.3.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上， 各涂一层
14、均匀的粘贴胶各涂一层均匀的粘贴胶 ，用镊子将应变片放上去，用镊子将应变片放上去， 并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压 ，排出下面的气泡，排出下面的气泡 。2. 2. 确定方向和中心线确定方向和中心线4.4.接引线接引线 引出导线要用柔软、不易老化的胶合物适当地加以引出导线要用柔软、不易老化的胶合物适当地加以 固定，以防止导线摆动时折断应变片的引线。然后固定，以防止导线摆动时折断应变片的引线。然后 在应变片上涂一层柔软的防护层，以防止大气对应在应变片上涂一层柔软的防护层，以防止大气对应 变片的侵蚀，保证应变片长期工作的稳定性。变片的侵蚀，保证
15、应变片长期工作的稳定性。传感器及检测技术五五. . 应变式传感器应用实例应变式传感器应用实例1.1.应变式加速度传感器应变式加速度传感器L L应变片应变片质量块质量块mm弹簧片弹簧片外壳外壳基座基座a a传感器及检测技术传感器及检测技术2 2 压阻式压力传感器压阻式压力传感器高压腔高压腔P P硅膜片硅膜片低压腔低压腔引线引线传感器及检测技术扩散电阻扩散电阻硅梁硅梁质量块质量块基座基座3 3 压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器传感器及检测技术(a) (a) 微压传感器微压传感器传压杆传压杆感压膜感压膜电阻应变片电阻应变片 （反、正两面共（反、正两面共4 4片）片）E E2 2 R R1 1R R3 3R RL LR R2 2R R4 4UU0 0R R1 1R R3 3R RL LR R2 2R R4 44 4 应变式传感器测容器内液体重量应变式传感器测容器内液体重量(b) (b)传感器及检测技术R R裂纹大小裂纹大小裂纹探测应变计的裂纹探测应变计的 电阻变化特性曲线电阻变化特性曲线测量电路测量电路 R R1 1R R2 2E E裂纹裂纹 应变计应变计5 5 裂纹探测应变计裂纹探测应变计裂纹裂纹传感器及检测技术本次课到此结束，
