《力学-2应变式传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《力学-2应变式传感器（137页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第第2 2章章 应变式传感器应变式传感器各种电子秤 广泛应用于概述概述第第2 2章章 应变式传感器应变式传感器概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述第第2 2章章 应变式传感器应变式传感器概述概述第第2 2章章 应变式传感器应变式传感器概述概述高 精 度 电 子 汽 车 衡动态电子秤电子天平概述概述第第2 2章章 应变式传感器应变式传感器机械秤包装机吊秤概述概述第第2 2章章 应变式传感器应变式传感器概述概述概述概述第第2 2章章 应变式传感器应变式传感器概述概述概述概述概述概述第第2 2章章 应变式传感器应变式传感器概述概述概述概述概述概述第第2 2章章 应变式传感器应变式传感器概
2、述概述5斜拉桥上的斜拉绳应变测试 第第2 2章章 应变式传感器应变式传感器概述概述 结构受力和变形测量 可制成多种用途的传感器，应用领域非常广泛。概述概述第第2 2章章 应变式传感器应变式传感器金属应变片式传感器金属应变片式传感器- -金属应变效应。金属应变效应。半导体半导体压阻式传感器压阻式传感器- -半导体材料的压阻效应。半导体材料的压阻效应。概述概述有两种类型：有两种类型：2.1 2.1 金属应变片式传感器金属应变片式传感器 基本原理基本原理 基本结构基本结构 基本测量电路基本测量电路 主要特性主要特性 温度误差及其补偿温度误差及其补偿 常用应变式传感器常用应变式传感器第第2 2章章 应
3、变式传感器应变式传感器金属应变式传感器的核心元件是金属应变式传感器的核心元件是电阻应变片电阻应变片，它，它可将试件上的可将试件上的应变的应变的变化转换成变化转换成电阻变化电阻变化。 应变效应：应变效应：导体或半导体在受到外界力的作用时产生机械导体或半导体在受到外界力的作用时产生机械变形，导致其阻值发生变化，这种现象称为变形，导致其阻值发生变化，这种现象称为应应变效应变效应。2.1 2.1 金属应变片式传感器金属应变片式传感器金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器对于一长为对
4、于一长为L L、横截面积为、横截面积为S S、电阻率为、电阻率为的的金属丝，其电阻金属丝，其电阻值值R R为：为：受力受力F F2rL受力受力F F2r2r金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理当受到轴向拉力当受到轴向拉力F F作用时，金属丝几何尺寸变化作用时，金属丝几何尺寸变化 引起电阻的相应变化：引起电阻的相应变化：2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器应变 ： 为金属材料的为金属材料的泊松系数泊松系数。金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器由由材料力学材料力学泊松定律泊松定律，在弹性范围内金属丝
5、，在弹性范围内金属丝轴向应变轴向应变 和和径径 向应变向应变rr的关系为：的关系为：rr：径向应变径向应变无应变时的电阻值无应变时的电阻值金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器代入得：代入得：金属材料的泊松比金属材料的泊松比金属材料的某个常数金属材料的某个常数轴向应变大小轴向应变大小应变灵敏系数应变灵敏系数Ks约在1.83.6之间无应变时的电阻值无应变时的电阻值有应变时的电阻值变化大小有应变时的电阻值变化大小金属材料的泊松比金属材料的泊松比金属材料的某个常数金属材料的某个常数轴向应变大小轴向应变大小金属丝式应变片的基本工作原理金
6、属丝式应变片的基本工作原理2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属丝受到应变的作用会引起金属丝阻值发生金属丝受到应变的作用会引起金属丝阻值发生 变化。变化。应变式传感器的工作原理：应变式传感器的工作原理：根据这种原理可以制成各种应变片。根据这种原理可以制成各种应变片。应变片的基本结构应变片的基本结构2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属电阻应变片主要有三种：金属电阻应变片主要有三种： 金属丝式金属丝式 箔式箔式 薄膜式薄膜式应变片的基本结构应变片的基本结构2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器典型的电阻应变片结构示意图由由敏感栅敏感栅1 1、基底基底2 2、
7、盖片盖片3 3、引线引线4 4和和粘结剂粘结剂等组成。等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因 此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。 2341bl栅长栅宽 金属丝式应变片基本结构金属丝式应变片基本结构金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器23411-1-敏感栅敏感栅由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的阻值为由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的阻值为6060、 120120、200200等多种规格，以等多种规格，以120120最为常用。最为常用
8、。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测 得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均 轴向应变量。轴向应变量。2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器23411-1-敏感栅敏感栅对敏感栅的材料的要求：对敏感栅的材料的要求： 应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数； 电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片； 电阻温度系数要小；电阻温度系数要小； 抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；抗氧化能力高，耐腐
9、蚀性能强； 在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度； 加工性能良好加工性能良好, ,易于拉制成丝或轧压成箔材；易于拉制成丝或轧压成箔材； 易于焊接，对引线材料的热电势小。易于焊接，对引线材料的热电势小。 对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器2341基底基底2 2和和盖片盖片3 3基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置。基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置。盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可
10、保盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。护敏感栅。基底的全长称为基底的全长称为基底长基底长，其宽度称为，其宽度称为基底宽基底宽。金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器2341引线引线4 4是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、：电阻率低、电阻温度系数小、 抗氧化性能好、易于焊接。抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。大多数敏感栅材料都可制作引线。金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构2.1 2
11、.1 金属应变式传感器金属应变式传感器2341粘结剂粘结剂作用：作用： 1 1将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起 。 2.2.将应变片粘贴在弹性元件上，构成传感器。将应变片粘贴在弹性元件上，构成传感器。常用的粘结剂：常用的粘结剂： 分为分为有机有机和和无机无机两大类。两大类。 有机粘结剂用于低温、常温和中温有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸。常用的有聚丙烯酸 酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。 无机粘结剂用于高温无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐，常用的有磷酸盐、硅酸
12、、硼酸盐 等。等。金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构应变片的基本结构应变片的基本结构2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属箔式应变片金属箔式应变片利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度 一般在一般在0.0030.010 0.0030.010 mmmm，粘贴在基片上，上面再覆盖，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。一层薄膜而制成。应变片的基本结构应变片的基本结构2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属箔式应变片和丝式应变片相比较，有如下金属箔式应变片和丝式应变片相比较，有如下特点特点。金属箔栅很
13、薄，与试件表面的应力状态更为接近。其次金属箔栅很薄，与试件表面的应力状态更为接近。其次 ，接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工作。第三，箔，接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工作。第三，箔 栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度。栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度。箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，因箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，因 而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为 制造应变花和小标距
14、应变片提供了条件，从而扩大了应变片的使制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变片的使 用范围。用范围。便于成批生产。便于成批生产。 缺点：缺点：电阻值分散性大，有的相差几十电阻值分散性大，有的相差几十，故需要作阻值调整；，故需要作阻值调整； 生产工序较为复杂，因引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温生产工序较为复杂，因引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温 环境下测量；此外价格较贵。环境下测量；此外价格较贵。应变片的基本结构应变片的基本结构2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属薄膜应变片金属薄膜应变片采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，
15、在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。以形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。流密度大，工作温度范围较广。 应变片的基本结构应变片的基本结构2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器应变片的基本结构应变片的基本结构2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变计2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性1.1.灵敏度系数灵敏度系数2.2.横向效应横向效应 3.3.机械滞后机械滞后 4.4.零点漂移和蠕变零点
16、漂移和蠕变5.5.应变极限应变极限 6.6.动态特性动态特性金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性1. 1. 灵敏度系数灵敏度系数应变片应变片的灵敏系数的灵敏系数K K表示，表示，K K恒小于恒小于K KS S。被测体被测体应变片应变片(1)(1)胶层传递变形失真胶层传递变形失真 (2)(2)横向效应。横向效应。 主要原因主要原因: : 金属应变丝金属应变丝的灵敏度系数的灵敏度系数K KS S表示。表示。金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性2. 2. 横向效应横向效应bl栅长栅长栅宽栅宽实际上，构件横向应变与纵向应变的方向总是相反的，因此实际上，构件横向应变与纵向应变的方向总是相反的，因此 横向效应的存在将减小应变片的灵敏度。横向效应的存在将减小应变片的灵
