应变式传感器

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1、模块二 应变式传感器2.1工作原理2.2电阻应变片的分类、粘贴2.3电阻应变片的测量电路2.4应变式传感器应用 模块二 应变式传感器返 回 主 目 录模块二 应变式传感器知识目标： 1测量误差理论、电阻式传感器的工作原 理，应变片的型号组成、 粘贴工艺技术 ； 2电阻应变电桥、运算放大模块、液晶显 示电压表及烙铁、钳子、起子等工具和 标准砝码的正确使用。 能力目标：能够根据检测要求选择合理的电阻应 变片型号，进行性能测试，并组成相应 的测量电路对标准量进行检测。 模块二 应变式传感器主要学习内容 一、电阻应变效应和电阻应变式传感器的 类型及特点。 二、电阻应变片及检测线路桥路。三、检测线路的零

2、点补偿和温度补偿。 四、电阻应变式传感器的应用。模块二 应变式传感器模块二 应变式传感器 荷重传感器原理演示荷重传感器上的应变 片在重力作用 下产生变形。 轴向变短，径 向变长。模块二 应变式传感器模块二 应变式传感器 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器, 传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。 当被测物理量作用在弹性元件上时, 弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化, 通过转换电路将其转变成电量输出, 电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、 压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。 模块二 应变式传感器 任务一、应变

3、片的工作原理金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。模块二 应变式传感器2.1 工作原理 电阻应变片的工作原理是基于应变效应, 即在导体产生机械 变形时, 它的电阻值相应发生变化。 如图 3 - 1 所示, 一根金属电阻丝, 在其未受力时, 原始电阻 值为 R=式中: 电阻丝的电阻率; L电阻丝的长度; S电阻丝的截面积。 （3 -1）模块二 应变式传感器模块二 应变式传感器当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长L, 横截面积相应减小S, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变, 故引起电阻值相对变化量为 式中L/L是长度相对变化量, 用应变表示 S/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量, 即 模块二

4、 应变式传感器由材料力学可知, 在弹性范围内, 金属丝受拉力时, 沿轴向伸长, 沿径向缩短, 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为式中: 电阻丝材料的泊松比, 负号表示应变方向相反。 将式（3 - 3）, 式（3 - 5）代入式（3 - 2）, 可得 或（3-6）（3-7）模块二 应变式传感器通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度 系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量, 其表达式为（3-8）灵敏度系数受两个因素影响: 一个是受力后材料几何尺寸 的变化, 即（1+2）; 另一个是受力后材料的电阻率发生的变 化, 即（/）/。 对金属材料电阻丝来说, 灵敏度系数表达 式中（

5、1+2）的值要比（/）/）大得多, 而半导体材料 的（/）/）项的值比（1+2）大得多。 大量实验证明, 在电阻丝拉伸极限内, 电阻的相对变化与应变成正比, 即K为 常数。 模块二 应变式传感器微应变() 对于不同的金属材料，K 略微不同，一 般为2左右。而对半导体材料而言，由于其感受 到应变时，电阻率 会产生很大的变化，所以灵 敏度比金属材料大几十倍。 在材料力学中，x =/称为电阻丝的轴向应变，也称 纵向应变，是量纲为1的数。 x通常很小，常用10-6表 示之。例如，当 x为0.000001时，在工程中常表示为 110-6或m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变 ()。对金属材料而言，当

6、它受力之后所产生的轴向应 变最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可能超 过材料的极限强度而导致断裂。 模块二 应变式传感器任务二 电阻应变片特性 一、 电阻应变片的种类应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者可分 成金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前箔式应变片应用较多 。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属 丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代 的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次 性试验。箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成 的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式 应变片与片基的接触面积大得多，散热条

7、件较好，在长时间 测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可 以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电 阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从 而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式 传感器中。模块二 应变式传感器模块二 应变式传感器箔式应变片的外形模块二 应变式传感器半导体应变片及金属丝式应变片的结构半导体应变 片外形金属丝式应变片的 内部结构模块二 应变式传感器箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的 金属箔栅, 其厚度一般在0.0030.01mm。其优点是散热条件 好, 允许通过的电流较大, 可制成各种所需的形状, 便于批量生产。

8、薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝 缘基片上形成0.1m以下的金属电阻薄膜的敏感栅, 最后再加 上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大, 允许电流密度大, 工作范围广。 半导体应变片是用半导体材料制成的, 其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应，是指半导体材料在 某一轴向受外力作用时, 其电阻率发生变化的现象。 半导体应变片受轴向力作用时, 其电阻相对变化为模块二 应变式传感器（3-10）式中/为半导体应变片的电阻率相对变化量, 其值与半 导体敏感元件在轴向所受的应变力关系为（3-11）式中: 半导体材料的压阻系数。将式（3 - 11）代入式（3 - 10）中得（3-1

9、2）模块二 应变式传感器实验证明, 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 Ks = （3-13）半导体应变片突出优点是灵敏度高, 比金属丝式高5080倍, 尺寸小, 横向效应小, 动态响应好。但它有温度系数大, 应变时非线性比较严重等缺点。 模块二 应变式传感器 应变片主要性能指标举例上表中，哪几个型号是半导体应变片 ？依据是什么？ 模块二 应变式传感器2.2.2 金属电阻应变片的材料对电阻丝材料应有如下要求： 灵敏系数大， 且在相当大的应变范围内保持常数； 值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值； 电阻温度系数小，否则因环境温

10、度变化也会改变其阻值； 与铜线的焊接性能好， 与其它金属的接触电势小； 机械强度高， 具有优良的机械加工性能。 模块二 应变式传感器表2-1 常用金属电阻丝材料的性能 模块二 应变式传感器康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于它有很多优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数， 进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；康铜的电阻温度系数较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在5010-6/的范围内；康铜的加工性能好，易于焊接， 因而国内外多以康铜作为应变丝材料。 模块二 应变式传感器2） 电阻应变片粘贴电阻应变片是粘贴在弹性敏感元件上或被测构件上工作的， 传感

11、器的性能在很大程度上取决于粘贴质量。 电阻应变片的粘贴工艺如下：（1） 试件的表面处理：必须将试件表面处理干净，清除杂质、油污及表面氧化层等。 （2） 确定贴片位置： 应变片应贴在试件应变最大的部位。 模块二 应变式传感器（3） 粘贴：首先用甲苯、四氢化碳等溶剂清洗试件表面和应变片的底面，然后在试件表面和应变片的底面各涂一层薄而均匀的粘合剂，将应变片贴在确定的位置处。贴片后，在应变片上盖上一张玻璃纸并加压，排出多余的胶水和气泡。加压时要注意防止应变片错位。粘贴应变片的粘合剂的种类很多，要根据基片材料、工作温度、潮湿程度、稳定性、是否加温加压以及粘贴时间等多种因素合理选择粘合剂。 （4） 固化：

12、 根据所使用的粘合剂的固化工艺要求进行固化处理。 模块二 应变式传感器（5） 粘贴质量检查：检查粘贴位置是否正确，粘合层是否有气泡和漏贴，敏感栅是否有短路或断路现象以及敏感栅的绝缘性能等。 （6） 引线的焊接与防护： 检查合格后即可焊接引线， 引线要适当固定。 然后在应变片上涂一层防护层， 防止大气对应变片的侵蚀。 模块二 应变式传感器应变片的粘贴：1. 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 ，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。模块二 应变式传感器2.贴片：在应 变片的表面和处理过 的粘贴表面上，各涂 一层均匀的粘贴胶 ，用镊子将应变

13、片放 上去，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 。模块二 应变式传感器3.测量 ： 从分开的端子处 ，预先用万用表 测量应变片的电 阻，发现端子折 断和坏的应变片 。模块二 应变式传感器4.焊接： 将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。 模块二 应变式传感器5.固定： 焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。模块二 应变式传感器任务三 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

14、测量电路, 通常采用直流电桥和交流电桥。 一、 直流电桥1. 直流电桥平衡条件电桥如图 3 - 5 所示, E为电源, R1、R2、R3及R4为桥臂电阻, RL为负载电阻。 模块二 应变式传感器模块二 应变式传感器（3-28）当电桥平衡时, Uo=0, 则有 R1R4 = R2R3 或（3-29）式（3 - 29）称为电桥平衡条件。这说明欲使电桥平衡, 其相邻两臂电阻的比值应相等, 或相对两臂电阻的乘积相等。 模块二 应变式传感器单臂电桥单臂电桥的灵敏度最低。计算公式模块二 应变式传感器 双臂电桥R1、 R2为应 变片， R3、R4为固 定电阻 。应变片R1 、R2 感受到的应变1 、2以及产

15、生的电阻 增量正负号相间， 可以使输出电压Uo 成倍地增大。模块二 应变式传感器 四臂全桥全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件 受力后，应变片R1 R4产生的电阻增量，就可以使 输出电压Uo成倍地增大。上述三种工作方式中，哪一种灵敏度最高? 哪一种灵敏度最低? 模块二 应变式传感器三、 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有: 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： Rt=R0（1+0t） (3 - 14)式中: Rt温度为 t 时的电阻值; R0温度为t 0时的电阻值; 0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 Rt=Rt- R0= R00t