应变式传感器

《应变式传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《应变式传感器（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器1.电阻应变片原理 2.应变片的种类、材料及粘贴 3.金属应变片的主要特性 4.应变片测量电路 5.应变式传感器的应用 本章重点：掌握金属应变片式传感器构成原理本章重点：掌握金属应变片式传感器构成原理 及特性，通过对电阻应变片测量桥路的分析，及特性，通过对电阻应变片测量桥路的分析， 掌握测量电路的结构、形式、特点及相关测量掌握测量电路的结构、形式、特点及相关测量 计算。计算。第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 概述：概述：各种电子秤 广泛应用于第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 概述概述 高 精 度 电

2、 子 汽 车 衡动态电子秤电子天平第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 概述概述 机械秤包装机吊秤第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器概述概述 应变式传感器作为测力的主要传感器，测力 范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可 到 0.010.1%。特点: 结构简单、精度高、测量范围广、体积小、特 性好。 是目前测量力、力矩、压力、加速度等物理量 应用最广泛的传感器之一。第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 3.1 3.1 电阻应变片原理电阻应变片原理（1 1）应变效应）应变效应导体和半导体材料在受到外界力（拉力或压导体和半导体材料在受到外界力（拉力或压 力）作用时，产生机械变形，机

3、械变形导致力）作用时，产生机械变形，机械变形导致 其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变 化的现象称为化的现象称为“ “应变效应应变效应” ”. .下面以金属丝应变片为例，介绍它的应变效 应。一根金属丝长度为 L，截面积为A ，电阻 率为 其电阻R为：对对 式进行全微分可得：式进行全微分可得：电阻的相对变化量：电阻的相对变化量：若电阻丝是圆形的则截面积：若电阻丝是圆形的则截面积：对对 微分：微分：3.1 3.1 电阻应变片原理电阻应变片原理 （1 1）应变效应）应变效应上式表示：电阻的相对变化量。它是与电阻率的相对变化上式表示：电阻的相对变化量。它是与电阻

4、率的相对变化 量、长度的相对变化量、及半径的相对变化量有关的一个量、长度的相对变化量、及半径的相对变化量有关的一个 量，它是所有参数变化量的量，它是所有参数变化量的代数和代数和。由材料力学知识可得。由材料力学知识可得 ： （金属丝的轴向应变量金属丝的轴向应变量）（金属丝的径向应变量金属丝的径向应变量）在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩 短。轴向和径向应变的关系可表示为：短。轴向和径向应变的关系可表示为：金属材料的泊松系数：金属材料的泊松系数称为金属丝的应变灵敏系数。其物理意义是称为金属丝的应变灵敏系数。其物理意义是 单位应变所引

5、起的电阻相对变化单位应变所引起的电阻相对变化，灵敏系数受两，灵敏系数受两 个因素的影响，一个是受力后材料几何尺寸的变个因素的影响，一个是受力后材料几何尺寸的变 化（化（ ）；另一个是，受力后材料的电阻率）；另一个是，受力后材料的电阻率 发生的变化发生的变化( )( )。对于确定的材料，。对于确定的材料，( )( )项项 是常数，其数值在是常数，其数值在 12 12 之间，实验证明之间，实验证明 也是也是 个常数个常数。3.1 3.1 电阻应变片原理电阻应变片原理 （1 1）应变效应）应变效应n ndR/R=KdR/R=K : :表示金属电阻丝在产生应变效应表示金属电阻丝在产生应变效应 时时,

6、,应变应变与电阻变化率是成线性关系与电阻变化率是成线性关系。金属材料：金属材料：K K以前者以前者为为为为主，主，则则则则k k1+21+2=1212 半半 导导导导 体：体：K K值值值值主要是由主要是由电电电电阻率相阻率相对变对变对变对变 化所决定化所决定1 1=1=1 1010-6-6 应变是表征物体受外力作用时产生相对变形大 、小的无量纲物理量。设物体原长为L受力后产生 L的形变，相应的应变为。第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器3.1 3.1 电阻应变片原理电阻应变片原理（2 2）压阻效应和压阻式传感器）压阻效应和压阻式传感器 v 半导体应变片又称压阻式传感器 优点：灵敏度高、耗

7、电少、有正负两种应力效应。 缺点：受温度影响较大。 l 半导体材料的灵敏系数主要由压阻效应引起的电阻 率的变化；灵敏系数远大于金属应变片的灵敏系数。 对半导体 已知受力引起的电阻变化为： 3.1 3.1 电阻应变片原理电阻应变片原理 （3 3）应力）应力用应变片测量应变或应力时用应变片测量应变或应力时, , 根据上述特点根据上述特点, , 在外力作在外力作 用下用下, , 被测对象产生微小机械变形被测对象产生微小机械变形, , 应变片随着发生相同的应变片随着发生相同的 变化变化, , 当测得应变片电阻值变化量当测得应变片电阻值变化量RR时时, , 便可得到被测对便可得到被测对 象的应变值。根据

8、应力与应变的关系象的应变值。根据应力与应变的关系, , 得到应力值得到应力值 为为=E =E 式中式中 : : 试件的应力试件的应力; ; 试件的应变试件的应变; ; E E试件材料的弹性模量。试件材料的弹性模量。横截面积为A的物体（金属丝）受到外力F的作用， 并处于平衡状态时，物体在单位面积上引起的内力称为 应力。则=F/A。3.1 3.1 电阻应变片原理电阻应变片原理 由此可知由此可知, , 应力值应力值 正比于应变正比于应变, , 而试件应变而试件应变 正比于电正比于电 阻值的变化阻值的变化, , 所以应力所以应力 正比于电阻值的变化正比于电阻值的变化, , 这就是利这就是利 用应变片测

9、量应变的基本原理用应变片测量应变的基本原理。弹性敏感弹性敏感 元件元件 应变应变 位移、力、力矩、加速度、压力位移、力、力矩、加速度、压力金属应变片结构金属应变片结构： 敏感栅敏感栅高阻金属丝、金属箔高阻金属丝、金属箔 基片基片绝缘材料绝缘材料 盖片盖片保护层保护层第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 3.2 3.2 应变片的种类、材料及粘贴应变片的种类、材料及粘贴n n主要有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。主要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：丝式、箔式两种。金属电阻应变片：丝式、箔式两种。n n丝式应变片如图所示，它是将金属丝按图示丝式应变片如图所示，它是将金

10、属丝按图示 形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成, ,电阻丝两电阻丝两 端有引出线，使用时只要将应变片贴于弹性体上端有引出线，使用时只要将应变片贴于弹性体上 就可构成应变式传感器。就可构成应变式传感器。第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 3.2 3.2 应变片的种类、材料及粘贴应变片的种类、材料及粘贴a a）丝式）丝式c c）半导体）半导体b b）箔式）箔式第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 3.2 3.2 应变片的种类、材料及粘贴应变片的种类、材料及粘贴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应变灵敏系数

11、大，并在所测应变范围内保持为常 数；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； 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； 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；第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 3.2 3.2 应变片的种类、材料及粘贴应变片的种类、材料及粘贴n n粘贴剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片粘贴剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片 与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需 用粘结剂将应变

12、片基底粘贴在构件表面某个方用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方 向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传 递给应变计的基底和敏感栅。递给应变计的基底和敏感栅。n n常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘 结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯 酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。 无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸 、硼酸盐等。、硼酸盐等。（1 1）应变片的灵敏系数）应变片的灵敏

13、系数 金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝 不同；实验证明，应变片灵敏系数不同；实验证明，应变片灵敏系数K KK K0 0电阻丝灵敏电阻丝灵敏 系数，产品的灵敏系数称系数，产品的灵敏系数称“ “标称灵敏系数标称灵敏系数” ”。第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 3.33.3电阻应变片的特性电阻应变片的特性（2 2）横向效应）横向效应. . 直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同， 但应变不同，园弧部分使灵敏系数但应变不同，园弧部分使灵敏系数KK下降，下降， 这种现象称为这种现象称为横向效应横向效应。 (3

14、).(3).应变计电阻值应变计电阻值R R应变计在未安装也不受外力的情况下应变计在未安装也不受外力的情况下, , 于室温时于室温时 测得的电阻值。这是使用应变计时应知道的一个参测得的电阻值。这是使用应变计时应知道的一个参 数。国内应变计系列习惯上选用数。国内应变计系列习惯上选用6060、120120、 175175、 350350、 500500、 10001000、 15001500。第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 3.33.3电阻应变片的特性电阻应变片的特性可以加大应变片承受电压可以加大应变片承受电压 输出信号大输出信号大敏感栅尺寸也增大敏感栅尺寸也增大电阻值大电阻值大第第3 3

15、章章 应变式传感器应变式传感器 3.33.3电阻应变片的特性电阻应变片的特性第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 3.33.3电阻应变片的特性电阻应变片的特性n n由温度变化而引起应变片电阻的变化为：由温度变化而引起应变片电阻的变化为：（3 3）应变片的温度误差及补偿）应变片的温度误差及补偿 n n折合成附加应变为：折合成附加应变为：第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 3.33.3电阻应变片的特性电阻应变片的特性n n应变片安装在自由膨胀的试件上，如果环境温应变片安装在自由膨胀的试件上，如果环境温 度变化，应变片的电阻也会变化，这种变化叠度变化，应变片的电阻也会变化，这种变化叠 加在测量结果中称加在测量结果中称应变片温度误差。应变片温应变片温 度误差来源有下面几个因素：度误差来源有下面几个因素： n n0 0 应变片本身电阻温度系数影响；应变片本身电阻温度系数影响； n n g g S S试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数 不同所产生的影响不同所产生的影响 n 因环境温度的变化t n 应变片本身的性能参数K0（3 3）应变片的温度误差及补偿）应变片的温度误差及补偿