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1、第二章 电阻应变式传感器,2.1 工作原理 2.2 应变片的种类、 材料及粘贴 2.3 电阻应变片的特性 2.4 电阻应变片的测量电路 2.5 应变式传感器的应用,2.1 工 作原理,电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。（1856年W. Thomson 发现） 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,（2-1）,电阻式传感器,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器, 按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式.,1 变阻器式传感器,等效电路分
2、析:,x,L,L-变阻器总长; x-电刷移动量. R-总电阻; RL电刷电阻;,R=K*l,x=L*E1 / E,电阻式传感器,电阻式传感器,电阻式传感器,(2) 变阻器式传感器的性能参数: 1)线性(或曲线的一致性); 4)移动或旋转角度范围; 2) 分辨率; 5)电阻温度系数; 3)整个电阻值的偏差; 6)寿命;,(3)变阻器式传感器的分类,电阻式传感器,按测量类型：,单圈电位器,多圈电位器,直线滑动式电位器,按制作方式：,线绕电位器,10,式中： 电阻丝的电阻率； l电阻丝的长度； A电阻丝的截面积。,图2-1 金属电阻丝应变效应,11,当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长l，横截面积相应
3、减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了d，从而引起电阻值相对变化量为,（2-2）,式中：dl/l长度相对变化量，用应变表示为,（2-3）,12,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,（2-4）,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， 令dl/l=为金属电阻丝的轴向应变，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为,式中, 为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。,（2-5）,13,或,（2-7）,通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达
4、式为,（2-8）,14,灵敏系数K受两个因素影响：一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2；另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即（d/）/。对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2的值要比(d/)/大得多，而半导体材料的(d/)/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。 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。压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时， 其电阻率发生变化的现象。,15,当半导体应变片受轴向力作用时， 其电阻相对变化为,（2-9）,式中d/为半导体应变片的电阻率
5、相对变化量，其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为,（2-10）,16,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。 将式（2-10）代入式（2-9）中得,（2-11）,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,17,（2-12）,半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高5080倍， 但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重， 使它的应用范围受到一定的限制。 用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，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
6、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,（2-13）,18,2.2 应变片的种类、材料及粘贴,2.2.1 金属电阻应变片的种类,图2-2 金属电阻应变片的结构,2 电阻应变式传感器-应变片,电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。,电阻式传感器,应变计,电阻式传感器,金属应变计,电阻式传感器,3) 应变片测量电路,电阻式传感器,令：,金属丝应变片：,V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变,电阻式传感器,电阻应变片的
7、选择、粘贴技术,1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。,2.用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于0.5欧姆.,3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。,4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。,电阻式传感器,5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。,6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于500M欧。,7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。,25,敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上
8、，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有丝式和箔式两种形式，如图2-3所示。丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径0.010.05mm的电阻丝平行排列而成。箔式金属电阻应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅， 其厚度一般为0.0030.01mm，可制成各种形状的敏感栅（即应变花），其优点是表面积和截面积之比大，散热性能好，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。覆盖层与基片将敏感栅紧密地粘贴在中间，对敏感栅起几何形状固定和绝缘、保护作用，基片要将被测体的应变准确地传递到敏感栅上，因此它很薄，一般为0.030.06mm,使它与被测体及敏感
9、栅能牢固地粘合在一起，此外它还应有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性能。基片和覆盖层的材料有胶膜、纸、玻璃纤维布等。,26,图2-3 常用应变片的形式,27,2.2.2 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。,28,表2-1 常用金属电阻丝材料的性能,29,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
10、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。,30,2.2.3 金属电阻应变片的粘贴 应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。粘结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测件应变传递到敏感栅上。选择粘结剂时必须考虑应变片材料和被测件材料性能，不仅要求粘接力强，粘结后机械性能可靠，而且粘合层要有足够大的剪切弹性模量， 良好的电绝缘性，蠕变和滞后小，耐湿，耐油，耐老化，动态应力测量时耐疲劳等。 还要考虑到应变片的工作条件，如温度、相
11、对湿度、稳定性要求以及贴片固化时加热加压的可能性等。,31,常用的粘结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙稀酸型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等。 粘贴工艺包括被测件粘贴表面处理、贴片位置确定、涂底胶、 贴片、干燥固化、贴片质量检查、引线的焊接与固定以及防护与屏蔽等。粘结剂的性能及应变片的粘贴质量直接影响应变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数、线性以及它们受温度变化影响的程度。可见，选择粘结剂和正确的粘结工艺与应变片的测量精度有着极重要的关系。,32,2.3 电阻应变片的特性,2.3.1 弹性敏感元件及其基本特性 物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形， 而当外力去掉后物体又
12、能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。 弹性元件在应变片测量技术中占有极其重要的地位。它首先把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移，然后传递给粘贴在弹性元件上的应变片，通过应变片将力、力矩或压力转换成相应的电阻值。 弹性元件的基本特性有：,33,1. 刚度 刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，其定义是弹性元件单位变形下所需要的力，用C表示，其数学表达式为,(2-14),式中: F作用在弹性元件上的外力，单位为牛顿（N）； x弹性元件所产生的变形，单位为毫米（mm）。,34,刚度也可以从弹性特性曲线上求得。图2-4中弹性特性曲线1上A点的刚
13、度，可通过A点作曲线1的切线，该切线与水平夹角的正切就代表该弹性元件在A点处的刚度，即tan=dF/dx。若弹性元件的特性是线性的，则其刚度是一个常数，即tan=F/x=常数，如图3 - 4中的直线2所示。,35,图2- 4 弹性特性曲线,36,2. 灵敏度 通常用刚度的倒数来表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度，一般用S表示，其表达式为,从式（2-15）可以看出，灵敏度就是单位力作用下弹性元件产生变形的大小，灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。与刚度相似，如果弹性特性是线性的，则灵敏度为一常数，若弹性特性是非线性的，则灵敏度为一变数，即表示此弹性元件在弹性变形范围内，各处由单位力产生的变形
14、大小是不同的。,(2-15),37,表2-2 常用弹性元件的结构和特性,38,表2-2 常用弹性元件的结构和特性,39,通常使用的弹性元件的材料为合金钢（40Cr， 35CrMnSiA等）、铍青铜（Qbe2，QBr2.5等）、 不锈钢（1Cr18Ni9Ti等）。 传感器中弹性元件的输入量是力或压力， 输出量是应变或位移。在力的变换中，弹性敏感元件通常有实心或空心圆柱体、 等截面圆环、等截面或等强度悬臂梁等；变换压力的弹性敏感元件有弹簧管、膜片、膜盒、薄臂圆桶等。,40,2.3.2 灵敏系数 当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻
15、相对变化R/R。理论和实验表明，在一定应变范围内R/R与t的关系满足下式：,式中， t为应变片的轴向应变。,（2-16）,定义K=(R/R)/t为应变片的灵敏系数。它表示安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化(R/R)与其单向应力引起的试件表面轴向应变(t)之比。,41,必须指出：应变片的灵敏系数K并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数K0，一般情况下，KK0, 这是因为，在单向应力产生应变时，K除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。应变片的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。因此，K值通常采用从批量生产中每批抽样，
16、在规定条件下，通过实测来确定， 应变片的灵敏系数称为标称灵敏系数。上述规定条件的是： 试件材料取泊松比0=0.285的钢材； 试件单向受力； 应变片轴向与主应力方向一致。,42,图2-5 应变片轴向受力及横向效应 （a） 应变片及轴向受力图； （b） 应变片的横向效应图,43,2.3.3 横向效应 当将图2-5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的直线段和直线段端部的n-1个半径为r的半圆圆弧或直线组成，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，其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，应变状态相同，但由于应变片敏感栅的电阻变化减小，因而其灵
