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1、第五章 力传感器,第二节 电阻应变片式力传感器,一、电阻应变片的工作原理,电阻应变片的典型结构如图所示。,金属电阻应变片结构 1-引线；2-覆盖层；3-基片；4-电阻丝式敏感栅,把应变片粘贴于所需测量变形物体表面，敏感栅随被测体表面变形而使电阻值改变，测量电阻的变化量可得知变形大小。由于应变片具有体积小、使用简便、测量灵敏度高，可进行动、静态测量，精度负荷要求，因此广泛应用于力、压力、力矩、位移等物理量的测量。 电阻应变片式传感器是利用了金属盒半导体材料的“应变效应”。金属盒半导体材料的电阻值随它承受机械变形大小而发生变化的现象称为“应变效应”。,一、电阻应变片的工作原理,二、应变片的结构类型
2、、形式,1.应变片的结构类型 常用的电阻应变片有两大类，即金属电阻应变片和半导体应变片。前者可分为金属丝式、箔式、薄膜式三种。如图所示为几种不同类型的电阻应变片示意图。,电阻应变片示意图,二、应变片的结构类型、形式,2.电阻应变片的主要参数 （1）应变片的电阻值（R0） （2）绝缘电阻值（R） （3）灵敏度系数（K） （4）机械滞后 （5）允许电流 （6）应变极限 （7）零漂和蠕变,二、应变片的结构类型、形式,3.应变片的粘贴工艺 应变片是通过粘合剂粘贴在试件上，粘贴质量直接影响应变测量的精度，必须十分注意。应变片的粘贴工艺如下： （1）应变片的检查与选择 首先要对采用的应变片进行外观检查，观
3、察应变片的敏感栅是否整齐、均匀，是否有锈斑及短路和折弯等现象；其次要对选用的应变片的阻值进行测量，阻值选取合适将对传感器的平衡调整带来方便。,二、应变片的结构类型、形式,（2）试件的表面处理 为了获得良好的黏合强度，必须对试件表面进行处理，清除试件表面杂质、油污及疏松层等。一般的处理办法可采用砂纸打磨，较好的处理方法是采用无油喷砂法，这样不但能得到比抛光更大的面积，而且可以获得质量均匀的结构。为了表面的清洁，可用化学清洗剂（如氯化碳、丙酮、甲苯等）进行反复清洗，也可采用超声波清洗。值得注意的是，为了避免氧化，应变片的粘贴应尽快进行。如果不立刻贴片，可涂上一层凡士林暂作保护。,二、应变片的结构类
4、型、形式,（3）底层处理 为了保证应变片能牢固的贴在试件上，并具有足够的绝缘电阻，改善胶接性能，可在粘贴位置涂上一层底胶。 （4）贴片 在应变片上标出敏感栅的纵、横向中心线，在试件上按照测量要求画出中心线。要求精密时可用光学投影的方法来确定位置。确定好位置后，将应变片对准划线位置迅速贴上，然后盖一层玻璃纸，用手指或胶辊加压，挤出气泡及多余的胶水，保证胶层尽可能薄且均匀，加压时注意防止应变片错位。,二、应变片的结构类型、形式,（5）固化 黏合剂的固化是否完全，直接影响到胶的物理学性能。关键是要掌握好温度、时间和循环周期。无论是自然干燥还是加热固化，都要严格按照工业规范进行。为了防止强度降低、绝缘
5、破坏及电化腐蚀，在固化后的应变片应涂上防潮保护层，防潮层一般可采用稀释的黏合胶。,二、应变片的结构类型、形式,（6）粘贴质量检查 首先从外观上检查粘贴位置是否正确，黏合层是否有气泡、漏黏、破损等；然后是测量应变片敏感栅是否有断路或短路现象以及测量敏感栅的绝缘电阻。 （7）引线焊接与组桥连线 检查合格后即可焊接引出导线，引线应适当加以固定。应变片之间通过粗细合适的漆包线连接组成桥路。连接长度应尽量一致，且不宜过多。,三、测量转换电路及应用,1.电阻应变片式传感器的测量电路 电阻应变片式传感器应变电阻的变化是及其微弱的，通常采用惠斯通电桥电路进行测量，将电阻相对变化R/R转换为电压或电流的变化，再
6、用测量仪表或电阻应变式传感器专用测量电路便可以简单方便地进行测量。,惠斯通电桥电路,三、测量转换电路及应用,在测量电路中，应变片接入电桥可以有以下几种形式： （1）单臂半桥电路 如图所示，R1为应变片，其余各桥臂电阻为固定电阻，称为单臂半桥电桥电路。,单臂半桥电桥电路,三、测量转换电路及应用,（2）双臂半桥电桥电路 如图所示，在电桥中接入了两片应变片，其余桥臂为固定电阻，称为双臂半桥电桥电路。这种电路可以有两种接入方式。,双臂半桥电桥电路 a)接入方式1 b)接入方式2,三、测量转换电路及应用,（3）全桥电路 电桥的四壁全部接入应变片称为全桥电路。若四片应变片完全相同，如图所示，其中R1、R4
7、感应正应变；R2、R3感应负应变。这种情况下，应变所产生的输出电压是单臂电桥应变片所产生电压的4倍，灵敏度最高。此时应变片的温度误差和非线性误差相互抵消，测量精度较高。,全桥电桥电路,三、测量转换电路及应用,2.电阻应变片式传感器的应用 电阻应变片式传感器的使用方法有两种：一是将应变片直接粘贴于被测构件上，用来测定构件的应变或应力（如为了测量或验证机械、桥梁、建筑等某些机构在工作状态下的应力、变性等情况，将形状不同的应变片粘贴在构件的预测部位，测得构件的拉力、压力、扭矩或弯曲等，为结构的设计、应力的校核或构件破坏的预测提供可靠的实验数据）；二是将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器的敏感元件，这种传感器可以用来测量力、位移、加速度等物理参数，在这种情况下，弹性元件将被测物理量转换为成正比变化的应变，再通过应变片转换为电阻变化输出。,三、测量转换电路及应用,（1）吊钩的应力测量 为了测量、控制起重设备吊运货物的质量，通常采用在吊钩的圆柱壁上粘贴应变片的方法，检测起吊质量，如图所示。,吊钩的应力测量,三、测量转换电路及应用,应变式传感器典型测量电路,三、测量转换电路及应用,（2）电子秤 电子秤主要由称重传感器，如图所示由应变片和应变梁及引线，放大电路、A/D转换电路、显示或控制电路组成。,电子秤,电子秤原理框图,
