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1、第2章 电阻应变式传感器,2.1 电阻应变式传感器的工作原理 2.2 电阻应变片的工作原理 2.2.1 金属的应变效应 2.2.2 电阻应变片的结构和工作原理 2.2.3 电阻应变片的横向效应 2.3 电阻应变片的种类、材料和参数 2.3.1 电阻应变片的种类 2.3.2 电阻应变片的材料 2.3.3 应变片的主要参数 2.4 粘合剂和应变片的粘贴技术 2.4.1 粘合剂 2.4.2 应变片粘贴工艺,第2章 电阻应变式传感器,2.5 电阻应变式传感器的温度误差及其补偿 2.5.1 温度误差及其产生原因 2.5.2 温度补偿方法 2.6 电阻应变式传感器的信号调节电路及电阻应变仪 2.6.1 测
2、量电桥的工作原理 2.6.2 电阻应变仪 2.7 电阻应变式传感器 2.7.1 电阻应变式力传感器 2.7.2 应变式传感器的应用,2.1 电阻应变式传感器的工作原理,所谓电阻应变式传感器，就是由于某些物理量的变化引起应变，应变引起电阻变化的一种传感器。电阻应变式传感器主要是由弹性敏感元件和电阻应变片组成。弹性敏感元件的材料是弹性物质，其作用是在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变；而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。,2.2 电阻应变片的工作原理,2.2.1 金
3、属的应变效应 2.2.2 电阻应变片的结构和工作原理 2.2.3 电阻应变片的横向效应,2.2.1 金属的应变效应,根据电阻定律，金属丝的电阻随着它所受的机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生相应的变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。电阻应变片的工作原理就是基于金属的应变效应设计而成的。 金属丝的电阻为什么会随着其应变而变化呢？道理很简单，因为金属丝的电阻(R=L/A)与材料的电阻率()及其几何尺寸(长度L和截面积A)有关，而金属丝在承受机械变形的过程中，这三种物理量都要发生变化，因而引起金属丝的电阻变化。,2.2.2 电阻应变片的结构和工作原理,1.应变片的结构 2.应变片的特性 3.应变片的
4、测试原理,1.应变片的结构,图2-1 电阻丝应变片的基本结构 1基底 2电阻丝 3覆盖面 4引线,2.应变片的特性,图2-2 金属导线受力变形情况,3.应变片的测试原理,用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于对象上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。,2.2.3 电阻应变片的横向效应,直线金属丝受单向力拉伸时，在任一微段上所感受的应变都是相同的，而且每段都是伸长的，因而每一段电阻都将增加，金属丝总电阻的增加为各微段电阻增加的总和。,2.3 电阻应变片的种类、材料和参数,2.3.1 电阻应变片的种类 2.
5、3.2 电阻应变片的材料 2.3.3 应变片的主要参数,2.3.1 电阻应变片的种类,1.丝式应变片 2.箔式应变片 3.薄膜应变片 4.半导体应变片,1.丝式应变片,(1) 回线式应变片 (2) 短接式应变片,(1) 回线式应变片,图2-3 回线式应变片,(2) 短接式应变片,图2-4 短接式应变片,2.箔式应变片,1) 制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制成任意形状以适应不同的测量要求。 2) 敏感栅截面为矩形，其表面积对截面积之比远较圆断面的为大，故粘合面积大。 3) 敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能好。 4) 散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而最大输出信号。
6、5) 敏感栅弯头横向效应可以忽略。 6) 蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。,3.薄膜应变片,图2-5 应变片 a) 薄膜应变片 b) 半导体应变片的结构形式,4.半导体应变片,半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的电阻率随作用应力而变化的所谓“压阻效应”。所有材料在某种程度都呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别显著，能直接反映出很小的应变。 常见的半导体应变片采用锗和硅等半导体材料作为敏感栅，一般为单根状，如图2-5b所示。根据压阻效应，半导体和金属丝一样可以把应变转换为电阻的变化。,2.3.2 电阻应变片的材料,1.敏感栅材料 2.应变片基底材料 3.引线材料,1.敏感栅材料,1) 灵
7、敏系数KS和电阻率要尽可能高而稳定，电阻变化率R/R与机械应变x之间应具有良好而宽广的线性关系，即要求KS在很大范围内为常数。 2) 电阻温度系数小，电阻-温度间的线性关系和重复性好。 3) 机械强度高，辗压及焊接性能好，与其他金属之间接触热电动势小。 4) 抗氧化、耐腐蚀性能强，无明显机械滞后。,2.应变片基底材料,应变片基底材料有纸和聚合物两大类，纸基逐渐被胶基(有机聚合物)取代，因为胶基各方面性能都好于纸基。胶基是由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成的胶膜，厚约0.030.05mm。 对基底材料性能有如下要求：机械强度高，绕性好；粘贴性能好；电绝缘性能好；热稳定性和抗湿性好；无滞后和蠕变
8、。,3.引线材料,康铜丝敏感栅应变片的引线采用直径为0.050.18mm的银铜丝，与敏感栅点焊相接。 其他类型敏感栅，多采用直径与上述相对的镍铬、卡玛、铁铬铝合金金属丝或扁带作为引线，与敏感栅点焊相接。,2.3.3 应变片的主要参数,1.应变片电阻值R0 2.绝缘电阻 3.灵敏系数K 4.允许电流 5.应变极限 6.机械滞后、零漂和蠕变,1.应变片电阻值R0,应变片电阻值R0是指未安装的应变片在不受外力的情况下，于室温条件下测定的电阻值，也称原始阻值，单位为。应变片电阻值已趋于标准化，有60、120、350、600和1000各种阻值，其中120最为常用。,2.绝缘电阻,绝缘电阻即敏感栅与基底间
9、的电阻值，一般应大于1010。,3.灵敏系数K,灵敏系数K是指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。K值的准确性将直接影响测量精度，其误差大小是衡量应变片质量优劣的主要标志，同时要求K值尽量大而稳定,4.允许电流,允许电流是指不因电流产生热量影响测量精度，应变片允许通过的最大电流。它与应变片本身、试件、粘合剂和环境等有关，要根据应变片的阻值并结合电路具体情况计算。为保证测量精度，在静态测量时，允许电流一般为25mA；在动态测量时，允许电流可达75100mA。应变片参数的等级及其偏差见表2-2。,5.应变极限,应变片的应
10、变极限是指在温度一定时，指示应变值和真实应变值的相对差值不超过一定数值时的最大真实应变数值，一般差值规定为10%，当指定应变值大于真实应变值的10%时，真实应变值称为应变片的极限应变。,6.机械滞后、零漂和蠕变,应变片的机械滞后是指对粘贴的应变片，在温度一定时，增加和减少机械应变过程中同一机械应变量下指示应变值的最大差值。,2.4 粘合剂和应变片的粘贴技术,2.4.1 粘合剂 2.4.2 应变片粘贴工艺,2.4.1 粘合剂,电阻应变片工作时，总是被粘贴到试件上或传感器的弹性元件上。在测试被测量时，粘合剂所形成的胶层起着非常重要的作用，它应准确无误地将试件或弹性元件的应变传递到应变片的敏感栅上去
11、。所以粘合剂和粘贴技术对于测量结果有直接影响，不能忽视它们的作用。,2.4.2 应变片粘贴工艺,1.应变片检测 2.修整应变片 3.试件表面处理 4.划粘贴应变片的定位线 5.粘贴应变片 6.粘合剂的固化处理 7.应变片粘贴质量的检查 8.引出线的固有保护 9.应变片的防潮处理,1.应变片检测,(1) 外观检查 (2) 电阻值检测,(1) 外观检查,线栅或箔栅的排列是否整齐均匀，是否有造成短路、断路的部位或有锈蚀斑痕；引出线焊接是否牢固；上下基底是否有破损部位。,(2) 电阻值检测,对经过外观检查合格的应变片，要逐个进行电阻值测量，其值要求准确到0.05，电桥桥臂用的应变片电阻值应尽量相同。,
12、2.修整应变片,1) 对没有标出中心线标记的应变片，应在其上基底上标出中心线。 2) 若有需要，应对应变片的长度和宽度进行修整，但修整后的应变片不可小于规定的最小长度和宽度。 3) 对基底较光滑的胶底应变片，可用细砂布将基底轻轻地稍许打磨，并用溶剂洗净。,3.试件表面处理,为了使应变片牢固地粘贴在试件表面上，必须使将要贴应变片的试件表面部分平整光洁，无油漆、锈斑、氧化层、油污和灰尘等。,4.划粘贴应变片的定位线,为了保证应变片粘贴位置的准确，可用画笔在试件表面划出定位线。粘贴时应使应变片的中心线与定位线对准。,5.粘贴应变片,在处理好的粘贴位置上和应变片基底上，各涂抹一层薄薄的粘合剂，稍待一段
13、时间(视粘合剂种类而定)，然后将应变片粘贴到预定位置上。在应变片上面放一层玻璃纸或一层透明的塑料薄膜，然后用手滚压挤出多余的粘合剂，使粘合剂层的厚度尽量减薄。,6.粘合剂的固化处理,对粘贴好的应变片，依粘合剂固化处理。,7.应变片粘贴质量的检查,(1) 外观检查 (2) 电阻值检测 (3) 绝缘电阻值检测,(1) 外观检查,最好用放大镜观察粘合层是否有气泡，整个应变片是否全部粘贴牢固，有无造成短路、断路等危险的部位，还要观察应变片的位置是否正确。,(2) 电阻值检测,应变片的电阻值在粘贴前后不应有较大的变化,(3) 绝缘电阻值检测,应变片电阻丝与试件之间的绝缘电阻值一般应大于200M。用于检测
14、绝缘电阻值的绝缘电阻表，其电压一般不应高于250V，而且检测通电时间不宜过长，以防应变片击穿。,8.引出线的固有保护,粘贴好的应变片引出线与测量用导线焊接在一起，为了防止应变片电阻丝和引出线被拉断，用胶布将导线固定于试件表面，但固定时要考虑使引出线有呈弯曲性的余量和引出线与试件之间的良好绝缘。,9.应变片的防潮处理,应变片粘贴好固化以后，要进行防潮处理，以免潮湿引起绝缘电阻和粘合强度降低，影响测试精度。,2.5 电阻应变式传感器的温度误差及其补偿,2.5.1 温度误差及其产生原因 2.5.2 温度补偿方法,2.5.1 温度误差及其产生原因,应变片由于温度变化所引起的电阻变化与试件(弹性敏感元件
15、)应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，如果不采取必要的措施克服温度的影响，测量精度将无法保证。下面分析一下温度误差产生的原因。,2.5.2 温度补偿方法,1.桥路补偿法 2.应变片自补偿法 3.热敏电阻补偿法,1.桥路补偿法,桥路补偿法也称补偿片法。应变片通常是作为平衡电桥的一个臂测量应变的，图2-6中R1为工作片，R2为补偿片。工作片R1粘贴在试件上需要测量应变的地方，补偿片R2粘贴在一块不受力的与试件相同材料上，这块材料自由地放在试件上或其附近，如图2-6b所示。当温度发生变化时，工作片R1和补偿片R2的电阻都发生变化，而它们的温度变化相同，R1和R2为同类应变片，又粘贴在相同的材料上
16、，因此R1和R2分别接入电桥的相邻两桥臂，则因温度变化引起的电阻变化R1和R2的作用相互抵消，这样就起到了温度补偿的作用。,2.应变片自补偿法,1) 选择式自补偿应变片 2) 双金属敏感栅自补偿应变片,图2-7 双金属丝栅法,图2-8 热敏电阻补偿法,3.热敏电阻补偿法,如图2-8所示，图中的热敏电阻RT处在与应变片相同的温度条件下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻RT的阻值也下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥的输出，补偿因应变片引起的输出下降。选择分流电阻R5的值，可以得到良好的补偿。,2.6 电阻应变式传感器的信号调节电路及电阻应变仪,2.6.1 测量电桥的工作原理 2.6.2 电阻应变仪,2.6.1 测量电桥的工作原理,1.平衡电桥的工作原理 2.不平衡电桥的工作原理 3.电桥电路的非线性误差及其补偿,1.平衡电桥的工作原理,图2-9 直流电桥,2.不平衡电桥的工作原理,1) 电桥的电压灵敏度正比于电桥的供电电压，电桥的供电电压愈高，电压灵敏度愈高。 2) 电桥的电压灵敏度是桥臂电阻比值n的
