第二章应变式传感器

第二章应变式传感器［教学目的］掌握电阻应变片应变原理，金属应变片的主要特性［教学重点］掌握电阻应变计的基本原理与结构；灵敏度的概念；应变式传感器主要特性、温度补偿方法［教学难点］应变片的结构，灵敏度的概念［教学方法及手段］多媒体课堂教学［课外作业］［学时分配］2［教学内容］电阻应变片原理，结构，金属应变片的主要特性，工作原理，应变效应等。［自学内容］2.1电阻应变式传感器2.2.1电阻应变计的基本原理结构和应用(一)工作原理电阻—应变效应SLR求R的全微分得：SSLLRR式中LL是长度相对变化，即应变金属丝的变形有：LLrrSS22式中：泊松比，μ为电阻丝材料的泊松比（与材料有关，μ=-径向应变/轴向应变），负号表示应变方向相反;也叫横向变形系数，反映材料横向变形的弹性常数。对于钢285.0故：)21(RR(2—1)灵敏度系数21RRkK-----标志着该类丝材电阻应变片应变效应显著与否。ε为测点处应变，为无量纲的量，但习惯上仍给以单位微应变，常用符号με表示。K受两个因素影响：1+2μ------材料几何尺寸（dρ/ρ）/ε-------材料的电阻率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。a.金属材料的应变电阻效应1+2μ＞＞(∆ρ/ρ)/ε以结构尺寸变化为主，对金属或合金,一般Km=1.8～4.8(2—2)图2—1应变效应原理图)21(RdR金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。b.半导体材料的压阻效应-------半导体材料，当某一轴向受外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。(2—3)式中：π——半导体材料的压阻系数;σ——半导体材料的所受应力;E——半导体材料的弹性模量;ε——半导体材料的应变。半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。通常Ks=50~80Km2.1.2电阻应变计的类型与结构1.分类：常用的电阻应变计有两种：丝式：有回线式和短接式二种。回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，但横向效应较大。金属箔式:横向部分可以做成比较宽的栅条，使横向效应较小;箔栅很薄，能较好地反映构件表面的变形，因而测量精度较高；栅的尺寸准确、一致性好、适于大批量生产，易于小型化、易散热、疲劳寿命高等。半导体应变计:灵敏度高，体积小，省电，滞后小，可测静态应变、低频应变。由单晶半导体经切型、切条、光刻腐蚀成形，但重复性、温度及时间稳定性差。2.结构金属电阻应变片的结构，如图2—2所示，则敏感栅,基底,盖片,引线和粘结剂组成。2—2应变片的结构敏感栅：合金丝或合金箔制成的栅。尺寸用栅长L和栅宽B表示，是电阻应变计的核心组成部分。灵敏系数大都在2.0~4.0间，常用的金属敏感栅材料主要有铜镍合金、镍铬合金、镍钼合金、铁基合金、铂基合金、钯基合金等;以半导体材料为敏感栅(硅、锗等半导体材料)的电阻应变计的灵敏系数大都在150左右引线：应具有低和稳定的电阻率以及小的电阻温度系数(直径取约0.1～0.15mm)。常温应变计，紫铜引线的表面镀锡。中温应变计、高温应变计紫铜引线的表面镀银、镀镍、镀不锈钢，或者采用银、镍铬（或改Ed良型）、镍、铁铬铝、铂或铂钨等。2.1.3、电阻应变计的应用1、应变计的选用（1）选择类型——使用目的、要求、对象、环境等（2）材料考虑——使用温度、时间、最大应变量及精度（3）阻值选择——根据测量电路和仪器选定标称电阻（4）尺寸考虑——试件表面、应力分布、粘贴面积（5）其他考虑——特殊用途、恶劣环境、高精度2、应变计的使用（1）粘结剂的选择通常在室温工作的应变片多采用常温、指压固化条件的粘结剂如聚脂树脂、环氧树脂类。（2）应变计的粘贴（录像）①准备——试件和应变片；②涂胶；③贴片；④复查；⑤接线；⑥防护。2.2金属电阻应变片的主要特性1.应变片的电阻值(R0)60,120,350,600,1000Ω等各种规格.2.绝缘电阻敏感栅与基底之间电阻值.3.灵敏系数(K)4.允许电流静态测量时，允许电流一般为25mA；动态测量时，允许电流可达75～100mA；5.横向效应与横向灵敏系数图2—3横向效应将应变片粘贴在受单向拉伸应力试件时，其电阻相对变化可表示为ggxxKKRR(2—4)当εg=0时，可得轴向灵敏系数xxxRRK)((2—5)当εg=0时，可得横向灵敏系数gggRRK)((2—6)横向灵敏系数与轴向灵敏系数的比值称为横向效应系数H，H=Kg/Kx由此可写为gxxHKRR(2—7)6.机械滞后如图2—4所示；其最大差值Δεm称为应变片的机械滞后值。7.应变极限指示应变εm与受力试件的真实应变εi的相对误差达到规定值（一般为10%）时的真实应变εj（图2—5）图2—4机械滞后图2—5应变极限8.零漂和蠕变9.动态特性受力试件内的应变波为阶跃变化时(图2—6（a）)，应变片对其响应如图2—7（b）（理论响应）和图2—6（c）（实际响应）所示。响应特性用上升时间tr表示tr=0.8l/v图2—6动态特性受力试件内的应变波为正弦变化时，考虑应变波峰值处应变片的响应情况如图2—8（a）所示。图2—7应变波沿试件内传播的应变波为ε=ε0sin(2πx/λ)应变片响应的应变（平均应变）εp为/2cos/2cos2/2sin120012021xxlxxdxxxxp/sin000ll(2—8)应变波幅值测量的相对误差1/sin0000llp(2—9)当n=λ/l0=10～20时，δ=1.6%～0.4%δ2%时，应变片的响应频率0201101lf