第4章_应变式传感器

第4章应变式传感器主要内容：4.1应变式工作原理应变片的种类、材料及粘贴4.2电阻应变片的特性4.3电阻应变片的测量电路4.4应变式传感器应用第4章应变式传感器返回主目录电阻应变式传感器：机械变形→电阻应变片形变→电阻变化→电量输出；电量变化的大小反映了被测物理量的大小；构成：弹性元件上＋电阻应变敏感元件；主要应用：测量力、力矩、压力、加速度、重量等。第4章应变式传感器第4章应变式传感器第4章应变式传感器4.1工作原理一、应变效应：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的现象，称应变效应。如图4-1所示，金属电阻丝不受力时，电阻值为：AlR.（4-1）式中：ρ——电阻丝的电阻率;L——电阻丝的长度;A——电阻丝的截面积。当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长ΔL，横截面积相应减小ΔS，电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ，故电阻值发生变化。对式（4-1）全微分并化简、整理，得电阻值相对变化量为：)24(dAdAldlRdR4－1第4章应变式传感器式中：dl/l——长度相对变化量,用应变ε表示：34ldldA/A——电阻丝的截面积相对变化量，有：)44(2rdrAdA金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,由材料力学可知,在弹性范围内,轴向应变和径向应变有如下关系：)54(ldlrdr式中：μ——金属丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。将式（4－3）、式（4－4）、式（4－5）代入式（4－2）,得：6)(4)21(dRdR或：)74()21(dRdR)84(21dRdRK金属丝的灵敏度系数：单位应变能引起的电阻值变化。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量,其表达式为注意：影响灵敏度系数的两个因素：几何尺寸的变化,即（1+2μ）；电阻率发生的变化,即（dρ/ρ）/ε。对金属材料电阻丝：（1+2μ）（（dρ/ρ）/ε）；半导体材料：（（dρ/ρ）/ε）（1+2μ）。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。第4章应变式传感器二、压阻效应当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象，称压阻效应。表达式为：注意：•半导体应变片的灵敏度系数比金属丝式高50～80倍；•半导体材料温度系数大，应变时非线性严重；)94()21(dRdR式中：（dρ/ρ）——电阻率相对变化量；和所受的轴向力有关，由材料力学可知：)104(Ed式中:σ——半导体的应力;π——半导体的压阻系数;ε——半导体的应变;E——半导体材料的弹性模量。于是：式（3－9）转化为：)114()21(ERdR对半导体应变片来说，πE（1+2μ），故其灵敏系数为：)124(ERdRK相应的应力值σ为：)134(E第4章应变式传感器应变片的种类、材料及粘贴一、电阻应变片的种类及性能参数半导体应变片薄膜式箔式丝式金属应变片2.组成：敏感栅、基片、覆盖层和引线。如图4-2所示。1.种类：3.特点：各有不同特点。4－2第4章应变式传感器金属箔式应变片：在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。箔式应变片第4章应变式传感器第4章应变式传感器优点：（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求，（2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅（3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。（4）横向效应可以忽略。（5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。缺点：电阻值的分散性大。第4章应变式传感器金属薄膜应变片采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产。优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，可靠性高，精度高，易小型化，无迟滞、蠕变，工作范围广，易实现工业化生产。问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系。第4章应变式传感器第4章应变式传感器第4章应变式传感器应变片电阻值：在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的。电阻系列：60、120、200、350、500、1000Ω电阻值大：可以加大应变片承受电压；输出信号大；敏感栅尺寸也增大；第4章应变式传感器电阻应变片性能参数：第4章应变式传感器二、金属电阻应变片的材料材料的要求：如下表所示(1)灵敏系数大，且很大范围内保持常数；(2)ρ值大；(3)电阻温度系数小，电阻—温度间的线性关系和重复性好；(4)机械强度高，焊接性能好，与其他金属之间接触热电势小；(5)抗氧化、耐腐蚀性能强，无明显机械滞后。第4章应变式传感器三、金属电阻应变片的粘贴1.对粘结剂的要求：①有一定的粘结强度；②能准确传递应变；蠕变小；机械滞后小；③耐疲劳性能好，韧性好；长期稳定性好；④对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用；⑤较大的使用温度范围。2.应变片粘贴工艺：①应变片检查：外观、电阻值、灵敏系数和横向灵敏度等。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：压挤出多余的粘合剂，粘合剂层的厚度尽量减薄。⑥粘合剂的固化处理⑦应变片粘贴质量的检查：外观检查、电阻值检查、绝缘电阻检查、⑧引出线的固定保护：引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。第4章应变式传感器一、横向效应应变片粘贴在被测试件上时图4-3所示。敏感栅：n条长度为l1的直线段，（n-1）个半径为r的半圆组成。受轴向拉力时，各直线段应变εx，半圆弧段应变：+εx～－μεx即：圆弧段电阻的变化轴向的同样长度电阻丝电阻的变化。结论：直的电阻丝绕成敏感栅后,虽然长度不变,应变状态相同,但应变片敏感栅的电阻变化减小,因而其灵敏系数K比电阻丝的灵敏系数K0小,这种现象称为应变片的横向效应。4.2电阻应变片的特性注意：实际使用条件和标定条件不同时，如μ≠0.285或受非单向应力状态，由于横向效应的影响,实际K值要改变，如仍按标称灵敏系数来进行计算,可能造成较大误差。应进行必要的修正，现在多采用箔式应变片。4－3第4章应变式传感器二、1.应变片的温度误差因测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。误差的主要因素：电阻温度系数的影响，线胀系数的影响；⑴电阻温度系数的影响敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系为：Rt=R0（1+α0Δt）(4-14)式中:Rt——温度为t℃时的电阻值;R0——温度为t0℃时的电阻值;α0——金属丝的电阻温度系数;Δt——温度变化值,Δt=t－t0。当温度变化Δt时,电阻丝电阻的变化值为ΔRα=Rt－R0=R0α0Δt（4-15）第4章应变式传感器⑵线膨胀系数的影响当环境温度变化时，试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同：不会产生附加变形；试件和电阻丝线膨胀系数不同：电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻。设：电阻丝和试件在温度为0℃时的长度均为L0，它们的线膨胀系数分别为βs和βg；若两者不粘贴，则它们的长度分别为：Ls=L0（1+βsΔt）（4-16）Lg=L0（1+βgΔt）（4-17）粘贴在一起，电阻丝产生的附加变形ΔL，附加应变εβ和附加电阻变化ΔRβ分别为ΔL=Lg－Ls=（βg－βs）L0Δt(4-18)εβ=ΔL/L0=（βg－βs）Δt(4-19)ΔRβ=K0R0εβ=K0R0(βg－βs)Δt(4-20)第4章应变式传感器由式（4-15）和式（4-20）,可得由于温度变化而引起应变片总电阻相对变化量为tKKRRsgt)]([0000tKtsg)(00tKsg)]([00折合成附加应变量（虚假的应变）εt，有00RRRRR(4-21)(4-22)结论：•环境温度变化，会产生附加误差；•所引起的附加电阻的相对变化量，不但与环境温度有关，还与应变片自身的性能参数（K0，α0，βs）以及被测试件线膨胀系数βg有关。第4章应变式传感器2.电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法：线路补偿法，应变片自补偿。⑴线路补偿法电桥补偿：最常用，效果较好。图4－4所示是电桥补偿法的原理图。4－4第4章应变式传感器电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为：Uo=A（R1R4－RBR3）（4-23）式中：A——由桥臂电阻和电源电压决定的常数；R1——工作应变片；RB——补偿应变片补偿原理：当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压U0的作用方向相反。补偿过程：▲工作应变片R1粘贴在被测试件表面上,补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，仅工作应变片承受应变。如图4－4所示。▲被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t℃的温度场中，调整电桥参数，使之达到平衡，则Uo=A（R1R4－RBR3）=0（4–24）通常取：R1=RB=R3=R4。当温度变化Δt=t－t0时，R1和RB因温度而引起的电阻变化量相等,电桥仍平衡，即Uo=A［(R1+ΔR1t)R4－(RB+ΔRBt)R3］=0(4－25)▲被测试件有应变ε时，则R1新的增量ΔR1=R1Kε；RB不承受应变，无新的增量。于是电桥输出电压为：Uo=AR1R4Kε（4-26）结论：电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变ε有关，而与环境温度无关。第4章应变式传感器注意，实现完全补偿必须满足四个条件：①在应变片工作过程中，保证R3=R4。②R1和RB具有相同的电阻温度系数α,线膨胀系数β,灵敏度系数K和初始电阻值R0。③补偿块材料和被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。④两应变片应处于同一温度场。⑵应变片的自补偿法自身具有温度补偿作用的应变片，称为温度自补偿应变片。工作原理：由式（4－21）得出，要实现温度自补偿，必须有α0=－K0（βg－βs）（4-27）可见，当被测试件的线膨胀系数βg已知时，合理选择敏感栅材料的电阻温度系数α0、灵敏系数K0和线膨胀系数βs，满足式（4－27），则不论温度如何变化，均有ΔRt/R0=0，从而达到温度自补偿的目的。第4章应变式传感器4.3电阻应变片的测量电路测量电路：直流电桥，交流电桥。一、直流电桥1.电桥如图3－5所示,E为电源,R1、R2、R3及R4为桥臂电阻,RL为负载电阻。4－5第4章应变式传感器）－（时，电桥输出电压：当284)(4332110RRRRRREURL当电桥平衡时，Uo=0,则有电桥平衡条件：R1R4=R2R3或：4321RRRR（4-29）第4章应变式传感器)1)(1())(()(34121111344321141433211110RRRRRRRRRRERRRRRRRERRRRRRRREU设：n=R2/R1为桥臂比∵ΔR1R1∴忽略分母中ΔR1/R1，且有平衡条件：R2/R1=R4/R3，则式（4－30）化为：ERRnnU1120)1(2.单臂电桥：R1为电阻应变片，R2,R3,R4为电桥固定电阻。电桥后一般接放大器，由于放大器的输入阻抗很大，电桥视为开路。若应变片电阻变化为ΔR，电桥输出电压Uo≠0，则电桥失衡，输出电压为：（4-30）（4-31）4－5第4章应变式传感器于是，得到电桥电压灵敏度为：2110)1(nnERRUKU结论：①电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压：供电电压越高，灵敏度越高。但电压的提高受到应变片允许功耗的限制，②恰当地选择桥臂比n，保证电桥具有较高的电压灵敏度。（4-32）当E一定时，n与KU的最大值的关系：KU取最大值时，应满足：dKU/dn=0，即：得：n=1时，KU为最大值。即电桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时,电桥电压灵敏度最高。此时输出电压和电桥电压灵敏度分别为：0)1(13nndndKU（4-33）RREU1044Eku