第2节 应变式传感器

应变式传感器的优缺点：优点：①精度高，测量范围广②频率响应特性较好③结构简单，尺寸小，重量轻④可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下工作⑤易于实现小型化、固态化⑥价格低廉，品种多样，便于选择缺点：①非线性②输出信号弱③抗干扰能力差一、金属丝式应变片（1）应变效应当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。金属丝的应变灵敏系数,理论上在1.8～3.6之间金属丝的应变电阻的相对变化dRRdllSK（2）应变片的结构和材料结构：敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等bl栅长栅宽2341材料：1.敏感栅金属丝（0.015～0.05）mm电阻（60，120，200）Ω栅长（100，200）mm栅宽（1，0.5，0.2）mm选材要求：①较大的Ks（常数）②具有高而稳定的电阻率（决定圈数）③电阻温度系数要小④抗氧化，耐腐蚀⑤足够的抗拉强度⑥加工性能良好⑦易于焊接材料名称主要成分%灵敏系数Ks电阻率ρΩm*10-6电阻温度系数α10-6/°c线膨胀系数β10-6/°c最高工作温度°c康铜Cu(55)Ni(45)2.00.45-0.52±2015250静态400动态镍铬合金Ni(80)Cr(20)2.1-2.31.0-1.1110-13014450静态800动态卡玛合金6J-22Ni(74)Cr(20)Al(3)Cu(3）2.4-2.61.24-1.42±2013.3400静态800动态伊文合金6J-23Ni(75)Cr(20)Al(3)Cu(2）同上同上同上同上同上镍铬铁合金Ni(36)Cr(8)Mo(0.5)Fe(55.5)3.21.01757.2230动态铁铬铝合金Cr(25)Al(5)Y(2.6)Fe(67.4)2.6-2.81.3-1.5±30-4011800静态1000动态铂Pt4.60.130008.9同上铂合金Pt(80)Ir(20)4.00.3559013同上铂钨合金Pt(91.5)W(8.5)3.20.741929800静态2.基底和盖片保护敏感栅。纸（不能太厚），一般为（0.02～0.04）mm。基底长：基底的全长，基底宽：基底宽度3.粘结剂有机硅树脂无机聚酰亚胺磷酸盐硅酸硼酸盐4.引线直径（0.1-0.15）mm镀锡铜线，要求电阻率低、电阻温度系数小，抗氧化，易于焊接。酚醛树脂聚丙烯酸酯有机（3）主要特性1.灵敏度Ks金属应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系，即：KRRRRK应变片的灵敏系数K＜线材的灵敏系数Ks2.横向效应应变片既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。rrnL212dl＝rdθθr丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分敏感栅有n根纵栅，每根长l，弯半径为r，轴向应变ε，ΔL1=nlε则纵栅变形：纵栅为N根的应变片共有n－1个半圆弧，则横栅变形为：rrnrnnlLLL2121221总变形：敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则电阻相对变化为：rSSSKLrnKLrnnlLLKRR2)1(2)1(2SyKLrnK2)1(rnnlrnKKHxy121令：则横向系数：3.机械滞后应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，其差值即为机械滞后。Δε机械应变ε指示应变εr卸载加载04.零点漂移和蠕变零点漂移：指对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，即使被测试件未承受应力，指示应变随时间增加产生的变化。原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。蠕变：当应变片承受恒定的机械应变量时，指示应变随时间发生变化。原因：由于胶层之间发生“滑动”。5.应变极限在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的真实应变值。真实应变εz指示应变εi应变片的应变极限±10%16.动态特性ε0应变片εtlxtλx当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短(估计约0.2μs)，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。应变片对应变波的动态响应ε（4）温度误差及其补偿1.温度误差应变片阻值受环境温度影响的原因：①应变片的电阻丝有一定的温度系数②电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化Δt时，应变片的温度效应。ttK/tRtegRK＝＝＋[]2.温度补偿①单丝自补偿应变片应变片的敏感栅用单一的合金丝制成。优点：结构简单、制造和使用方便②双丝组合式自补偿应变片应变片由两种不同电阻温度系数（一正一负）的材料串连组成。优点：两段敏感栅的丝长可调，材料在一定范围内可获得的较好温度补偿。焊点RaRb③电路补偿法3241RRRRAUSC322411RRRRRRAUttSCRRRRRRAtt21USCR2R4R1R3E使R1和R2处于同一温度场，R1=R2=RR3=R4=R′无Δt，则USC=0RRRRRRRRAtt21120ttARRR温度升高或降低若有应变1114223SCttUARRRKRRRR为达到完全补偿，需满足下列三个条件：①R1和R2须属于同一批号的；②粘贴补偿片和粘贴工作片的试件二者材料必须相同；③两应变片处于同一温度环境下。ARRK二、金属箔式应变片箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图：与丝式应变片相比，有如下特点：优点：①很薄，接触面积大②横向效应小，灵敏度大③表面积大，散热好，有较大的输出信号④尺寸准确，可制成任状⑤便于成批生产缺点：①生产工艺复杂②不适宜高温③价格贵三、测量电路2143432143213241RRRRRRRRRRRRRRRRREIggR2R4R1R3E电桥线路原理图RgACDIgB电阻应变片的测量线路多采用交流电桥(配交流放大器)，其原理和直流电桥相似。直流电桥比较简单，因此首先分析直流电桥，如图示：][12143432143213241RRRRRRRRRRRRRRRRRERIUgggg输出电压：43213241RRRRRRRREUg4433221133224411RRRRRRRRRRRRRRRREUg当负载电阻Rg为无穷大时：设电桥各臂均有相应的电阻增量ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4时：实际使用，多采用等臂电桥或对称电桥用法一：等臂电桥当R1=R2=R3=R4=R时：43213241432122RRRRRRRRRRRRRRREUg4321432144EKRRRRRRRREUgRΔRi，则：结论：①当ΔRiR时，输出电压与应变呈线性关系；②若相邻两桥臂同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；③若相邻两桥臂的极性不同时，输出电压为两者之和；④若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；⑤若相对桥臂的应变的极性相反，输出电压为两者之差。用法二：第一对称电桥R1=R2=R，R3=R4=R′若R1有一增量ΔR，2242gRRRRRRUEERRRRR1g1412ERURRRUgR2=RR4=R’R1=RR3=R’E第一对称电桥ACD用法三：第二对称电桥RRRRRRRRRREUgRRkR1=R3=R，R2=R4=R′若R1有一增量ΔR，RRkkkkRREUg111121令则，当k1(RR′)，k/(1+k)1/2，其非线性较等臂电桥大；当k＜1(R＜R′)，k/(1+k)＜1/2，其非线性可得到很好改善；当k=1时，等臂电桥。若RΔRKkkERRkkEUg1212第二对称电桥的输出与应变呈线性关系，但比等臂电桥的输出电压小：kk12411倍四、应变片的应用(1)柱式力传感器2cos1121柱式力传感器－ε2+ε1截面积SFFF面积S-ε1+ε2b）a）SEF＝＝1SEF＝－＝－＝12E：弹性元件的杨氏模量与轴线任意夹角的α方向，其应变为：ε1：沿轴向的应变；μ：弹性元件的泊松比当α=0时当α=90˚时C02柱式测力/称重传感器北京瑞利威尔技术发展有限公司特点：结构兼顾于柱式、S式的优点，结构紧凑，造型优美，内外螺纹做承载连接，测量精度高，抗偏能力强，可做全密封结构微型压式传感器YBSC柱式传感器RL-BK-1柱式测力/称重传感器2.梁式力传感器26MFLWbhLR1R3R2R4xFhb等强度梁弹性元件b0等强度梁弹性元件：力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等。62xFxbhE等强度梁各点的应变值为：BK-5型悬臂梁式测力/称重传感器梁式力传感器3、应变式压力传感器2223[(1)(3)]8rpuruxh2223[(1)(13)]8tpuruxh22223(1)(3)8rpurxhE（b）（a）应变式压力传感器应变片P测量气体或液体压力的薄板式传感器22223(1)()8tpurxhE圆板内任一点的径向和切向应变值：圆板上各点径向应力和切向应力：采用变厚度膜片技术和高精度大阻值应变片，具有输出信号大、精度高、抗振动、结构坚固、耐腐蚀等特点。适用于石油钻井、固井、压裂车等设备高压力测量。电阻压力式应变传感器要求掌握：应变效应应变片结构横向效应温度误差的补偿方法金属箔式应变片的特点了解：金属应变片传感器的特点主要特性测量电路应变片的应用