73传感器第3章(1)应变式

第3章电阻式传感器电阻应变式传感器是一种利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，任何非电量，只要能设法转换为应变，都可以利用电阻应变片进行测量，因此可用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。1.电阻应变式传感器构成原理及信号变换原理1）电阻应变式传感器的构成原理弹性敏感元件应变片测量电路被测非电量（x）应力、应变、挠度),,(y电阻变化)(R),(IU电压、电流辅助电源供电供电第3章电阻式传感器2)信号变换原理被测非电量x弹性敏感元件一定关系x应力应变挠度y一定关系R电阻变化测量电路一定关系电压U电流变化量I用符号表示为：),,(yRIU,反映3)电阻应变式传感器的特点（1）理论技术成熟，得到广泛应用于各个领域，是测试和控制的主要方法；第3章电阻式传感器（2）结构简单、尺寸小，使用方便、性能稳定可靠；（3）可实现过程中的自动化和多点同步测量及遥测；（4）灵敏度较高、测量速度快，适合静、动态测量；（5）分辨力高能测出极小的应变。（6）价格便宜可实现多种物理量的测量。2.应变片的工作原理1）构成原理及信号变换原理被测量与应变片粘贴于一体被测非电量（x）应力、应变),(（1）构成原理（2）变换原理x),(R反映第3章电阻式传感器3.1应变式传感器常用的弹性敏感元件（自学）弹性圆柱（F与关系）悬臂梁（等截面梁，变截面梁）（挠度或位移与F的关系）弹性圆环（应变挠度与F的关系）周边固支圆形平膜片弹性筒扭转圆柱,3.2金属应变式传感器电阻应变片可分为金属电阻应变片与半导体应变片两类。3.2.1金属电阻应变片（一）常见的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。1）丝式：主要结构是由做成栅状的电阻丝（敏感栅）、绝缘基片、覆盖层和引线四部分组成。1—基底2—敏感栅3—覆盖层4—引线第3章电阻式传感器(1)基底——为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质的基底上。一般为0.02～0.04mm(2)敏感栅——应变计中实现应变-电阻转换的敏感元件。其电阻值一般在100Ω以上(3)盖层——用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用(4)引线——它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。第3章电阻式传感器（二）金属的电阻应变特性AlRdAdAldlRdR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，这种效应称为电阻应变效应。设有一段长为l，截面积为A，电阻率为ρ的导体(如金属丝)当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其l、A和ρ均发生变化，如图所示，因而导体的电阻随之发生变化。通过对式第3章电阻式传感器dAdAldlRdR式中—材料的轴向线应变，常用单位με(1με=1×10-6mm/mm);其中r—导体的半径，受拉时rμ—导体材料的泊松比。勃底特兹明(Бриджмен)通过实验研究发现，金属材VdVCdxldlxrdrAdA22dRdRx)21(第3章电阻式传感器式中C—)21(/)/()/(SdSldlVdVmKCRdR2121xSK---金属丝材的应变灵敏系数(简称灵敏系数)上式表明：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。SKx)21(（三）横向效应金属应变计的敏感栅通常都呈栅状。它由轴向纵栅和圆弧横栅两部分组成，如图(a)所示。由于试件承受单向应力时，其表面处于平面应变状态中，即轴向拉伸εx和横向收缩εy。粘贴在试件表面上的应变计，其纵栅和横栅各自主要分别敏感εx和εy（如图(b)），从而引起总的电阻相对变化为:yyxxKKRR第3章电阻式传感器因为，又令，得：xy/CKKxy/xxyyxxCKKKRR)1(结论：1）单丝应变片工作式为xKRR/2）应变栅工作式为xxKCRR)1(/3）因栅灵敏度小于单丝灵敏度，故称横向效应。第3章电阻式传感器(四）1）金属丝式应变片有回线式和短接式二种，如图所示。回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，但其应变横向效应较大。短接式应变片两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。常用材料：康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等应变片a、回线式b、d短接式第3章电阻式传感器注：①应变片的基长用表示，基宽用b表示，为应变片的使用面积。②应变片的阻值系列有：60，120，350，600，1000。③应变片的规格一般使用面积和电阻值表示例如：（3x10）mm2，120。lbl2）箔式应变片：是通过光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.003～0.01mm之间，任意形状线条均匀，尺寸准确，散热好，易粘贴。第3章电阻式传感器3）半导体应变片锗、硅等单晶半导体材料具有压阻效应，即在材料只受拉（压）力，且应力方向与电流方向一致时，电阻率与应力成正比，即：xLLEd第3章电阻式传感器xnK1半导体应变片的特点：1）灵敏度高，比金属应变片要高50～70倍。2）横向效应和机械滞后小，体积小。3）温度稳定性差。4）在较大的应变下，灵敏度和非线性误差大。由单晶硅、锗一类半导体材料经切型、切条。光刻、腐蚀成形，然后粘贴而成称为体型半导体应变片。另外：薄膜型半导体应变片，扩散型半导体应变片。xLERR])21[(第3章电阻式传感器3.3应变片的主要特性3.3.1应变片的静态特性应变片的静态特性时指当应变不随时间变化或缓慢变化时电阻输出值。其主要指标如下：1.灵敏系数K当具有初始电阻值R的应变计粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变计的敏感栅，使其产生电阻相对变化△R/R。实验证明，在一定的应变范围内，有下列关系：xxRRKKRR//第3章电阻式传感器必须指出，应变计的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数K’，一般情况下，K＜K’。这是因为，在单向应力产生双向应变的情况下，K除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。应变计的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。因此,K值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件下通过实测确定——即应变计的标定。故又称K标定灵敏系数。上述规定条件是：①试件材料取泊松比μ=0.285的钢；②试件单向受力；③应变计轴向与主应力方向一致。第3章电阻式传感器3.机械滞后它是指粘贴在试件上的应变计，在恒温条件下增(加载)、减(卸载)试件应变的过程中，对应同一机械应变所指示应变量(输出)之差值。通常在室温条件下，要求机械滞后＜3－10με。实测中，可在测试前通过多次重复预加、卸载，来减小机械滞后产生的误差。第3章电阻式传感器粘贴在试件上的应变计，在恒温恒载条件下，指示应变量随时间单向变化的特性称为蠕变。当试件初始空载时，应变计示值仍会随时间变化的现象称为零漂。蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性，通常要求θ＜3－15με。引起蠕变的主要原因是，制作应变计时内部产生的内应力和工作中出现的剪应力，使丝栅、基底，尤其是胶层之间产生的“滑移”所致。选用弹性模量较大的粘结剂和基底材料，适当减薄胶层和基底，并使之充分固化，有利于蠕变性能的改善。4.蠕变和零漂第3章电阻式传感器当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变计的输出特性将出现非线性。在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限。5.应变极限应变极限是衡量应变计测量范围和过载能力的指标，通常要求εlim≥8000με。影响εlim的主要因素及改善措施，与蠕变基本相同。第3章电阻式传感器标准产品电阻应变片的选择、粘贴技术1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2.用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆.3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。思考题思考题1.试说明电阻应变片的组成和种类？2.电阻应变片有哪些主要参数？3.试说明金属应变片和半导体应变片的相同和不同之处？各有何优缺点？应如何根据具体情况选用？4.有一电阻应变片，其R=120，灵敏度k=2，设工作时的应变为1000，问=？R第3章电阻式传感器