3应变式传感器

章应变式传感器应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。弹性元件应变片测量电路被测量形变量电阻值电流或电压被测物理量作用在弹性元件上使其变形,该变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。传感器由在弹性元件上粘贴的电阻应变敏感元件构成。章应变式传感器优点：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正常工作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：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下的测量。所示,一根金属电阻丝,在其未受力时,原始电阻值为式中:ρ——电阻丝的电阻率;L——电阻丝的长度;S——电阻丝的截面积。（3-1）电阻应变片的工作原理是基于应变效应,即在导体产生机械变形时,它的电阻值相应发生变化。SLR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,故引起电阻值相对变化量为SSLLRR式中ΔL/L是长度相对变化量,用应变ε表示LLΔS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即rrSS2在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,故轴向应变和径向应变的关系为LLrr式中:μ——电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反)21(RR)21(RR因此或章应变式传感器/210RRk金属材料：k0以前者为主，则k0≈1+2μ=1.7~3.6半导体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定0kRR电阻的灵敏系数21/0k材料电阻率ρ随应变引起（压阻效应）材料的几何尺寸变化引起的章应变式传感器用应变片测量应变或应力时,在外力作用下,被测对象产生微小机械变形,应变片随着发生相同的变化,同时应变片电阻值也发生相应变化。当测ΔR时,便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系,得到应力值σσ=E·ε（3-9）式中:σ——试件的应力;ε——试件的应变;E——试件材料的弹性模量。由此可知,应力值σ正比于应变ε,而试件应变ε正比于电阻值的变化,所以应力σ正比于电阻值的变化,这就是利用应变片测量应变的基本原理。电阻应变片的结构常用的电阻应变片可分为两类:金属电阻应变片和半导体电阻应变片。3.2电阻应变片的结构及主要特性金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成,如图所示。敏感栅是应变片的核心部分,它由Φ=0.02-0.05mm的康铜丝或镍铬丝绕成栅状(或用很薄的金属箔腐蚀成栅状)粘贴在绝缘的基片上,其上再粘贴起保护作用的覆盖层,两端用镀银铜线与应变片丝栅连接，作为电阻片引线。金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。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。章应变式传感器（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。电阻值的分散性大优点：缺点：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，工作范围广，易实现工业化生产。问题：难控制电阻与温度、时间的变化关系。金属薄膜应变片m章应变式传感器)21(RR由于E式中:π——半导体材料的压阻系数。)21(ERR实验证明,πE比（1+2μ）大上百倍,所以（1+2μ）可以忽略,因而半导体应变片的灵敏系数为ERRsK半导体应变片突出优点是灵敏度高,比金属丝式高50～80倍,尺寸小,横向效应小,动态响应好。但它有温度系数大,应变时非线性比较严重等缺点。半导体应变片半导体应变片是用半导体材料制成的。当其受轴向力作用时故)应变片的电阻值应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值电阻系列：60、120、200、350、600、1000Ω3.2.2应变片的主要特性参数可以加大应变片承受电压输出信号大敏感栅尺寸也增大电阻值大R)应变片的几何参数几何参数：标距和丝栅宽度，制造厂常用表示LbbL)灵敏系数RRK/“标称灵敏系数”：在泊松系数μ=0.285的钢试件受轴向单向力（拉或压）时，在一批产品中抽样5％的产品来测定，取平均值及允许公差值。电阻应变片的灵敏系数k电阻丝的灵敏系数k0粘结层传递变形失真存在横向效应原因灵敏系数为应变计变换性能的重要参数章应变式传感器敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段：沿轴向拉应变，电阻圆弧段：沿轴向压应度，电阻xK(箔式应变片)εyyxy4)横向效应的直线段和（n-1）个半径为r的半圆组成在轴向应变ε作用下，全部纵栅的变形ΔL1=nlεx半圆弧横栅任一微小段长度dl=rdθ上的应变εθ为2cos2121rxrxrxrrrddll200rxrnL212每个圆弧横栅的变形量Δl全部横栅的变形量为应变片敏感栅的总变形为rxrnrnnlLLL2121221rrxrSSSKKKLrnKLrnnlLLKRR2)1(2)1(2应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应)温度误差1、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。2、试件材料的线膨胀引起的误差。温度误差章应变式传感器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，即为机械滞后。产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。ΔεΔε1机械应变ε卸载加载指示应变εi应变片的机械滞后6)机械滞后章应变式传感器产生原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。7）零点漂移和蠕变粘贴好的应变片，在恒温条件下，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。产生原因：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。在恒温恒载条件下，应变片电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。章应变式传感器在一定温度下，应变片误差不超过规定范围（一般为10%）时的最大真实应变值称为应变极限。在图中，真实应变是由于工作温度变化或承受机械载荷，在被测试件内产生应力(包括机械应力和热应力)时所引起的表面应变。εlim真实应变εz指示应变εi应变片的应变极限±10%18）应变极限章应变式传感器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。设一频率为f的正弦应变波在构件中以速度v沿应变片栅长方向传播，在某一瞬时t，应变量沿构件分布如图所示。应变片对应变波的动态响应ε0应变片ε1lxtλεx9）动态特性设应变波波长为λ，应变片栅长为L，则瞬时t时应变波沿构件分布为xx2sin0应变片中点的应变ttx2sin0平均应变llxdxltxxltltsin2sin1220相对误差δ为lltttsin11lδ（%）1.620.52误差δ的计算结果1/201/10由上式可见，相对误差δ的大小只决定于L/λ的比值，表中给出了为1/10和1/20时δ的数值。章应变式传感器若已知应变波在某材料内传播速度υ，根据误差要求由上式可计算出栅长为L的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。1l因为故261vlf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。5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。章应变式传感器由于机械应变一般都很小,要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来,同时要把电阻相对变化ΔR/R转换为电压或电流的变化。因此,需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路,通常采用直流电桥和交流电桥。3.3测量电路))((43213241=R2R34321RRRR或平衡条件Uo=0为电阻应变片，R2,R3,R4为电桥固定电阻，构成单臂电桥。产生应变时,应变片电阻变化为ΔR,则电桥不平衡输出电压为2.电压灵敏度))(()(432114143321110RRRRRRRERRRRRRREU)1)(1(3412111134RRRRRRRRRRE1120)1(RRnnEU令桥臂比n=R2/R1,忽略分母中ΔR1/R1,并