第4章++电阻应变式传感器

第4章电阻应变式传感器4.1电阻应变式传感器的工作原理4.2电阻应变片的工作原理4.3电阻应变片的种类、材料和参数4.4电阻应变片的动态响应特性4.5粘合剂和应变片的粘贴技术4.6电阻应变式传感器的温度误差及补偿4.7电阻应变式传感器的信号调节电路及电阻应变仪4.8电阻应变式传感器第4章应变式电阻传感器第4章电阻应变式传感器4.1电阻应变式传感器的工作原理一、电阻应变式传感器的组成电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元件的作用就是传感器组成中的敏感元件，要根据被测参数来设计或选择它的结构形式。电阻应变片的作用就是传感器中的转换元件，是电阻应变式传感器的核心元件。第4章电阻应变式传感器弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。二、电阻应变式传感器的原理第4章电阻应变式传感器4.2电阻应变片的工作原理4.2.1金属的应变效应金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。FLR.——金属丝的电阻（）；——金属丝的电阻率（·mm2/m）——金属丝的长度（m）；——金属丝的截面积（mm2）。RLF第4章电阻应变式传感器4.2.2电阻应变片的结构和工作原理一、金属电阻应变片结构第4章电阻应变式传感器二、电阻——应变特性金属电阻丝的应变效应第4章电阻应变式传感器dFdFLdLRdRdL：电阻丝伸长的长度dF：相应减小的横截面积dρ：电阻率因晶格发生变形等因素而改变的量.dR：引起的电阻值变化量当电阻丝受到拉力F作用时①关于电阻值相对变化量jmjjmxxfyyxxxfy121ln)......(、、第4章电阻应变式传感器②关于金属丝的轴向应变③关于金属丝的径向应变rdrFdF2rdry金属丝的径向应变表示为LdLx第4章电阻应变式传感器④轴向应变和径向应变的关系xy——电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。5关于电阻丝的灵敏度系数sKdRdRx)21(xxdefsdRdRK)21(第4章电阻应变式传感器xxdefsdRdRK)21(结论：受力后材料几何尺寸的变化,即（1+2μ）；受力后材料的电阻率发生的变化,即对金属材料电阻丝在电阻丝拉伸极限内,电阻的相对变化量与应变成正比,即为常数。xd)21(sKxdxxsKRdR)21(第4章电阻应变式传感器三、应变式测试原理在外力作用下,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。根据应力与应变的关系,得到应力值σ为Eσ——ε——E——试件材料的弹性模量。xxsKRdR)21(第4章电阻应变式传感器一、直线金属丝4.2.3电阻应变片的横向效应直线金属丝受单向力拉伸时，在任一微段上所感受的应变都是相同的，而且每段都是伸长的。因而每一段电阻都将增加，金属丝总电阻的增加为各微段电阻增加的总和，各段上的金属丝只感受沿其轴向应变。x第4章电阻应变式传感器xyddlr二、金属丝弯成的敏感栅敏感栅受单向力拉伸时，各直线段上的金属丝只感受沿其轴向拉应变，故其各微段电阻都将增加。但由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，在圆弧段上，沿各微段的圆弧的切向应变是，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，其横向应变也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。xyx第4章电阻应变式传感器yx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。三、横向效应最明显的在处微圆弧段处，由于单向拉伸时，除了沿轴向(水平方向)产生拉应变外。按泊松关系同时在垂直方向上产生负的压应变，因此该段上的电阻不仅不增加，反而是减少的。xybxy2第4章电阻应变式传感器在圆弧的其他各微段上，其轴向感受的应变是由变化到的，因此园弧段部分的电阻变化，显然将小于其同样长度沿轴向安放的金属丝的电阻变化。由此可见，将直的金属丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，因此灵敏系数有所降低。yxxyx第4章电阻应变式传感器应变片感受应变时，其电阻变化应由两部分组成，一部分与轴向应变有关，另一部分与横向应变有关。四、关于敏感栅的灵敏度系数xyysxsKLrnKLrnnLRR]2)1([])1(2[——金属电阻丝总长度；——圆弧部分半径；——敏感栅直线段数目。Lrn第4章电阻应变式传感器xysysxKKcKLrnKKLrnnLK2)1()1(2设那么00)(xyyyyxsxxyyxxRRKcKRRRRKKKRR第4章电阻应变式传感器——应变片对触向应变的灵敏系数;——应变片对横向应变的灵敏系数；——应变片横向灵敏度，它表示横向应变对应变片电阻相对变化的影响程度。xKyKc通常可以用实验方法来测定和，然后再求出c。xKyK00)(xyyyyxsxxyyxxRRKcKRRRRKKKRR第4章电阻应变式传感器4.3电阻应变片的种类、材料和参数4.3.1电阻应变片的种类一、丝式应变片回线式应变片1、回线式应变片回线式应变片是将电阻丝绕制成敏感棚，然后粘结在各种绝缘基底上而制成的，它是一种常用的应变片。第4章电阻应变式传感器短接式应变片2、短接式应变片这种应变片是将敏感栅平行安放。两端用直径比栅丝直径大5～10倍的镀银丝短接起来而构成的。突出优点是克服了回线式应变片的横向效应。但由于焊点多，在冲击、振动试验条件下，易在焊接点处出现疲劳破坏。制造工艺要求高。第4章电阻应变式传感器二、箔式应变片这类应变片系利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将电阻箔材在绝缘其底下制成各种图形而成的应变片。第4章电阻应变式传感器三、薄膜应变片薄膜应变片是薄膜技术发展的产物，其厚度在以下。它是采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成应变片。m1.0四、半导体应变片所谓“压阻效应”指半导体材料的电阻率随作用应力而变化的现象。所有材料在某种程度都呈现压阻效应，但半导体的这种效应特别显著，能直接反映出很微小的应变。第4章电阻应变式传感器xRR)21(1、工作原理：①关于压阻效应：半导体材料的某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。②关于电阻值相对变化量：xE其中受外力作用时——半导体材料的压阻系数;——半导体材料在轴向所受的应变力；——半导体材料的弹性模量。E第4章电阻应变式传感器那么xERR)21(③关于半导体应变片的灵敏度系数:sK)21(ERRKxdefB第4章电阻应变式传感器受力后材料几何尺寸的变化,即（1+2μ）;受力后材料的电阻率发生的变化,即;对于半导体材料半导体应变片的灵敏度系数为常量电阻值相对变化量与应变系数的正比例关系ERRKxBE)21(E结论：xxBEKRR第4章电阻应变式传感器2、结构形式第4章电阻应变式传感器4.3.3应变片的主要参数一、应变片电阻值(R0)它是指未安装的应变片，在不受外力的情况下，室温条件购定的电阻值，也称原始阻值，单位以计。应变片电阻值己趋于标准化，有60，120，350，600和1000各种阻值，其中l20为最常使用。二、绝缘电阻敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于。1010第4章电阻应变式传感器三、灵敏系数(K)灵敏系数指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。尺值的准确性格直接影响测量精度，其误差大小是衡量应变片质量优劣的主要标志。同时要求K值尽量大而稳定。四、允许电流允许电流指不因电流产生热量影响测量精度，应变片允许通过的最大电流。在静态测量时，允许电流一般为25mA．在动态测量时，允许电流可达75—100mA。第4章电阻应变式传感器五、应变极限应变片的应变极限是指在温度一定时，指示应变值和真实应变的相对差值不超过一定数值时的最大真实应变数值，一般差值规定为10％，当指示应变值大于真实应变的10％时，真实应变值称为应变片的极限应变。第4章电阻应变式传感器六、机械滞后、零温和蠕变应变片的机械滞后是指对粘贴的应变片，在温度一定时，增加和减少机械应变过程中同一机械应变量下指示应变的最大差值。零点漂移是指已粘贴好的应变片，在温度一定和无机械应变时，指示应变随时间的变化。蠕变是指已粘贴好的应变片，在温度一定并承受一定的机械应变时，指示应变值随时间的变化。第4章电阻应变式传感器4.4电阻应变片的动态响应特性动态响应特性要分析的问题1、应变从试件（或弹性元件）传到敏感栅要多长时间？2、在进行高频的动态应变测量时哪些因素影响应片对动态应变的响应？一、应变波的传播过程1、应变的传播形式应变以应变波的形式经过试件（或弹性元件）材料、粘合层等，最后传播到应变片上将应变波全部反映出来。第4章电阻应变式传感器2、应变波在试件材料中的传播（速度）3、应变波在粘合层和应变片基底中的传播（速度）应变波由试件材料表面，经粘合剂和基底传播到电阻丝线栅所需要的时间是非常短暂的，可以忽略不计。如取应变波在粘合层中的传播速度为1000m/s，粘合层和基其底的总厚度为0.05mm，则所需时间为st8100.51000100005.0第4章电阻应变式传感器4、应变波在应变片线栅长度（基长）内的传播（速度）由应变片反映出来的应变波形，是应变片线栅长度内所感受应变量的平均值，即只有应变波通过应变片的全部长度后，应变片所反映的波形才能达到最大值。二、应变计的可测频率（或截止频率）的估算5、影响应变片频率响应特性的主要因素主要因素是应变片的基长和应变波在试件材料中的传播速度。可测频率（或截止频率）可根据下面三种情况估算。第4章电阻应变式传感器1、应变波为正弦波1xxe2x0l0x2sin0应变计对正弦应变波的响应特性24240101lxlx0nl其中应变片基长应变波波长与应变片基长比0ln第4章电阻应变式传感器1xxe2x0l0应变片在其基长内测得的平均应变最大值0lp0001200120sin)2cos2(cos22sin21llxxlxxxdxxxp第4章电阻应变式传感器应变波幅测量误差为e1sin0000llep应变计的可测频率fv由于可测频率0nlvf：应变波的传播速度v第4章电阻应变式传感器2、应变波为阶跃波由于应变波通过敏感栅全部长度需要时间，所以应变片所反映的波形经过一定时间的延迟，才能达到最大值。如以输出从10％上升到90％的最大值这段时间作为上升时间，则可测频率%10%90%100ktktvltk08.0ktf35.00044.08.035.0lvlvf阶跃波形应变记录波滞后第4章电阻应变式传感器3、其他情况求出被测对象的最高振动频率和应变波在被测对象中的传播速度，取应变波波长的1/10～1/20来选应变片的基长。基长应尽量选用短的，这样可更真实测出被测部位的应变，提高测试精度。0l第4章电阻应变式传感器4.5粘合剂和应变片的粘贴技术一、粘合剂电阻应变片工作时，总是被粘贴到试件上或传感器的弹性元件上。对粘合剂有如下要求：（1）有一定的粘合强度；（2）能准确传递应变；（3）蠕变小；（4）机械滞后小；（5）耐疲劳性能好，韧性好；（6）长期稳定性好；（7）具有足够的稳定性能；（8）对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用；