传感器原理及其应用_第2章_电阻应变式传感器

1第2章电阻应变式传感器ResistanceStrainGage2电阻应变式传感器概述工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力作用下电阻值变化的效应——电阻应变效应结构简单，使用方便可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；弹性敏感元件力、压力、位移电阻应变片电桥电路RU易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测；灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；34应变片用于各种电子衡器磅秤电子天平5材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试6汽车衡称重系统7汽车衡82.1电阻应变片的工作原理——金属的电阻－应变效应金属丝的电阻随着它所受的机械变形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。金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。lRS92lldRdldsdsssdRdldsdRlsxdll——金属丝的轴向应变；ydrr——金属丝的径向应变（dS/S=2dr/r）εY=-μεx；μ——泊松系数；(Poissonratio)10式中：KS——金属丝的灵敏系数；(gagefactor)(12)xdRdR12SXxdRdKR令：在金属丝的弹性范围内，灵敏系数KS为常数，即：sxRKR线性关系x通常很小，常用10-6表示之。例如，当x为0.000001时，在工程中常表示为110-6或m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变(με)。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。112.2.1应变片的基本结构2.2电阻应变片的结构、种类和材料2.2.2应变片的种类121.金属丝式应变片(bondedmetal-wiregage)直径在0.012～0.05mm的金属丝；2.金属箔式应变片(bondedmetal-foilgage)厚度在0.001～0.01mm的金属箔；13箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。3.金属薄膜式应变片(vacuum-depositedthin-metal-filmgage,sputter-depositedthin-metal-filmgage)厚度在0.1μm以下的金属箔；142.2.3应变片的材料1.敏感栅材料对敏感栅的材料的要求：①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；③电阻温度系数要小；④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。常用材料有：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、铂、铂钨合金等，如下表。15材料名称化学成分%电阻率ρ/(Ω·mm²/m)电阻温度系数α/（10-6/℃）灵敏系数Ks线膨胀系数β/（10-6/℃）最高使用温度/℃康铜Cu55Ni450.45~0.52±202.015250(静态)400(动态)镍铬合金Ni80Cr201.0~1.1110~1302.1~2.314450(静态)800(动态)卡玛合金6J22Ni74,Cr20Al3,Fe31.24~1.42±202.4~2.613.3450(静态)800(动态)伊文合金6J23Ni75,Cr20Al3,Cu21.24~1.42±202.4~2.613.3450(静态)800(动态)铁铬铝合金Fe余量Cr26,Al5.41.3~1.5±30~402.614550(静态)1000(动态)铂钨合金Pt90.5~91.5W8.5~9.50.74~0.76139~1923.0~3.29800(静态)1000(动态)铂Pt0.09~0.1139004.69800(静态)1000(动态)铂铱合金Pt80,Ir200.35901.013800(静态)1000(动态)16基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。基底材料有纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚度约0.03～0.05mm2.基底材料3.黏合剂材料用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。17类型主要成分牌号适于黏合的基底材料最低固化条件固化压力/104Pa使用温度/℃硝化纤维素黏合剂硝化纤维素溶剂万能胶纸室温10小时或60℃2小时0.5~1－50~80氰基丙烯酸黏合剂氰基丙烯酸酯501，502纸、胶膜、玻璃纤维布室温1小时粘合时指压－100~80聚酯树脂黏合剂不饱和聚酯树脂、过氧化环已酮、萘酸钴干料胶膜、玻璃纤维布室温24小时0.3~0.5－50~150环氧树脂类黏合剂环氧树脂、聚硫酚铜胺、固化剂914胶膜、玻璃纤维布室温2.5小时粘合时指压－60~80酚醛环氧、无机填料、固化剂509胶膜、玻璃纤维布200℃2小时粘合时指压－100~250环氧树脂、酚醛、甲苯二酚、石棉粉等J06-2胶膜、玻璃纤维布150℃3小时2－196~250酚醛树脂类黏合剂酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛JSF-2胶膜、玻璃纤维布150℃1小时1~2－60~150酚醛树脂、聚乙烯醇缩甲乙醛1720胶膜、玻璃纤维布190℃3小时—－60~100酚醛树脂、有机硅J-12胶膜、玻璃纤维布200℃3小时—－60~350聚酰亚胺黏合剂聚酰亚胺30-14胶膜、玻璃纤维布280℃2小时1~3－150~250磷酸盐黏合剂磷酸二氢铝无机填料GJ-14LN-3金属薄片、临时基底400℃1小时550P106400℃3小时700氧化物喷涂二氧化二铝金属薄片、临时基底800184.引线材料是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。2.3应变片的主要参数1.应变片电阻值（R0）电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、350Ω，500Ω和1000Ω等多种规格，以120Ω最为常用。应变片的电阻值越大，允许的工作电压就大，传感器的输出电压也大，相应地应变片的尺寸也要增大，在条件许可的情况下，应尽量选用高阻值应变片。192.绝缘电阻：要求1010欧姆；K为金属应变片的灵敏系数。注意，K是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的钢材时测得的。测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS。原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。3.应变片的灵敏系数（K）金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片后，其电阻—应变特性，与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻—应变特性重新测定。实验表明，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204.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，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。ΔεΔε1机械应变ε卸载加载指示应变εi应变片的机械滞后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。21对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，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。5.零漂和蠕变如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其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。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。这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。226.应变极限、疲劳寿命在一定温度下，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%）时的最大真实应变值。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±10%1主要因素：粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的安装质量。制造与安装应变片时，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料。基底和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获得较高的应变极限。23疲劳寿命指对已粘贴好的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。7.允许电流：静态25mA,动态：75～100mA；8.横向效应(transverseeffect)如图，若将应变片粘贴在单向拉伸试件上，这时各直线段上的金属丝只感受沿其轴向拉应变εx，故其各微段电阻都将增加，但在圆弧段上，沿各微段轴向(即微段圆弧的切向)的应变却并非是εx。所产生的电阻变化与直线段上同长微段的不一样，在θ=90°的微弧段处最为明显。由于单向位伸时，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εy（=－μεx），因此该段上的电阻不仅不增加，反而是减少的。24而在圆弧的其他各微段上，其轴向感受的应变是由+εx变化到－εy的，因此圆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，这种现象称为应变片的横向效应。应变片的横向效应表明，当实际使用应变片的条件与标定灵敏度系数K时的条件不同时，由于横向效应的影响，实际K值要改变，由此可能产生较大测量误差。为了减小横向效应的影响，一般多采用箔式应变片。259.动态响应特性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。ε0应变片ε1lx1λεx26设应变波波长为λ，则有λ=v/f。应变片栅长为L，瞬时t时应变波沿构件分布为应变片中点的应变为xt为t瞬时应变片中点的坐标。应变片测得的应变为栅长l范围内的平均应变εm，其数值等于l范围内应变波曲线下的面积除以l，即xx2sin0ttx2sin0llxxdxltxxmltltsin2sin2sin1002227平均应变εm与中点应变εt相对误差δ为lltmtmtsin11由上式可见，相对误差δ的大小只决定于的比值，表中给出了为1/10和1/20时δ的数值。llδ（%）1.620.52误差δ的计算结果1/201/1028由表可知，应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈小，相对误差δ愈小。当选中的应变片栅长为应变波长的（1/10-