2.2应变式电阻传感器资料

第2章应变式电阻传感器1应变计的基本原理导电材料的应变电阻效应电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值发生变化，这种现象称为“应变效应”。如图1所示，一根长，截面积为A的金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：（1）lAlRdAdAldlRdR（2）当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长dl，横截面积相应减小dA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了dρ，从而引起电阻值相对变化量为：图1导体受拉伸后的参数变化1应变计的基本原理式中：——材料的轴向线应变，常用单位με(1με=1×10-6mm/mm);dA/A——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2πrdr，则：其中：r——导体的半径，受拉时r缩小；μ——导体材料的泊松比。/LdLL2dRdldrdRlr1应变计的基本原理rL利用02(12)LLdRdldrddKRlr1应变计的基本原理式中，K0定义为金属材料的应变灵敏系数，表示单位应变引起的电阻变化率。0(12)LdK灵敏系数K0受两个因素影响：材料几何尺寸的变化，即1+2μ；材料的电阻率发生的变化，即（dρ/ρ）/εL。2金属应变计结构(1)敏感栅——实现应变-电阻转换的敏感元件。通常由直径为0.015～0.05mm的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。要求材料的应变灵敏系数、电阻率、机械强度高，电阻的温度系数小，常用的材料有康铜、镍铬合金、镍铬铝合金。(2)基底——为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。基底必须很薄，一般为0.02～0.04mm。2金属应变计(3)引线——起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。通常取直径约0.1～0.15mm的低电阻的镀锡、镀银铜线，并用钎焊与敏感栅端连接。(4)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。(5)粘结剂——制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；也起着传递应变的作用。通常在室温工作的应变片多采用常温、指压固化条件的粘结剂如聚脂树脂、环氧树脂类。2金属应变计2金属应变计应变片的主要参数（1）电阻值R0:在未使用且不受力的情况下，在室温条件下测定的电阻值（2）绝缘电阻：敏感栅与基底之间的电阻值（3）灵敏系数K:表面，轴向方向，单向应力应变计多为一次性使用，应变计的特性是按规定的条件，从大批量生产中按比例抽样实测而得除受到结构形状、成型工艺、黏结剂等影响，还受到了横向效应的影响。2金属应变计电阻应变片的灵敏系数K0LRRKK标定电阻应变片的灵敏系数K的测试规定：1粘贴在一维应力作用的试件；2试件材料为泊松比μ0=0.285的钢2金属应变计横向效应00(1)xxyyRKKR22cossincossinxyxy电阻丝的电阻变化：再依据应变关系：2金属应变计总的电阻变化2002(1)xnlrRKnKdSs002(1)(1)22xyRnlnrnrKKRLL又总的电阻可表示为：由以上两式可得：LRS与式（1）对比可得：00002(1)2(1)2xynlnrKKLnrKKL2金属应变计而应变片总的电阻变化yxKCK其中由此定义应变片的横向灵敏度：00,xxyyKKKK(2)xxyyRKKR(xxyRKCR如何获得C?金属应变计实验法确定,再求取C值。,xyKK由于注意：实验法的条件0yx00(1)(1)xxyyxxxxRKKKCRKC0000()()(1)1(1axxayaxayayaxcxxcxxaaxaRKCCRKCCKCC实际用应变片测量时会产生误差()()axxayyaxxayaRKKKCR若用标准灵敏系数计算2金属应变计0000()()(1)1(1axxayaxayayaxcxxcxxaaxaRKCCRKCCKCC当要减小误差，减小C应变计的纵栅长度要长、横栅要小。(短接法）0,0yaxa2金属应变计（4）机械滞后零漂及蠕变在一定温度下，应变片受到增、减循环机械应变时，同一应变指示值的最大差值•原因：基底材料、粘结剂的材料、残余变形•通常要求：jZ10jZjZ反行程正行程2金属应变计蠕变与零漂反映传感器的长期稳定性¤零漂:一定温度下,应变片不承受的机械应变,输出随时间而变化的特性¤蠕变:一定温度下,应变片承受一定的机械应变,输出随时间而变化的特性,其中已包含了零漂机械应变以声波的形式和速度在材料中传播的。当它依次通过一定厚度的基底、胶层，最终通过全部长度的敏感栅后，会引起应变计的响应时，会有时间的迟后。应变计的这种响应迟后对动态(高频)应变测量，尤会产生误差。应变计的动态特性就是指其感受随时间变化的应变时之响应特性。应变片的动态特性应变波的传播过程1在试件材料中传播传播速度为2在试件粘结剂和基底中传播所需时间非常短，可忽略不计3在敏感栅的长度内传播应变波全部通过敏感栅后，应变片的变形才能达到最大，造成时间上的延迟(/)Evms结论：应变片反映的应变是敏感栅长度内所感受应变的平均值，影响动态响应特性的主要因素是应变片的基长（即一根敏感栅的直线长度+弧长）。0l应变片的动态响应特性1对正弦信号的响应下图表示一频率为f，幅值为ε0的正弦波，以速度v沿着应变计纵向x方向传播时，在某一瞬时t的分布图。应变计中点xt的瞬时应变为0sin(2/)ttx3.2应变片的动态响应特性1对正弦信号的响应应变波达到最大幅值时两端的坐标：在基长内测到的平均应变为1020,,xxxxxx00000212sin2sinsin()xxxxpxdxxLxxL0002sin()xx3.2应变片的动态响应特性1对正弦信号的响应则应变波的测量误差：由※可测的应变波的频率为0200001sin1()6plfLlvfmaxmin?forf,L4应变片的温度效应及其补偿一、温度效应及其热输出1、温度效应(热效应）设工作温度变化为Δt℃，则引起粘贴在试件上的应变计电阻的相对变化为:式中：αt——敏感栅材料的电阻温度系数；K——应变计的灵敏系数；βg、βs——分别为试件和敏感栅材料的线膨胀系数。()()ttgsRatKtR000(1)tRRRatRat一、温度效应及其热输出2、热输出12,sgllltlllt若βgβs，121()gsllllt1l其附加应变为：11/()gsllt折合成电阻变化为：1'/()gsRRKKt总的电阻变为：/'/()gsRRRRtKt一、温度效应及其热输出2、热应变相对的热应变为:应变计的温度效应及其热输出由两部分组成：前部分为热阻效应所造成；后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。在工作温度变化较大时，这种热输出干扰必须加以补偿。ttaKKRRtsttt).(1)/(二、热输出补偿方法1、温度自补偿法精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿。(1)单丝自补偿应变计在研制和选用应变计时，若选择敏感栅的合金材料，其αt、βt能与试件材料的βs相匹配，即满足，达到温度自补偿的目的。不同的试件材料必须用不同的应变片，局限性很大。()tgsaK0t二、热输出补偿方法1、温度自补偿法(2)双丝自补偿应变计敏感栅由电阻温度系数一正一负的两种合金丝串接而成。当工作温度变化时，若Ra栅产生正的热输出εa与Rb栅产生负的热输出εb相等或相近，就可达到自补偿的目的，即:bataatbbatbtRRRRRR)/()(图2.2（a）回线式（b）短接式()()atbtRR二、热输出补偿方法1、自补偿法（3）双丝半桥式敏感栅由同符号电阻温度系数的两种合金丝串接而成，工作栅R1接入工作臂，补偿栅R2外接串接电阻RB(不敏感温度影响)接入补偿臂，另外的2个桥臂接入平衡电阻R3、R4。当温度变化时，只要电桥工作臂和补偿臂的热输出相等或相近，就能达到热补偿目的。1、自补偿法（3）双丝半桥式121212211ttBttBtRRRRRRRRRRR2、桥路补偿法（1）补偿块法使用两个相同的应变计。R1贴在试件上，接入电桥工作臂，R2贴在与试件同材料、同环境温度，但不参与机械应变的补偿块上，接入电桥相邻臂作补偿臂，补偿臂产生与工作臂相同的热输出。电桥对温度变化不敏感，对应变变化很敏感，起到温度补偿作用。2、桥路补偿法（2）差动电桥法将4个完全相同的应变片分别贴于测悬梁上下对称位置，处于相同温度下，而受力相反。所以两电阻变化值相同而符号相反，可起温度补偿作用，而且电桥输出电压比单片时增加1倍。