弹性元件上应变片的粘贴和电桥连接

任务二:电阻应变片传感器应用于称重系统应力、应变的基本概念1.应力的基本概念在一组自相平衡的外力作用下物体内各个部分产生相互作用力，我们用应力来描写。给一根截面积为S的均匀直杆两端施加方向相反的拉力F。如果在杆中A点作一垂直于杆轴的截面并且考虑被这截面分开的左半段杆子，根据静力平衡要求，在此截面上分布有合力为F的力，这个力就是右半段杆子通过截面A作用到左半段杆子上的内力。我们把作用在单位面积上的内力叫做应力。AF2.应变的基本概念杆件在轴向拉伸或压缩时，所产生的主要变形是沿轴线方向伸长或缩短；但是杆的横向尺寸还会缩小或增大，前者称为纵向变形，后者称为横向变形。实验证明，当受拉力时，杆的伸长量△l与拉力F和杆件原长成正比，与杆件的横截面积A成反比。可以用数学式表示为：AFll如果引进一个比例系数，则EAFll上式就是轴向拉伸和压缩时纵向变形的计算公式，称为虎克定律EAFll式中的E值与材料的性质有关，称为材料的弹性模量，其值越大，则杆件的变形越小，故它是衡量材料抵抗变形能力的一个指标。EA代表了杆件抵抗拉伸（压缩）变形的能力，称为杆件的抗拉（压）刚度。2.应变的基本概念目录2.1电阻应变式传感器2.2电阻应变式传感器的信号调节电路2.3电阻应变式传感器应用于称重系统2.1电阻应变式传感器电阻应变式传感器是将非电量的变化转换成与之有一定关系的电阻值的变化，通过对电阻值的测量达到对非电量测量的目的。其主要特点是：结构简单，性能稳定、可靠，灵敏度高，频率响应特性好，适合于静、动态测量。它是目前用于测量力、力矩、压力、加速度、质量等参数最常用的传感器之一，已广泛应用于许多领域，诸如航空、机械、电力、化工、建筑。2.1.1电阻应变式传感器的工作原理构成电阻应变式传感器由弹性元件、电阻应变片和测量电路组成。弹性元件用来感受被测量的变化，并将被测量的变化转换为弹性元件表面应变。工作原理电阻应变片粘贴在弹性元件上，将弹性元件的表面应变转换为应变片电阻值的变化；然后通过测量电路将应变片电阻值的变化转换为便于输出测量的电量，从而实现非电量的测量。一、电阻应变片的分类电阻应变片是应变测量的关键元件，为适应各种领域测量的需要，可供选择的电阻应变片的种类很多，但按其敏感栅材料及制作方法可分类如表所示。2.1.1电阻应变式传感器的工作原理大类细分金属电阻应变片金属丝应变片金属箔应变片金属薄膜应变片半导体电阻应变片体型半导体应变片P型应变片、N型应变片扩散型半导体应变片P型应变片、N型应变片薄膜型半导体应变片电阻应变片分类二、电阻应变片的工作原理1.金属电阻应变片（1）金属丝电阻应变效应LRSdRddLdSRLS金属导体在发生机械变形时，其阻值发生相应变化，即形成导体的电阻应变效应。由于式中：ρ——电阻率；L——导体长度；S——导体截面积。对式（3-1）进行全微分得（3-1）（3-2）令导体纵向（轴向）应变量，横向（径向）应变量为，由《材料力学》相关知识可知，在弹性范围内，金属丝受拉时，纵向应变与横向应变的关系为：22SrdSrdr222dSrdrdrSrr即当金属丝受拉而伸长时，则ρ、L、S的变化dρ、dL、dS将会引起电阻值的变化。令导体截面半径为r，则/dLL/rdrrrdrdLrL式中μ——金属材料的泊松系数。将(3-2)、(3-3)代入(3-1)可得：（3-3）(12)dRdLdRL/SdRdLKRL(12)/SddLKL/(12)d引入应变灵敏系数由式（3-4）得（3-4）（3-5）式中，决定于导体几何形状发生的变化，决定于导体变形后所引起的电阻率的变化。KS为金属导体应变灵敏系数，其物理含义是单位纵向应变引起电阻的相对变化量，即(12)/dSSdRdLKKRLSSRLKKRL或当金属丝制作成敏感栅时，其灵敏系数不仅决定于金属导体材料本身的灵敏系数Ks，而且还与敏感栅的横向效应、粘结剂及粘贴工艺等诸多因素有关。因而实际的电阻应变片灵敏系数略小于Ks，电阻应变片产品上标注的灵敏系数即为该批应变片抽样检测所得到的灵敏系数的平均值。（2）金属丝电阻应变片结构金属丝电阻应变片的基本结构如图所示。敏感栅2是由直径均为0.025mm、高电阻率的合金电阻丝绕制而成，栅长为l，栅宽为b，静态电阻值有60Ω、120Ω、200Ω等多种规格。电阻应变片基本结构1－基片；2－敏感栅；3－覆盖层；4－引线图中基片1和覆盖层3是用来固定敏感栅、引线的几何形状和相对位置。基片多采用粘结剂和有机树脂薄膜制成，厚度约0.02～0.04mm，它也是敏感栅与弹性元件间的绝缘层。覆盖层起保护敏感栅作用，也是由粘结剂和树脂薄膜制成，覆盖层、敏感栅和基片由粘结剂粘结在一起。应变片的引线常用直径为0.1～0.15mm的镀锡铜线，引线与敏感栅焊接可靠，电阻率低，电阻温度系数小，抗氧化，耐腐蚀。电阻应变片基本结构1－基片；2－敏感栅；3－覆盖层；4－引线（a）灵敏系数灵敏系数系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。K值的准确性将直接影响测量精度，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。(3)金属丝电阻应变片基本特性（b）横向效应直线金属丝受纵向拉伸力时，丝上各段所感受的应力应变是相同的，因而每段的伸长也是相同的，金属丝总电阻的增加等于各段电阻增加的总和。但将金属丝绕制成敏感栅后，在同样的拉伸力作用下，沿拉伸力方向的直线段仍感受纵向拉应变而伸长；但弯曲的圆弧段在感受纵向拉应变的同时，也感受与纵向拉应变相反的横向压应变，称之为横向效应，且弯曲半径越大，横向效应越严重，致使电阻的增加值减小，应变片灵敏系数降低。（c）机械滞后在恒温下，应变片受力后，其内部会产生不可逆的残余变形，致使应变电阻在加载和卸载时，出现一定的差值，此差值称之为机械滞后，也将引起应变片灵敏系数下降。ΔεΔε1机械应变εR卸载加载指示应变εi应变片的机械滞后（d）蠕变应变片受恒定力作用时，应变电阻值随时间而变化，这是因为应力在粘胶层中传递时出现滑动现象，胶层越厚，滑动越严重，这种现象称之为蠕变，蠕变结果也将引起灵敏系数下降。因而在应变片制作及往弹性元件上粘贴时，不但要选用同型号优质粘贴剂，而且粘贴层要薄而均匀。（e）温漂应变片材料的电阻一般都受温度影响，温度变化引起应变片电阻值变化的现象称之为温漂，这种由于物质内部热激发所引起的热输出，通常是导致灵敏度下降的主要因素，因而在应变测量中都要采取相应的温度补偿措施。(f)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。（g）允许电流允许电流系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。它与应变片本身、试件、粘合剂和环境等有关。要根据应变片的阻值和结合电路具体情况计算。为保测量精度、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．箔式应变片允许电流较大。2.半导体电阻应变片金属电阻应变片工作性能稳定、精度高、应用广泛，至今还在不断改进和开发新型应变片，以适应工程应用的需要，但其主要缺点是灵敏系数小，一般为2～4。为了改善这一不足，20世纪60年代后期，相继开发出多种类型的半导体电阻应变片，其灵敏度可达金属应变片的50～80倍，且尺寸小、横向效应小、蠕变及机械滞后小，更适用于动态测量。沿着半导体某晶向施加一定的压力而使其产生应变时，其电阻率将随应力改变而变化，这种现象称之为半导体的压阻效应。不同类型的半导体，其压阻效应不同；同一类型的半导体，受力方向不同，压阻效应也不同，半导体应变片的纵向压阻效应可由式（3-4）改写为(12)RLRL由半导体电阻理论可知：E式中：π——半导体材料的纵向压阻系数；E——半导体材料的弹性模量。(12)RER所以（3-6）RER/BRLKERL式中，1+2μ是由纵向应力而引起应变片几何形状的变化，金属电阻应变灵敏系数主要由此项决定；πE是因纵向应力所引起的压阻效应，半导体电阻应变灵敏系数主要由πE决定，因为一般πE比1+2μ大近百倍，故可得：其应变灵敏系数为：用于制作半导体应变片的材料有硅、锗、锑化铟、磷化镓等，但目前一般用硅和锗的杂质半导体。优点：尺寸小、横向效应和机械滞后都很小；灵敏系数极大，因而输出也大，可以不需要放大器直接与记录仪相连，使得测量系统简化。缺点：电阻值和灵敏系数温度稳定性差；测量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受力方式变化且分散度大。2.2电阻应变式传感器的信号调节电路由于电阻应变片的机械应变一般都很小，很难把微小应变引起的微小电阻变化直接测量出来，同时要把电阻变化转换成为电压或电流的变化，因此需要采用转换测量电路。在电阻应变式传感器中最常用的转换测量电路是桥式电路。一、电桥的测量方式电桥按测量方式可分为平衡电桥和非平衡电桥法。（1）平衡电桥工作原理ABCDUiR1R2R3R4RgIg若采用零测法，电桥的平衡条件为流过检流计的电流Ig为零。因此有：1423123412341234()()gigRRRRIURRRRRRRRRRRRR（）1423RRRR应变片由应变引起的电阻变化为ΔR1，使平衡关系受到破坏，检流计有电流流过。此时可调节其余臂的电阻，如R2，使平衡关系重新满足。即：114223141423233124()()RRRRRRRRRRRRRRRRRR若R3和R4为定值，可用ΔR2表示ΔR1的大小。一般将R3和R4称为比例臂，改变它们的值，可以改变R1的测量范围。而R2称为调节臂，用它来刻度被测应变量的数值。该电桥的工作特点是：在测量前和测量时要作两次平衡。静态应变仪的电桥多采用这种原理制成。若应变为动态量，则电阻变化很快，平衡电桥已经来不及了，此时只能采用偏转法，即非平衡电桥法。114223141423233124()()RRRRRRRRRRRRRRRRRR（2）非平衡电桥工作原理R1仍为被测电阻Rx，在常态下调节R2使电桥平衡，则输出电压Uo为零，输出电流Io也为零。当Rx=R1+△R1时，电桥失去平衡。输出电压Uo、输出电流Io随△R1的变化而变化，故可用输出电压或输出电流的大小反映被测量的变化情况。采用这种不平衡状态，既可以测量静态值又可以测量动态值，其测量精度受检流计的精度及电源稳定性的影响，但能满足一般实际测量的要求ABCDR1+ΔRR2R3R4u0ui二、电桥的工作特性指标1.电桥的灵敏度电桥的灵敏度是指单位输入量时的输出变化量。对于不平衡电桥，输入量是指桥臂上电阻R的变化量△R，输出量是电桥的输出电压的变化量△U,所以电桥的灵敏度就是输出电压的相对变化量与电阻的相对变化量之比，即：RRUUKsus二、电桥的工作特性指标2.电桥的非线性误差电桥的输出电压Uo与电阻变化△R1之间不是线性关系，为了便于测量装置的实现，常将非线性方程线性化，若线性化后的输出电压为Uos，则非线性误差定义为：ooosfUUU二、电桥的工作特性指标（1）单臂电桥R2R4R1R3US图8-2电桥原理图CDBAUo当RX由R1变化到R1+△R1时4312431112114321114433211111111RRRRURRRRRRURRURRRRRRRURRRURRRRRUssssso一、电桥的工作特性指标（1）单臂电桥R2R4R1R3US图8-2电桥原理图CDBAUo当RX由R1变化到R1+△R1时431