電阻應變式傳感器介紹

電阻應變式傳感器介紹電阻應變式傳感器概述

?可測力、壓力、位移、應變、加速度等物理量；

力、壓力、位移

彈性敏感元件

電阻R電橋U應變電路

片

?工作原理：金屬絲、箔、薄膜在外界應力

作用下電阻值變化的效應——電阻應變效應

?結(jié)構(gòu)簡單，使用方便

?易于實現(xiàn)自動化、多點及遠距離測量、遙測；

?靈敏度高，測量速度快，適合靜態(tài)、動態(tài)測量；

電阻應變式傳感器概述?可測力、壓力、位移、應變、加速度等物應變片用于各種電子衡器

磅秤

電子天平

應變片用于各種電子衡器磅秤電子天平材料應變的測量

斜拉橋上的斜拉繩應變測試

材料應變的測量斜拉橋上的斜拉繩應變測試汽車衡稱重系統(tǒng)

汽車衡稱重系統(tǒng)汽車衡

汽車衡2.1電阻應變片的工作原理

——金屬的電阻－應變效應

金屬絲的電阻隨著它所受的機械變形的大小而發(fā)生相應的變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應變效應。

lR??S金屬絲受拉時，l變長、r變小，導致R變大

。

2.1電阻應變片的工作原理——金屬的電阻－應變效應ldR?dl?2ds?d?sss??ldRdldsd????Rls?dl??——金屬絲的軸向應變；

ldr——金屬絲的徑向應變（

dS/S=2dr/r）

?r?r

?r????；

μ——泊松系數(shù)；(Poissonratio)ldR?dl?2ds?d?sss??ldRdldsd????dRd??(1?2?)??R?令：

K??dR????1?2????d?????S???R????

式中：KS——金屬絲的靈敏系數(shù)；(gagefactor)在金屬絲的彈性范圍內(nèi)，靈敏系數(shù)KS

為常數(shù)，即

：

?R?Ks?

R線性關系

?通常很小，常用10-6表示之。例如，當?

為0.000001時，在工程中常表示為1?10-6或?m/m。在應變測量中，也常將之稱為微應變(με)。對金屬材料而言，當它受力之后所產(chǎn)生的軸向應變最好不要大于1?10-3，即1000?m/m，否則有可能超過材料的極限強度而導致斷裂。

dRd??(1?2?)??R?令：K??dR????1?22.2電阻應變片的結(jié)構(gòu)、種類和材料

2.2.1應變片的基本結(jié)構(gòu)

2.2.2應變片的種類

2.2電阻應變片的結(jié)構(gòu)、種類和材料2.2.1應變片的基本1.金屬絲式應變片(bondedmetal-wiregage)

直徑在0.012～0.05mm的金屬絲；

2.金屬箔式應變片(bondedmetal-foilgage)厚度在0.001～0.01mm的金屬箔；

1.金屬絲式應變片(bondedmetal-wireg箔式應變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金。箔式應變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時間測量時的蠕變較小，一致性較好，適合于大批量生產(chǎn)。還可以對金屬箔式應變片進行適當?shù)臒崽幚?，使其線脹系數(shù)、電阻溫度系數(shù)以及被粘貼的試件的線脹系數(shù)三者相互抵消，從而將溫度影響減小到最小的程度，目前廣泛用于各種應變式傳感器中。

3.金屬薄膜式應變片(vacuum-depositedthin-metal-filmgage,sputter-depositedthin-metal-filmgage)厚度在0.1μm以下的金屬箔；

箔式應變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔的材2.2.3應變片的材料

1.敏感柵材料

對敏感柵的材料的要求：

①應變靈敏系數(shù)大，并在所測應變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；

②電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長的應變片；

③電阻溫度系數(shù)要??；

④抗氧化能力高，耐腐蝕性能強；

⑤在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強度；

⑥加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材；

⑦易于焊接，對引線材料的熱電勢小。

常用材料有：康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金、鉑、鉑鎢合金等，如下表。

2.2.3應變片的材料1.敏感柵材料對敏感柵的材料的材料名稱

化學成分%電阻率電阻溫度系數(shù)ρ/(Ω·mm2/m)α/（10-6/℃）

靈敏系數(shù)Ks

線膨脹系數(shù)β/（10-6/℃）

最高使用溫度/℃

250(靜態(tài))400(動態(tài))450(靜態(tài))800(動態(tài))450(靜態(tài))800(動態(tài))450(靜態(tài))800(動態(tài))550(靜態(tài))1000(動態(tài))800(靜態(tài))1000(動態(tài))800(靜態(tài))1000(動態(tài))800(靜態(tài))1000(動態(tài))康銅

鎳鉻合金

卡瑪合金

6J22伊文合金

6J23鐵鉻鋁合金

鉑鎢合金

鉑

鉑銥合金

Cu55Ni45Ni80Cr20Ni74,Cr20Al3,Fe3Ni75,Cr20Al3,Cu2Fe余量Cr26,Al5.4Pt90.5~91.5W8.5~9.5PtPt80,Ir200.45~0.521.0~1.11.24~1.421.24~1.421.3~1.50.74~0.760.09~0.110.35±20110~130±20±20±30~40139~1923900902.02.1~2.32.4~2.62.4~2.62.63.0~3.24.61.0151413.313.3149913材料名稱化學成分%電阻率電阻溫度系數(shù)ρ/(Ω·mm2/m2.基底材料

基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護敏感柵?；椎娜L稱為基底長，其寬度稱為基底寬。

基底材料有紙基和膠基。膠基由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜，厚度約0.03～0.05mm3.黏合劑材料

用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應變片時，也需用粘結(jié)劑將應變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應變傳遞給應變計的基底和敏感柵。

常用的粘結(jié)劑分為有機和無機兩大類。有機粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機硅樹脂，聚酰亞胺等。無機粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。

2.基底材料基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位類型

硝化纖維素黏合劑

氰基丙烯酸黏合劑

主要成分

牌號

適于黏合的基底材料

紙

紙、膠膜、玻璃纖維布

最低固化條件

室溫10小時或60℃2小時

室溫1小時

室溫24小時

室溫2.5小時

200℃2小時

150℃3小時

150℃1小時

190℃3小時

200℃3小時

280℃2小時

400℃1小時

固化壓力/104Pa0.5~1粘合時指壓

0.3~0.5粘合時指壓

粘合時指壓

21~2—

—

1~3使用溫度/℃

硝化纖維素溶劑

氰基丙烯酸酯

萬能膠

501，502－50~80－100~80－50~150－60~80－100~250－196~250－60~150－60~100－60~350－150~250550聚酯樹脂黏合劑

不飽和聚酯樹脂、過氧化環(huán)已酮、萘酸鈷干料

環(huán)氧樹脂、聚硫酚銅胺、固化劑

914509J06-2JSF-21720J-1230-14GJ-14LN-3膠膜、玻璃纖維布

膠膜、玻璃纖維布

膠膜、玻璃纖維布

膠膜、玻璃纖維布

膠膜、玻璃纖維布

膠膜、玻璃纖維布

環(huán)氧樹脂類黏合劑

酚醛環(huán)氧、無機填料、固化劑

環(huán)氧樹脂、酚醛、甲苯二酚、石棉粉等

酚醛樹脂、聚乙烯醇縮丁醛

酚醛樹脂類黏合劑

酚醛樹脂、聚乙烯醇縮甲乙醛

酚醛樹脂、有機硅

膠膜、玻璃纖維布

膠膜、玻璃纖維布

金屬薄片、臨時基底

金屬薄片、臨聚酰亞胺黏合劑

磷酸鹽黏合劑

氧化物噴涂

聚酰亞胺

磷酸二氫鋁無機填料

P106二氧化二鋁

400℃3小時

700800類型硝化纖維素黏合劑氰基丙烯酸黏合劑主要成分牌號適4.引線材料

是從應變片的敏感柵中引出的細金屬線。對引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。

2.3應變片的主要參數(shù)

1.應變片電阻值（R0）

電阻應變片的電阻值為60Ω、120Ω、350Ω，500Ω和1000Ω

等多種規(guī)格，以120Ω最為常用。

應變片的電阻值越大，允許的工作電壓就大，傳感器的輸出電壓也大，相應地應變片的尺寸也要增大，在條件許可的情況下，應盡量選用高阻值應變片。

4.引線材料是從應變片的敏感柵中引出的細金屬線。對引線材料2.絕緣電阻(敏感柵與基底間電阻值：要求>1010歐姆；

3.應變片的靈敏系數(shù)（K）

金屬應變絲的電阻相對變化與它所感受的應變之間具有線性關系，用靈敏度系數(shù)KS表示。當金屬絲做成應變片后，其電阻—應變特性，與金屬單絲情況不同。因此，須用實驗方法對應變片的電阻—應變特性重新測定。實驗表明，金屬應變片的電阻相對變化與應變ε在很寬的范圍內(nèi)均為線性關系。即

?R?K?R?RK?R?K為金屬應變片的靈敏系數(shù)。注意，K是在試件受一維應力作用，應變片的軸向與主應力方向一致，且試件材料的泊松比為0.285的鋼材時測得的。測量結(jié)果表明，應變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)KS。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應也是一個不可忽視的因素。

2.絕緣電阻(敏感柵與基底間電阻值：要求>1010歐姆；34.機械滯后

應變片粘貼在被測試件上，當溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不重合，即為機械滯后。

產(chǎn)生原因：應變片在承受機械應變后，其內(nèi)部會產(chǎn)生殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應變片時，如果敏感柵受到不適當?shù)淖冃位蛘哒辰Y(jié)劑固化不充分。

機械滯后值還與應變片所承受的應變量有關，加載時的機械應變愈大，卸載時的滯后也愈大。所以，通常在實驗之前應將試件預先加、卸載若干次，以減少因機械滯后所產(chǎn)生的實驗誤差。

指示應變εi

卸載

Δε

加載

機械應變ε

應變片的機械滯后Δε1

4.機械滯后應變片粘貼在被測試件上，當溫度恒定時，5.零漂和蠕變

對于粘貼好的應變片，當溫度恒定時，不承受應變時，其電阻值隨時間增加而變化的特性，稱為應變片的零點漂移。

產(chǎn)生原因：敏感柵通電后的溫度效應；應變片的內(nèi)應力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。

如果在一定溫度下，使應變片承受恒定的機械應變，其電阻值隨時間增加而變化的特性稱為蠕變。一般蠕變的方向與原應變量的方向相反。

產(chǎn)生原因：由于膠層之間發(fā)生“滑動”，使力傳到敏感柵的應變量逐漸減少。

這是兩項衡量應變片特性對時間穩(wěn)定性的指標，在長時間測量中其意義更為突出。實際上，蠕變中包含零漂，它是一個特例。

5.零漂和蠕變對于粘貼好的應變片，當溫度恒定時，不承受應6.應變極限、疲勞壽命

在一定溫度下，應變片的指示應變對測試值的真實應變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時的最大真實應變值。在圖中，真實應變是由于工作溫度變化或承受機械載荷，在被測試件內(nèi)產(chǎn)生應力(包括機械應力和熱應力)時所引起的表面應變。

指示應變εi

±10%

1

εlim

真實應變εz

主要因素：粘結(jié)劑和基底材料傳遞變形的性能及應變片的安裝質(zhì)量。制造與安裝應變片時，應選用抗剪強度較高的粘結(jié)劑和基底材料。基底和粘結(jié)劑的厚度不宜過大，并應經(jīng)過適當?shù)墓袒幚?，才能獲得較高的應變極限。

6.應變極限、疲勞壽命在一定溫度下，應變片的指示應變對疲勞壽命指對已粘貼好的應變片，在恒定幅值的交變力作用下，

可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)。

7.允許電流：靜態(tài)25mA,動態(tài)：75～100mA；

8.橫向效應(transverseeffect)

如圖，若將應變片粘貼在單向拉伸試件上，這時各直線段上的金屬絲只感受沿其軸向拉應變εx，故其各微段電阻都將增加，但在圓弧段上，沿各微段軸向(即微段圓弧的切向)的應變卻并非是εx。所產(chǎn)生的電阻變化與直線段上同長微段的不一樣，在θ=90°的

微弧段處最為明顯。由于單向位伸時，除了沿軸向(水平方向)產(chǎn)生拉應變外，按泊松關系同時在垂直方向上產(chǎn)生負的壓應變εy（=－μεx），因此該段上的電阻不僅不增加，反而是減少的。

疲勞壽命指對已粘貼好的應變片，在恒定幅值的交變力作用下，可而在圓弧的其他各微段上，其軸向感受的應變是由+εx變化到－εy的，因此圓弧段部分的電阻變化，顯然將小于其同樣長度沿軸向安放的金屬絲的電阻變化。由此可見，將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應變狀態(tài)不同，應變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲小，因此靈敏系數(shù)有所降低，這種現(xiàn)象稱為應變片的橫向效應。

應變片的橫向效應表明，當實際使用應變片的條件與標定靈敏度系數(shù)K時的條件不同時，由于橫向效應的影響，實際K值要改變，由此可能產(chǎn)生較大測量誤差。為了減小橫向效應的影響，一般多采用箔式應變片。

而在圓弧的其他各微段上，其軸向感受的應變是由+εx變化到－ε9.動態(tài)響應特性

當被測應變值隨時間變化的頻率很高時，需考慮應變片的動態(tài)特性。因應變片基底和粘貼膠層很薄，構(gòu)件的應變波傳到應變片的時間很短(估計約0.2μs)，故只需考慮應變沿應變片軸向傳播時的動態(tài)響應。

設一頻率為

f的正弦應變波在構(gòu)件中以速度

v沿應變片柵長方向傳播，在某一瞬時

t，應變量沿構(gòu)件分布如圖所示。

ε

應變片

ε1

l

xt

ε0

x

λ

9.動態(tài)響應特性當被測應變值隨時間變化的頻率很高時，需考

設應變波波長為λ，則有λ=v/f。應變片柵長為l，瞬時t時應變波沿構(gòu)件分布為

2???x???

x0sin?2?應變片中點的應變?yōu)?/p>

???sinxt0t

?

xt為t瞬時應變片中點的坐標。應變片測得的應變?yōu)闁砰L

l范圍內(nèi)的平均應變εm，其數(shù)值等于

l范圍內(nèi)應變波曲線下的面積除以

l，即

?l

sinlx?1t22?2???p??l?0sinxdx??0sinxt??llxt?2??

?設應變波波長為λ，則有λ=v/f。應變片柵長為l

平均應變εm與中點應變ε0相對誤差δ為

?sin?l??p??0?p??1??1??l?0?0?δ的大小只決定于

l的比值，表中給出1/10和1/20時δ的數(shù)值。

?誤差δ的計算結(jié)果

l?δ（%）

1/101.621/200.52由上式可見，相對誤差了為平均應變εm與中點應變ε0相對誤差δ為?sin?l?由表可知，應變片柵長與正弦應變波的波長之比愈小，相對誤差δ愈小。當選中的應變片柵長為應變波長的（1/10-1/20）時，δ將小于2%。

因為

???f

式中

υ——應變波在試件中的傳播速度；

f——應變片的可測頻率。

?l1?取

，則

f?0.1?10l

若已知應變波在某材料內(nèi)傳播速度υ，由上式可計算出柵長為L的應變片粘貼在某種材料上的可測動態(tài)應變最高頻率。

由表可知，應變片柵長與正弦應變波的波長之比愈小，相對誤差δ愈l下表為鋼材，v=5000m/s,?＝20的計算結(jié)果

基長l0

（mm）1235101520最高工作頻率（KHz)25012583.3502516.612.5對階躍輸入應變的響應

（a）階躍輸入信號

（b）理論輸出信號

（c）實際輸出信號

tk=0.8l/v,可測最高頻率(誤差1~1/e)為f=0.35/tk=0.44v/ll下表為鋼材，v=5000m/s,?＝20的計算結(jié)果基長2.4應變片的應用

2.4.1應變片的選擇

1.應變片類型的選擇

2.材料的選擇

3.阻值的選擇

4.尺寸的選擇

2.4.2應變片的使用

2.4應變片的應用2.4.1應變片的選擇1.應變片類型的

1.去污：采用手

持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細紗布交叉打磨出細紋以增加粘貼力

，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。

1.去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件

2.貼片：在應變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠

，用鑷子將應變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡

。

2.貼片：在應變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂

3.測量

：

從分開的端子處，預先用萬用表測量應變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應變片。

3.測量：從分開的端子處，預先用萬用表測

4.焊接：

將引線和端子用烙

鐵焊接起來，注意不

要把端子扯斷。

4.焊接：將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意

焊接后用膠布將

引線和被測對象

5.固定：

固定在一起，防止損壞引線和應變片。

焊接后用膠布將引線和被測對象5.固定：固定2.5轉(zhuǎn)換電路

應變片將應變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對變化ΔR/R，要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能用電路測量儀表進行測量。電阻應變片的測量線路多采用交流電橋(配交流放大器)，其原理和直流電橋相似。直流電橋比較簡單，因此首先分析直流電橋。

2.5.1恒壓源直流電橋

2.5轉(zhuǎn)換電路應變片將應變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對變化ΔR/如圖所示。電源E為恒壓源，其內(nèi)阻為零。根據(jù)電路學中的克希霍

R1

B

R2

II2

RL

夫定律，列出電路方程：

??I2?I1?IL??I3?I4?IL?I?3R3?I4R4?Ui?I3R3?ILRL?I1R1?0??I4R4?I2R2?ILRL?0A

1

C

I

3I

4IL

RR

3

D

4

U

i恒壓電橋電路原理圖

如圖所示。電源E為恒壓源，其內(nèi)阻為零。根據(jù)電路學中的克希霍聯(lián)立求解上述方程，求出檢流計中流過的電流Io為:Ui?R1R4?R2R3?I0?RL?R1?R2??R3?R4??R1R2?R3?R4??R3R4?R1?R2?式中

RL為負載電阻，因而其輸出電壓UL為:Ui?R1R4?R2R3?UL?ILRL?1?R1?R2??R3?R4??[R1R2?R3?R4??R3R4?R1?R2?]RL當R1R4=R2R3時，IL=0，UL=0，即電橋處于平衡狀態(tài)。

若電橋的負載電阻RL為無窮大，則B、D兩點可視為開路，上式可以化簡為:聯(lián)立求解上述方程，求出檢流計中流過的電流Io為:Ui?R1R1R4?R2R3Uo?Ui?R1?R2??R3?R4?(2-12)設R1為應變片的阻值，工作時R1有一增量ΔR1，當為拉伸應變時，ΔR1為正；壓縮應變時，ΔR1為負。在上式中以R1+ΔR1代替R1，則

R1??R1?R4?R2R3?Uo?Ui?R1??R1?R2??R3?R4?R1R4?R2R3Uo?Ui?R1?R2??R3?R4?(2R4?R1整理得：

R3R1U0?Ui??R1R2??R4????1???1?R1R1??R3??定義橋臂比：

(2-13)R2R4n??R1R3由于ΔR1<<R1,略去(2-13)分母中的

ΔR1/R1得：

U0?n?1?n?2?R1UiR1(2-14)R4?R1整理得：R3R1U0?Ui??R1R2??R4?

U0n

KU??Ui2?R1?1?n?(2-15)

R1定義電橋靈敏度：

當dKU/dn=0時，

dKU最大，此時n=1；

即R2=R1；R4=

R3當n=1時，電橋為等臂電橋，其輸出電壓為：

(2-16)1?R11U0?Ui?K?Ui4R14

單臂直流電橋的非線性誤差

如果不略去（2-13）式中分母的ΔR1/R1項，則電橋?qū)嶋H輸出值為U0'，非線性誤差為：

?R1

'U0?U0R1???

U0?1?n??R1???

當n=1時，

R1??

?R123

???R2R1?R1?R1??R1???R1?1?1?????????.......?????2R1?1??R1?2R1?2R1?2R1??2R1?????2R?1?可見非線性誤差與ΔR1/R1成正比。對金屬電阻應變片，ΔR非常小，電橋非線性誤差可以忽略。對半導體應變片，由于其靈敏度大，受應變時ΔR很大，非線性誤差將不可忽略，因此應采用差動電橋。

單臂直流電橋的非線性誤差如果不略去（2-13）式差動電橋

兩臂差動電橋的輸出電壓為：

?R3?R1??R1U0?Ui????R1??R1?R2??R2R3?R4?設初始時為R1=R2=R3=R4=R；則上式為

Ui?R1??R2U0?22R??R1??R2若工作時應變片一片受拉、一片受壓，即ΔR1=－ΔR2=ΔR，則

Ui?RUiU0??K?2R2可見，這時輸出電壓U0與ΔR/R間成嚴格的線性關系，且電橋靈敏度比單臂電橋提高一倍。

差動電橋兩臂差動電橋的輸出電壓為：?R3?R1??R1U若采用四臂差動電橋（全橋），如圖，并設初始時R1=R2=R3=R4=R；工作時各個橋臂中電阻應變片電阻的變化為：ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4；則電橋輸出為：

?R1?R2?R3?RU?U???4ioRRRR4??1??R1?1?2??R??R2R??R3?R4??R?R????

若ΔR1=ΔR4=－ΔR2=－ΔR3=ΔR，則有

U?R0?RUi?K?Ui若采用四臂差動電橋（全橋），如圖，并設初始時R1=R2=R32.5.2恒流源電橋

設供電電流為I，當ΔR1=0時，且負載電阻很大，通過各臂的電流為

R3?R4I1?IR1?R2?R3?R4R1?R2I2?IR1?R2?R3?R4

輸出電壓為：U

?IR?IR?01123若電橋初始處于平衡狀態(tài)，且R1=R2=R3=R4=R；當R1變?yōu)镽+ΔR時，電橋輸出電壓為

R?R1?R非線性誤差比恒壓源U0?4R??RI?4I?R1?4R電橋減小1/2

R1R4?R2R3IR1?R2?R3?R42.5.2恒流源電橋設供電電流為I，當ΔR1=0時，且負載2.5.3交流電橋

?交流載波放大器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、外界干擾和電源影響小及造價低等優(yōu)點，但存在工作頻率上限較低、長導線時分布電容影響大等缺點。

?直流放大器工作頻帶寬，能解決分布電容問題，但它需配用精密穩(wěn)定電源供橋，造價較高。

近年來隨著電子技術的發(fā)展，在數(shù)字應變儀、超動態(tài)應變儀中已逐漸采用直流放大形式的測量線路。

1．交流電橋的平衡條件

交流電橋電路如圖所示,輸出電壓為

?.z1z4?z2z3UO?Uiz?zz?z???1234?

平衡條件為：

z1z4?z2z32.5.3交流電橋?交流載波放大器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、設各臂阻抗為:z1?r1?jx1?Z1ej?2

z2?r2?jx2?Z2ej?1z3?r3?jx3?Z3ej?3j?4z4?r4?jx4?Z4e式中，ri、xi為相應各橋臂的電阻和電抗，Zi和φi為復阻抗的模和幅角。

故交流電橋的平衡條件為:????1??4??2??3Z1Z4?Z2Z3上式表明，交流電橋平衡要滿足兩個條件，即相對兩臂復阻抗的模之積相等，并且其幅角之和相等。所以交流電橋的平衡比直流電橋的平衡要復雜得多。

設各臂阻抗為:z1?r1?jx1?Z1ej?2z2?r22．交流電橋的平衡調(diào)節(jié)

對于純電阻交流電橋，由于應變片連接導線的分布電容，相當于在應變片上并聯(lián)了一個電容，如圖，所以在調(diào)節(jié)平衡時，除使用電阻平衡裝置外，還要使用電容平衡裝置，

2．交流電橋的平衡調(diào)節(jié)對于純電阻交流電橋，由于應變片連接導2.6電阻應變片的溫度誤差及其補償

1.溫度誤差及其產(chǎn)生原因

用作測量應變的金屬應變片，希望其阻值僅隨應變變化，而不受其它因素的影響。實際上應變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測試件的溫度)影響很大。由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，從而產(chǎn)生很大的測量誤差，稱為應變片的溫度誤差，又稱熱輸出。因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素：

?應變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)；

?電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。

2.6電阻應變片的溫度誤差及其補償1.溫度誤差及其產(chǎn)生

設環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為Δt（℃）時，粘貼在試件表面的應變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為α

，則應變片產(chǎn)生的電阻相對變化為

???R??R?????tt1由于敏感柵材料和被測構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當Δ存在時，引起應變片的附加應變，相應的電阻相對變化為

???R??R???K??g??s??tt2βg—試件材料線膨脹系數(shù)；βs—敏感柵材料線膨脹系數(shù)。

K——應變片靈敏系數(shù)。

t

設環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為Δt（℃）時，粘貼在試件表面溫度變化形成的總電阻相對變化：

??R???R???R????????????t?K??g??s??t?R?t?R?t1?R?t2

相應的虛假應變?yōu)?/p>

??t??R??t????g??s?t?K?

R?tK?

上式為應變片粘貼在試件表面上，當試件不受外力作用，在溫度變化Δt時，應變片的溫度效應。用應變形式表現(xiàn)出來，稱之為熱輸出。

可見，應變片熱輸出的大小不僅與應變計敏感柵材料的性能(α,βs)有關，而且與被測試件材料的線膨脹系數(shù)(βg)有關。

??溫度變化形成的總電阻相對變化：??R???R???R??2.溫度誤差補償方法

（1）自補償法

1）單絲自補償

由前式知，若使應變片在溫度變化Δt時的熱輸出值為零，必須使

??K?g??s?0

每一種材料的被測試件，其線膨脹系數(shù)βg都為確定值，可以在有關的材料手冊中查到。在選擇應變片時，若應變片的敏感柵是用單一的合金絲制成，并使其電阻溫度系數(shù)α和線膨脹系數(shù)βs

滿足上式的條件，即可實現(xiàn)溫度自補償。具有這種敏感柵的應變片稱為單絲自補償應變片。

單絲自補償應變片的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造和使用都比較方便，但它必須在具有一定線膨脹系數(shù)材料的試件上使用，否則不能達到溫度自補償?shù)哪康摹?/p>

??2.溫度誤差補償方法（1）自補償法1）單絲自補償由前式2）雙絲組合式自補償

如圖（a）,應變片由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達到一定的溫度范（a）

(b)圍內(nèi)在一定材料的試件上實現(xiàn)

溫度補償。這種應變片的自補償條件要求粘貼在某種試件上的兩段敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號相反，即

ΔR1t=–ΔR2t,該方法補償效果可達±0.45με／℃。

組合式自補償應變片的另一種形式是用兩種同符號溫度系數(shù)的合金絲串接成敏感柵，在串接處焊出引線并接入電橋，如圖(b)。適當調(diào)節(jié)R1與R2的長度比和外接電阻RB的值，使之滿足條件

?R1t?R2t

?即可滿足溫度自補償要求

R1R2?RB2）雙絲組合式自補償如圖（a）,應變片由兩種不同電阻溫度系（2）橋路補償法

如圖，工作應變片R1安裝在被測試件上，另選一個特性與R1相同的補償片RB，安裝在材料與試件相同的補償件上，溫度與試件相同，但不承受應變。R1與RB接入電橋相鄰臂上。由于相同溫度變化造成R1和RB電阻變化相同，根據(jù)電橋理論可知，電橋輸出電壓與溫度變化無關。

在有些應用中，可以通過巧妙地安裝多個應變片以達到溫度補償和提高測量靈敏度的雙重目的。如圖，在等強度懸臂梁的上下表面對應位置粘貼四片相同的應變片并接成差動全橋，當梁受壓力F時，R1和R2應變片受拉應變，電阻增加，而R3和R4應變片受壓應變，電阻減小，電橋輸出為單臂工作時的4倍。而溫度變化引起四片應變片的電阻變化相同，則電橋輸出不變。

（2）橋路補償法如圖，工作應變片R1安裝在被測試件上，另選2.7電阻應變式傳感器

2.7.1電阻應變式力傳感器

1．柱式力傳感器

柱式力傳感器的彈性元件分實心和空心兩種，如圖。其特點是結(jié)構(gòu)簡單，可承受較大載荷，最大可達107N，在測103~105N載荷時，為提高變換靈敏度和抗橫向干擾，一般采用空心圓柱結(jié)構(gòu)。

根據(jù)材料力學，柱沿軸向的應變?yōu)?/p>

?Fx?ES應變的大小取決于S、E、F，與軸長度無關。

2.7電阻應變式傳感器2.7.1電阻應變式力傳感器1．柱圓柱的直徑的計算：根

據(jù)材料極限應力[σb]來計算

即：F/S<=[σb]

；S=πd2/4

得：

4Fd??[?b]4F2D??d?[?b]對空心圓柱體，得：

外徑

內(nèi)徑

高度：H>=2D+l

或

H>=D-d+l

應變片長度

圓柱的直徑的計算：根據(jù)材料極限應力[σb]來計算即：FBLR—1型拉力傳感器

BLR—1型拉力傳感器?1????4??????t4?1????UiKUo???1???K?Ui''4??2??2??3??3??????t?1?2?1?????2?t??'1'4?1????4??????t4?1????UiKUo???1應變式荷重傳感器外形及受力位置

FF應變式荷重傳感器外形及受力位置FF2．梁式力傳感器

懸臂梁式：

等強度梁：

ε=6lF/Eb0h2

等截面梁：

ε=6Fl0/Ebh2

2．梁式力傳感器懸臂梁式：等強度梁：ε=6lF/Eb0雙孔平行梁：

載荷可以施加在任何位置，都可以

簡化為作用于梁端部的力F及一個力偶MFL2?MFL1?M?1?,?2?EWEWFL2?MFL1?M?3??,?4??EWEW2bhW?——抗彎斷面系數(shù)

6差動電橋輸出：

UiKU0?FL2EW可見載荷的位置不影響輸出

雙孔平行梁：載荷可以施加在任何位置，都可以簡化為作用于梁S型雙孔梁

UUiK0?4EWFL2W?bh6——抗彎斷面系數(shù)

差動電橋輸出：S型雙孔梁UUiK0?4EWFL2W?bh6——抗彎斷面應變式力傳感器

FFFF應變式力傳感器FFFF

吊鉤秤

便攜式

吊鉤秤便攜式各種懸臂梁

F固定點

F固定點

電纜

各種懸臂梁F固定點F固定點電纜3.剪切式力傳感器

應變片安裝在彈性元件剪應變最大處的主應變方向。剪切式力傳感器的輸出和精度比拉壓式力傳感器高。

梁長度的中間截面彎矩為零，中性層處是最大剪應變所在處，為此將電阻應變片安裝在該截面的中性層上，柵絲與中性層成45°方向，即最大正應變方向。

四片應變片接成全橋電路后，電橋輸出指示的應變與外力的關系為：

矩形截面梁：

工字形截面梁：

32??bhGF??EG?2?1???bhGF－－剪切彈性模量

3.剪切式力傳感器應變片安裝在彈性元件剪應變最大處的主應變減小彎矩影響的剪切力傳感器貼片方式

輪輻式剪切力傳感器

減小彎矩影響的剪切力傳感器貼片方式輪輻式剪切力傳感器2.7.2電阻應變式壓力傳感器

1．平膜片式壓力傳感器

??3p22r8h2

???1+??r0??3+??r???3p22t?8h2

???1+??r0??1+3??r??在膜片中心（R=0），ε；當r、ε0.635rr＞t達到正最大值；當r＝0時，εr=00.635r0時，ε產(chǎn)生負值；當r＝rr0時，εt=0，εr達到負最大值。一般用小柵長應變片在膜片中心沿切向貼兩片，在邊緣處沿徑向貼兩片，并接成全橋線路，以提高靈敏度和進行溫度補償。

2.7.2電阻應變式壓力傳感器1．平膜片式壓力傳感器?2.筒式壓力傳感器

如圖（a）,當內(nèi)腔與被測壓力場相通時，圓筒部分外表面上的切向應變（沿著圓周線）為

?D?E?n?1?2p?2???,n?D0D若筒壁較薄時，可用下式計算應變

pD?1?0.5??(b)(c)貼片方式可

???E實現(xiàn)溫度補償

式中，β——筒的外徑與內(nèi)徑之差，β=D0－D。

2.筒式壓力傳感器如圖（a）,當內(nèi)腔與被測壓力場相通時，圓2.7.3電阻應變式加速度傳感器

2.7.3電阻應變式加速度傳感器加速度傳感器系統(tǒng)模型

加速度傳感器系統(tǒng)模型2.8電阻應變儀

2.8電阻應變儀2.9壓阻式傳感器

是利用硅的壓阻效應和微電子技術制成的，是一種新的物性型傳感器。

優(yōu)點：靈敏度高、動態(tài)響應好、精度高、易于微型化和集成化等。2.9.1基本工作原理

單晶硅材料在受到應力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象被稱為壓阻效應。

dRd????1?2???電阻相對變化量

R?對半導體材料

dRd???????E?R?式中，π——壓阻系數(shù),與晶向有關。E為半導體材料的彈性模量

2.9壓阻式傳感器是利用硅的壓阻效應和微電子技術制成的，用于制作半導體應變片的材料最常用的是硅和鍺。在硅和鍺中滲進硼、鋁、鎵、銦等雜質(zhì)，可以形成P型半導體；如滲進磷、銻、砷等，則形成N型半導體。滲入雜質(zhì)的濃度越大，半導體材料的電阻率就越低。

參數(shù)

πl(wèi)/10-7㎝2·N-1

El/107㎝-2·NKB

[100][110][111][100][110][111][100][110][111]硅（ρ=10Ω·㎝）

NP－102＋6.5－63＋71－8＋931.301.671.87－132＋10－104＋123－13＋177鍺（ρ=10Ω·㎝）

NP－3＋6－72＋47.5－95＋651.011.381.55－2＋5－97＋65－147＋103由表可見，半導體是各向異性材料，其壓阻系數(shù)與晶向密切相關。N型硅的[100]晶向、P型硅的[111]晶向、N型鍺的[111]晶向、P型鍺的[111]晶向，其靈敏系數(shù)比金屬絲應變片要大幾十倍。

用于制作半導體應變片的材料最常用的是硅和鍺。在硅和鍺中滲進硼2.9.2半導體應變片

2.9.2半導體應變片2.9.3壓阻式傳感器

將制作成一定形狀的N型單晶硅作為彈性元件，選擇一定的晶向，通過半導體擴散工藝在硅基底上擴散出4個P型電阻，構(gòu)成惠斯登電橋的四個橋臂，從而實現(xiàn)了彈性元件與變換元件一體化，這樣的敏感器件稱為壓阻式傳感器。壓阻式傳感器主要用于測量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。

1．壓阻式壓力傳感器

2.9.3壓阻式傳感器將制作成一定形狀的N型單晶硅作為彈性2．壓阻式加速度傳感器

基座

擴散電阻

硅梁

ahb質(zhì)量塊l應變

?和加速度

a間關系式：

??6mlEbh2a

2．壓阻式加速度傳感器基座擴散電阻硅梁ahb質(zhì)2.9.4壓阻式傳感器輸出信號調(diào)理

2.9.4壓阻式傳感器輸出信號調(diào)理由MAXIM1450壓阻式傳感器專用芯片構(gòu)成的測量電路

由MAXIM1450壓阻式傳感器專用芯片構(gòu)成的測量電路電阻應變式傳感器介紹

電阻應變式傳感器介紹電阻應變式傳感器概述

?可測力、壓力、位移、應變、加速度等物理量；

力、壓力、位移

彈性敏感元件

電阻R電橋U應變電路

片

?工作原理：金屬絲、箔、薄膜在外界應力

作用下電阻值變化的效應——電阻應變效應

?結(jié)構(gòu)簡單，使用方便

?易于實現(xiàn)自動化、多點及遠距離測量、遙測；

?靈敏度高，測量速度快，適合靜態(tài)、動態(tài)測量；

電阻應變式傳感器概述?可測力、壓力、位移、應變、加速度等物應變片用于各種電子衡器

磅秤

電子天平

應變片用于各種電子衡器磅秤電子天平材料應變的測量

斜拉橋上的斜拉繩應變測試

材料應變的測量斜拉橋上的斜拉繩應變測試汽車衡稱重系統(tǒng)

汽車衡稱重系統(tǒng)汽車衡

汽車衡2.1電阻應變片的工作原理

——金屬的電阻－應變效應

金屬絲的電阻隨著它所受的機械變形的大小而發(fā)生相應的變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應變效應。

lR??S金屬絲受拉時，l變長、r變小，導致R變大

。

2.1電阻應變片的工作原理——金屬的電阻－應變效應ldR?dl?2ds?d?sss??ldRdldsd????Rls?dl??——金屬絲的軸向應變；

ldr——金屬絲的徑向應變（

dS/S=2dr/r）

?r?r

?r????；

μ——泊松系數(shù)；(Poissonratio)ldR?dl?2ds?d?sss??ldRdldsd????dRd??(1?2?)??R?令：

K??dR????1?2????d?????S???R????

式中：KS——金屬絲的靈敏系數(shù)；(gagefactor)在金屬絲的彈性范圍內(nèi)，靈敏系數(shù)KS

為常數(shù)，即

：

?R?Ks?

R線性關系

?通常很小，常用10-6表示之。例如，當?

為0.000001時，在工程中常表示為1?10-6或?m/m。在應變測量中，也常將之稱為微應變(με)。對金屬材料而言，當它受力之后所產(chǎn)生的軸向應變最好不要大于1?10-3，即1000?m/m，否則有可能超過材料的極限強度而導致斷裂。

dRd??(1?2?)??R?令：K??dR????1?22.2電阻應變片的結(jié)構(gòu)、種類和材料

2.2.1應變片的基本結(jié)構(gòu)

2.2.2應變片的種類

2.2電阻應變片的結(jié)構(gòu)、種類和材料2.2.1應變片的基本1.金屬絲式應變片(bondedmetal-wiregage)

直徑在0.012～0.05mm的金屬絲；

2.金屬箔式應變片(bondedmetal-foilgage)厚度在0.001～0.01mm的金屬箔；

1.金屬絲式應變片(bondedmetal-wireg箔式應變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金。箔式應變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時間測量時的蠕變較小，一致性較好，適合于大批量生產(chǎn)。還可以對金屬箔式應變片進行適當?shù)臒崽幚恚蛊渚€脹系數(shù)、電阻溫度系數(shù)以及被粘貼的試件的線脹系數(shù)三者相互抵消，從而將溫度影響減小到最小的程度，目前廣泛用于各種應變式傳感器中。

3.金屬薄膜式應變片(vacuum-depositedthin-metal-filmgage,sputter-depositedthin-metal-filmgage)厚度在0.1μm以下的金屬箔；

箔式應變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔的材2.2.3應變片的材料

1.敏感柵材料

對敏感柵的材料的要求：

①應變靈敏系數(shù)大，并在所測應變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；

②電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長的應變片；

③電阻溫度系數(shù)要?。?/p>

④抗氧化能力高，耐腐蝕性能強；

⑤在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強度；

⑥加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材；

⑦易于焊接，對引線材料的熱電勢小。

常用材料有：康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金、鉑、鉑鎢合金等，如下表。

2.2.3應變片的材料1.敏感柵材料對敏感柵的材料的材料名稱

化學成分%電阻率電阻溫度系數(shù)ρ/(Ω·mm2/m)α/（10-6/℃）

靈敏系數(shù)Ks

線膨脹系數(shù)β/（10-6/℃）

最高使用溫度/℃

250(靜態(tài))400(動態(tài))450(靜態(tài))800(動態(tài))450(靜態(tài))800(動態(tài))450(靜態(tài))800(動態(tài))550(靜態(tài))1000(動態(tài))800(靜態(tài))1000(動態(tài))800(靜態(tài))1000(動態(tài))800(靜態(tài))1000(動態(tài))康銅

鎳鉻合金

卡瑪合金

6J22伊文合金

6J23鐵鉻鋁合金

鉑鎢合金

鉑

鉑銥合金

Cu55Ni45Ni80Cr20Ni74,Cr20Al3,Fe3Ni75,Cr20Al3,Cu2Fe余量Cr26,Al5.4Pt90.5~91.5W8.5~9.5PtPt80,Ir200.45~0.521.0~1.11.24~1.421.24~1.421.3~1.50.74~0.760.09~0.110.35±20110~130±20±20±30~40139~1923900902.02.1~2.32.4~2.62.4~2.62.63.0~3.24.61.0151413.313.3149913材料名稱化學成分%電阻率電阻溫度系數(shù)ρ/(Ω·mm2/m2.基底材料

基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護敏感柵?；椎娜L稱為基底長，其寬度稱為基底寬。

基底材料有紙基和膠基。膠基由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜，厚度約0.03～0.05mm3.黏合劑材料

用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應變片時，也需用粘結(jié)劑將應變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應變傳遞給應變計的基底和敏感柵。

常用的粘結(jié)劑分為有機和無機兩大類。有機粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機硅樹脂，聚酰亞胺等。無機粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。

2.基底材料基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位類型

硝化纖維素黏合劑

氰基丙烯酸黏合劑

主要成分

牌號

適于黏合的基底材料

紙

紙、膠膜、玻璃纖維布

最低固化條件

室溫10小時或60℃2小時

室溫1小時

室溫24小時

室溫2.5小時

200℃2小時

150℃3小時

150℃1小時

190℃3小時

200℃3小時

280℃2小時

400℃1小時

固化壓力/104Pa0.5~1粘合時指壓

0.3~0.5粘合時指壓

粘合時指壓

21~2—

—

1~3使用溫度/℃

硝化纖維素溶劑

氰基丙烯酸酯

萬能膠

501，502－50~80－100~80－50~150－60~80－100~250－196~250－60~150－60~100－60~350－150~250550聚酯樹脂黏合劑

不飽和聚酯樹脂、過氧化環(huán)已酮、萘酸鈷干料

環(huán)氧樹脂、聚硫酚銅胺、固化劑

914509J06-2JSF-21720J-1230-14GJ-14LN-3膠膜、玻璃纖維布

膠膜、玻璃纖維布

膠膜、玻璃纖維布

膠膜、玻璃纖維布

膠膜、玻璃纖維布

膠膜、玻璃纖維布

環(huán)氧樹脂類黏合劑

酚醛環(huán)氧、無機填料、固化劑

環(huán)氧樹脂、酚醛、甲苯二酚、石棉粉等

酚醛樹脂、聚乙烯醇縮丁醛

酚醛樹脂類黏合劑

酚醛樹脂、聚乙烯醇縮甲乙醛

酚醛樹脂、有機硅

膠膜、玻璃纖維布

膠膜、玻璃纖維布

金屬薄片、臨時基底

金屬薄片、臨聚酰亞胺黏合劑

磷酸鹽黏合劑

氧化物噴涂

聚酰亞胺

磷酸二氫鋁無機填料

P106二氧化二鋁

400℃3小時

700800類型硝化纖維素黏合劑氰基丙烯酸黏合劑主要成分牌號適4.引線材料

是從應變片的敏感柵中引出的細金屬線。對引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。

2.3應變片的主要參數(shù)

1.應變片電阻值（R0）

電阻應變片的電阻值為60Ω、120Ω、350Ω，500Ω和1000Ω

等多種規(guī)格，以120Ω最為常用。

應變片的電阻值越大，允許的工作電壓就大，傳感器的輸出電壓也大，相應地應變片的尺寸也要增大，在條件許可的情況下，應盡量選用高阻值應變片。

4.引線材料是從應變片的敏感柵中引出的細金屬線。對引線材料2.絕緣電阻(敏感柵與基底間電阻值：要求>1010歐姆；

3.應變片的靈敏系數(shù)（K）

金屬應變絲的電阻相對變化與它所感受的應變之間具有線性關系，用靈敏度系數(shù)KS表示。當金屬絲做成應變片后，其電阻—應變特性，與金屬單絲情況不同。因此，須用實驗方法對應變片的電阻—應變特性重新測定。實驗表明，金屬應變片的電阻相對變化與應變ε在很寬的范圍內(nèi)均為線性關系。即

?R?K?R?RK?R?K為金屬應變片的靈敏系數(shù)。注意，K是在試件受一維應力作用，應變片的軸向與主應力方向一致，且試件材料的泊松比為0.285的鋼材時測得的。測量結(jié)果表明，應變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)KS。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應也是一個不可忽視的因素。

2.絕緣電阻(敏感柵與基底間電阻值：要求>1010歐姆；34.機械滯后

應變片粘貼在被測試件上，當溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不重合，即為機械滯后。

產(chǎn)生原因：應變片在承受機械應變后，其內(nèi)部會產(chǎn)生殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應變片時，如果敏感柵受到不適當?shù)淖冃位蛘哒辰Y(jié)劑固化不充分。

機械滯后值還與應變片所承受的應變量有關，加載時的機械應變愈大，卸載時的滯后也愈大。所以，通常在實驗之前應將試件預先加、卸載若干次，以減少因機械滯后所產(chǎn)生的實驗誤差。

指示應變εi

卸載

Δε

加載

機械應變ε

應變片的機械滯后Δε1

4.機械滯后應變片粘貼在被測試件上，當溫度恒定時，5.零漂和蠕變

對于粘貼好的應變片，當溫度恒定時，不承受應變時，其電阻值隨時間增加而變化的特性，稱為應變片的零點漂移。

產(chǎn)生原因：敏感柵通電后的溫度效應；應變片的內(nèi)應力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。

如果在一定溫度下，使應變片承受恒定的機械應變，其電阻值隨時間增加而變化的特性稱為蠕變。一般蠕變的方向與原應變量的方向相反。

產(chǎn)生原因：由于膠層之間發(fā)生“滑動”，使力傳到敏感柵的應變量逐漸減少。

這是兩項衡量應變片特性對時間穩(wěn)定性的指標，在長時間測量中其意義更為突出。實際上，蠕變中包含零漂，它是一個特例。

5.零漂和蠕變對于粘貼好的應變片，當溫度恒定時，不承受應6.應變極限、疲勞壽命

在一定溫度下，應變片的指示應變對測試值的真實應變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時的最大真實應變值。在圖中，真實應變是由于工作溫度變化或承受機械載荷，在被測試件內(nèi)產(chǎn)生應力(包括機械應力和熱應力)時所引起的表面應變。

指示應變εi

±10%

1

εlim

真實應變εz

主要因素：粘結(jié)劑和基底材料傳遞變形的性能及應變片的安裝質(zhì)量。制造與安裝應變片時，應選用抗剪強度較高的粘結(jié)劑和基底材料?；缀驼辰Y(jié)劑的厚度不宜過大，并應經(jīng)過適當?shù)墓袒幚恚拍塬@得較高的應變極限。

6.應變極限、疲勞壽命在一定溫度下，應變片的指示應變對疲勞壽命指對已粘貼好的應變片，在恒定幅值的交變力作用下，

可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)。

7.允許電流：靜態(tài)25mA,動態(tài)：75～100mA；

8.橫向效應(transverseeffect)

如圖，若將應變片粘貼在單向拉伸試件上，這時各直線段上的金屬絲只感受沿其軸向拉應變εx，故其各微段電阻都將增加，但在圓弧段上，沿各微段軸向(即微段圓弧的切向)的應變卻并非是εx。所產(chǎn)生的電阻變化與直線段上同長微段的不一樣，在θ=90°的

微弧段處最為明顯。由于單向位伸時，除了沿軸向(水平方向)產(chǎn)生拉應變外，按泊松關系同時在垂直方向上產(chǎn)生負的壓應變εy（=－μεx），因此該段上的電阻不僅不增加，反而是減少的。

疲勞壽命指對已粘貼好的應變片，在恒定幅值的交變力作用下，可而在圓弧的其他各微段上，其軸向感受的應變是由+εx變化到－εy的，因此圓弧段部分的電阻變化，顯然將小于其同樣長度沿軸向安放的金屬絲的電阻變化。由此可見，將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應變狀態(tài)不同，應變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲小，因此靈敏系數(shù)有所降低，這種現(xiàn)象稱為應變片的橫向效應。

應變片的橫向效應表明，當實際使用應變片的條件與標定靈敏度系數(shù)K時的條件不同時，由于橫向效應的影響，實際K值要改變，由此可能產(chǎn)生較大測量誤差。為了減小橫向效應的影響，一般多采用箔式應變片。

而在圓弧的其他各微段上，其軸向感受的應變是由+εx變化到－ε9.動態(tài)響應特性

當被測應變值隨時間變化的頻率很高時，需考慮應變片的動態(tài)特性。因應變片基底和粘貼膠層很薄，構(gòu)件的應變波傳到應變片的時間很短(估計約0.2μs)，故只需考慮應變沿應變片軸向傳播時的動態(tài)響應。

設一頻率為

f的正弦應變波在構(gòu)件中以速度

v沿應變片柵長方向傳播，在某一瞬時

t，應變量沿構(gòu)件分布如圖所示。

ε

應變片

ε1

l

xt

ε0

x

λ

9.動態(tài)響應特性當被測應變值隨時間變化的頻率很高時，需考

設應變波波長為λ，則有λ=v/f。應變片柵長為l，瞬時t時應變波沿構(gòu)件分布為

2???x???

x0sin?2?應變片中點的應變?yōu)?/p>

???sinxt0t

?

xt為t瞬時應變片中點的坐標。應變片測得的應變?yōu)闁砰L

l范圍內(nèi)的平均應變εm，其數(shù)值等于

l范圍內(nèi)應變波曲線下的面積除以

l，即

?l

sinlx?1t22?2???p??l?0sinxdx??0sinxt??llxt?2??

?設應變波波長為λ，則有λ=v/f。應變片柵長為l

平均應變εm與中點應變ε0相對誤差δ為

?sin?l??p??0?p??1??1??l?0?0?δ的大小只決定于

l的比值，表中給出1/10和1/20時δ的數(shù)值。

?誤差δ的計算結(jié)果

l?δ（%）

1/101.621/200.52由上式可見，相對誤差了為平均應變εm與中點應變ε0相對誤差δ為?sin?l?由表可知，應變片柵長與正弦應變波的波長之比愈小，相對誤差δ愈小。當選中的應變片柵長為應變波長的（1/10-1/20）時，δ將小于2%。

因為

???f

式中

υ——應變波在試件中的傳播速度；

f——應變片的可測頻率。

?l1?取

，則

f?0.1?10l

若已知應變波在某材料內(nèi)傳播速度υ，由上式可計算出柵長為L的應變片粘貼在某種材料上的可測動態(tài)應變最高頻率。

由表可知，應變片柵長與正弦應變波的波長之比愈小，相對誤差δ愈l下表為鋼材，v=5000m/s,?＝20的計算結(jié)果

基長l0

（mm）1235101520最高工作頻率（KHz)25012583.3502516.612.5對階躍輸入應變的響應

（a）階躍輸入信號

（b）理論輸出信號

（c）實際輸出信號

tk=0.8l/v,可測最高頻率(誤差1~1/e)為f=0.35/tk=0.44v/ll下表為鋼材，v=5000m/s,?＝20的計算結(jié)果基長2.4應變片的應用

2.4.1應變片的選擇

1.應變片類型的選擇

2.材料的選擇

3.阻值的選擇

4.尺寸的選擇

2.4.2應變片的使用

2.4應變片的應用2.4.1應變片的選擇1.應變片類型的

1.去污：采用手

持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細紗布交叉打磨出細紋以增加粘貼力

，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。

1.去污：采用手