2023/2/71專題1應(yīng)變式力與稱重傳感器

2023/2/721.1電阻應(yīng)變?cè)砼c器件(72頁(yè)到73頁(yè)）1）相關(guān)概念電阻應(yīng)變是力作用的結(jié)果，涉及應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量和泊松比等概念。應(yīng)力：力/受力面積；應(yīng)力為正，表拉長(zhǎng)物體的拉應(yīng)力，為負(fù)，表示物體受壓；應(yīng)力作用的結(jié)果是使物體產(chǎn)生應(yīng)變。應(yīng)變：長(zhǎng)度變化/未加應(yīng)力時(shí)的原長(zhǎng)。圖（a）中應(yīng)變?yōu)?+Δl/l（拉伸），圖（b）中應(yīng)變?yōu)??Δl/l（壓縮）。這兩種情況都是縱向應(yīng)變。應(yīng)變與應(yīng)力呈線性關(guān)系，直線的斜率稱為物體的彈性模量EE=應(yīng)力/應(yīng)變 對(duì)于線性拉伸或壓縮，彈性模量稱為楊氏模量E；對(duì)于剪應(yīng)力，相關(guān)的彈性模量稱為剪切模量S。1.電阻應(yīng)變效應(yīng)與器件2023/2/734.2.1電阻應(yīng)變?cè)砼c器件1）應(yīng)變效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體制成的元件受力作用產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象稱應(yīng)變效應(yīng)；據(jù)此效應(yīng)工作的元件稱應(yīng)變片。已知長(zhǎng)為l、橫向面積為A、電阻率為的材料電阻為R=l/A，當(dāng)元件有應(yīng)變時(shí)，其、l、A也變化，其電阻的相對(duì)變化為：

其中l(wèi)/l是元件的縱向應(yīng)變L，設(shè)橫截面積A=Wt(W為寬、t為厚)，則A/A=W/W+t/t=2T，其中T是元件的橫向應(yīng)變。根據(jù)材料力學(xué)原理有T=?L(稱為泊松比，由材料決定)。根據(jù)上述公式和關(guān)系，可得電阻的相對(duì)變化為：R/R=L?2T+/=(1+2)L+/

2023/2/742）應(yīng)變材料的靈敏系數(shù)(K)靈敏系數(shù)K定義為電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變之比，即：

K=(R/R0)/L,其中R0是無(wú)應(yīng)變時(shí)的電阻。因此，應(yīng)變材料的電阻相對(duì)變化與其線應(yīng)變成正比，即：R/R0=KL

金屬材料受力后電阻率的相對(duì)變化與體積V的變化關(guān)系為

d/=CdV/V，其中C是由材料和加工方式?jīng)Q定的常數(shù)。由V=lA可得：d

/=C(dl/l+dA/A)=C(L+2T)=C(1?2)L

因此，應(yīng)變片的電阻變化可用下式表示：R/R0=(1+2)L+C(1?2)L=KL

由上可知，金屬材料的應(yīng)變效應(yīng)主要由結(jié)構(gòu)尺寸變化造成，靈敏系數(shù)主要由（1+2）決定。2023/2/752）應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和靈敏系數(shù)金屬電阻應(yīng)變片的組成：保護(hù)片+敏感柵+基底+引線。如圖所示，敏感柵為金屬絲或金屬箔，粘貼在絕緣基底上，上面再貼一層絕緣保護(hù)片，然后在敏感柵的兩引出點(diǎn)引線。敏感柵存在橫向效應(yīng)等因素影響，使應(yīng)變片的靈敏系數(shù)小于敏感柵材料的靈敏系數(shù)。通常應(yīng)變片的靈敏系數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)由給定應(yīng)變下的電阻值變化確定，即K=(R/R).

2023/2/762）應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和靈敏系數(shù)半導(dǎo)體應(yīng)變片主要基于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，直接用單晶鍺或硅等材料經(jīng)切割、研磨、切條、接引線、粘貼等工藝制成，其結(jié)構(gòu)如右圖所示。相對(duì)金屬電阻應(yīng)變片，半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)很高，但其溫度穩(wěn)定性及重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。

概念小結(jié)：金屬應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)及靈敏系數(shù)；半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)及靈敏系數(shù)。2023/2/77半導(dǎo)體應(yīng)變片及金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體應(yīng)變片外形金屬絲式應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2023/2/783）應(yīng)變片和應(yīng)變式傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用（74頁(yè)）(1)應(yīng)變片的應(yīng)用主要用于結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變分析和作為傳感器的轉(zhuǎn)換元件。在第一種應(yīng)用中，將應(yīng)變片貼于待測(cè)構(gòu)件的測(cè)量部位，測(cè)量構(gòu)件的應(yīng)力或應(yīng)變，用于機(jī)械、建筑等構(gòu)件的受力、變形測(cè)試分析，為構(gòu)件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、校驗(yàn)等提供可靠數(shù)據(jù)。在第二種應(yīng)用中，應(yīng)變片作為轉(zhuǎn)換元件貼于彈性元件上，與彈性元件組合實(shí)現(xiàn)測(cè)量力/壓力及位移、加速度的傳感器。(2)應(yīng)變電阻測(cè)量應(yīng)變片阻值變化常用電橋法測(cè)量。為提高靈敏度、克服非線性，常用差動(dòng)半橋(雙片)或差動(dòng)全橋(四片)方式。2023/2/793）應(yīng)變片和應(yīng)變式傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用（74頁(yè)）(3)應(yīng)變式傳感器的主要特點(diǎn)（a）測(cè)量范圍廣：幾到數(shù)千(1=10-6)應(yīng)變，10-2~107N力,10-1～106Pa壓力。（b）線性度好，精度較高（誤差可小于0.1%或更小）。（c）頻率響應(yīng)好：一般響應(yīng)時(shí)間10-7s，半導(dǎo)體達(dá)10-11s，動(dòng)態(tài)測(cè)量l05Hz級(jí)；但實(shí)際反映的是應(yīng)變片所受應(yīng)變的均值。（d）性能穩(wěn)定，工作可靠，性價(jià)比高。（e）適應(yīng)惡劣環(huán)境、大加速度和振動(dòng)條件：經(jīng)適當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選材，可在高、低溫，強(qiáng)腐蝕及核輻射下可靠工作。（f）須考慮橫向效應(yīng)引起的橫向靈敏度與溫度影響的補(bǔ)償。另外，應(yīng)變片粘貼涉及被測(cè)表面變形能否正確傳給應(yīng)變片；黏合劑須與應(yīng)變片材料和試件材料相適應(yīng)，遵循正確工藝。2023/2/710優(yōu)點(diǎn)：

①精度高，測(cè)量范圍廣；

②頻率響應(yīng)特性較好；

③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕；

④可在高(低)溫、高速、高壓、強(qiáng)烈振動(dòng)、強(qiáng)磁場(chǎng)及核輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣條件下正常工作；

⑤易于實(shí)現(xiàn)小型化、固態(tài)化；

⑥價(jià)格低廉，品種多樣，便于選擇。

電阻應(yīng)變片式傳感器的核心元件是金屬應(yīng)變片，它可將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。缺點(diǎn)：具有非線性，輸出信號(hào)微弱，抗干擾能力較差，因此信號(hào)線需要采取屏蔽措施；只能測(cè)量一點(diǎn)或應(yīng)變柵范圍內(nèi)的平均應(yīng)變，不能顯示應(yīng)力場(chǎng)中應(yīng)力梯度的變化等；不能用于過(guò)高溫度場(chǎng)合下的測(cè)量。2023/2/711應(yīng)變片的工作原理

金屬絲受拉時(shí)，l變長(zhǎng)、r變小，導(dǎo)致R變大。2023/2/712應(yīng)變片的工作原理

設(shè)有一長(zhǎng)度為l、截面積為A、半徑為r、電阻率為的金屬單絲，它的電阻值R可表示為

當(dāng)沿金屬絲的長(zhǎng)度方向作用均勻拉力（或壓力）時(shí)，上式中、r、l都將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。例如金屬絲受拉時(shí)，l將變長(zhǎng)、r變小，均導(dǎo)致R變大；又如，某些半導(dǎo)體受拉時(shí)，將變大，導(dǎo)致R變大。實(shí)驗(yàn)證明，電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化量R

R與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變x的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即

K—電阻應(yīng)變片的靈敏度2023/2/713應(yīng)變片用于測(cè)量力F的計(jì)算公式

由材料力學(xué)可知，x=F/（AE），所以R/R又可表示為

如果應(yīng)變片的靈敏度K和試件的橫截面積A以及彈性模量Ｅ均為已知，則只要設(shè)法測(cè)出R/R的數(shù)值，即可獲知試件受力Ｆ的大小，例如可用于電子秤的稱重。2023/2/714應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)

應(yīng)變片可分為金屬應(yīng)變片及半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。前者可分成金屬絲式、箔式、薄膜式三種。目前箔式應(yīng)變片應(yīng)用較多。金屬絲式應(yīng)變片使用最早，有紙基、膠基之分。由于金屬絲式應(yīng)變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢(shì)。但其價(jià)格便宜，多用于應(yīng)變、應(yīng)力的大批量、一次性試驗(yàn)。箔式應(yīng)變片中的箔柵是金屬箔通過(guò)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(yīng)變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量時(shí)的蠕變較小，一致性較好，適合于大批量生產(chǎn)。還可以對(duì)金屬箔式應(yīng)變片進(jìn)行適當(dāng)?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(yīng)變式傳感器中。2023/2/715箔式應(yīng)變片的外形2023/2/716應(yīng)變片的粘貼：

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(xì)紗布交叉打磨出細(xì)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。

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2.貼片：在應(yīng)變片的表面和處理過(guò)的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠，用鑷子將應(yīng)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。2023/2/7183.測(cè)量：從分開的端子處，預(yù)先用萬(wàn)用表測(cè)量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。2023/2/719

4.焊接：將引線和端子用烙鐵焊接起來(lái)，注意不要把端子扯斷。

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5.固定：焊接后用膠布將引線和被測(cè)對(duì)象固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)變片。

2023/2/7212.應(yīng)變式力與稱重傳感器（158頁(yè)到163頁(yè)）

導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。稱重傳感器構(gòu)成：彈性元件+應(yīng)變片+測(cè)量電路。2023/2/7222.1測(cè)量電路——不平衡電橋

金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測(cè)量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。

2023/2/723電橋平衡的條件：R1/R2=R4/R3

調(diào)節(jié)RP，最終可以使R1/R2=R4/R3（R1、R2是R1、R2并聯(lián)RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預(yù)調(diào)到零位，這一過(guò)程稱為調(diào)零。圖中的R5是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。

2023/2/724單臂電橋

全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。2023/2/725

雙臂電橋

R1、

R2為應(yīng)變片，

R3、R4為固定電阻。應(yīng)變片R1、R2感受到的應(yīng)變1~2以及產(chǎn)生的電阻增量正負(fù)號(hào)相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。2023/2/726四臂全橋

全橋的四個(gè)橋臂都為應(yīng)變片，如果設(shè)法使試件受力后，應(yīng)變片R1~

R4產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應(yīng)變1~4）正負(fù)號(hào)相間，就可以使輸出電壓Uo成倍地增大。上述三種工作方式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。采用全橋（或雙臂半橋）還能實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。2023/2/727全橋的溫度補(bǔ)償原理

當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，橋臂上的應(yīng)變片溫度同時(shí)升高，溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂較?。话霕蛞餐瑯幽芸朔仄?。2023/2/7282.2各種類型稱重傳感器

應(yīng)變式力傳感器

FFFF2023/2/729各種懸臂梁（書上所說(shuō)的梁式力傳感器）

2023/2/730各種懸臂梁（梁式力傳感器）

FF固定點(diǎn)固定點(diǎn)電纜2023/2/731應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形（梁式力傳感器）

應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置（就是書上所說(shuō)的柱筒式力傳感器）FR1R2R4應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（柱筒式力傳感器）FF應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（柱筒式力傳感器）FF荷重傳感器原理演示（柱筒式力傳感器）

荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長(zhǎng)。

2023/2/736汽車衡2023/2/737汽車衡（以下參考北京遠(yuǎn)亞興業(yè)商貿(mào)有限公司資料）汽車衡稱重系統(tǒng)荷重傳感器用于構(gòu)件的稱重

荷重傳感器（共