第3章

電阻應變式傳感器3.1

電阻應變片的工作原理 應變：在力的作用下，物體的尺寸發(fā)生相對變化。電阻的應變效應：金屬或半導體材料的電阻值隨著其所受機械變形的大小而改變的現(xiàn)象。金屬絲的電阻值：全微分式：〔因為A=πr2，所以dA=2πrdr〕定義：泊松系數(shù)〔橫向變形系數(shù)〕：μ＝－Δr╱r╱Δl╱l＝－εr╱εε＝Δl╱l為軸向應變，εr＝Δr╱r為橫向應變。〔常用單位：微應變10-6mm/mm〕整理得：關于金屬材料K0為常數(shù)。K0為金屬材料的應變靈敏系數(shù)。 物理意義：單位應變引起的電阻相對變化。3.2電阻應變片的結構、類型及參數(shù)結構基底：固定與絕緣〔厚度為0.03mm〕電阻絲：敏感柵〔柵長l、柵寬a〕引出線：電路連接〔直徑為0.1－0.3mm〕覆蓋層：保護、絕緣分類絲式應變片〔柵絲直徑為0.01－〕回線式：簡單可靠、橫向效應大。短接式：橫向效應小，制造復雜，可靠性差。箔式應變片〔厚度為0.003－〕薄膜式應變片〔厚度為0.001－1μm〕半導體式應變片〔敏感柵由半導體材料做成。主要是dρ/ρ很大，因而靈敏度很高，但溫度特性較差〕。3金屬應變片的參數(shù)幾何尺寸：基長為0.2－300mm應變片的電阻值〔R0〕：未安裝時、室溫條件下柵的電阻。通常60－1000Ω。靈敏系數(shù)〔K0〕：單位應變引起的電阻相對變化。絕緣電阻：基底決定。＞1010Ω最大工作電流。橫向效應：在敏感柵的橫向段，由于試件的橫向變形，使得產(chǎn)生的ΔRy與ΔRx相反，從而使應變片靈敏度降低的現(xiàn)象。機械滯后：在應變變化的正程與逆程之間，電阻變化的不重合性。蠕變與零點漂移蠕變：定溫，定拉力，長時間作用，輸出電阻隨時間變化的現(xiàn)象。零點漂移：定溫，無力，長時間作用，輸出電阻隨時間變化的現(xiàn)象。 3應變片的粘貼技術〔略〕3.3應變片的動態(tài)響應特性 3應變波在試件材料中的傳播 應變波在幾種材料中的傳播速度應變波在粘接層和應變片基片中的傳播傳播時間忽略不計應變波在應變片柵長度內(nèi)的傳播應變片測得的應變是被測構件在基長內(nèi)的平均應變值。 3應變波為正弦波應變片對正弦波的響應 不同基長應變片的最高工作頻率應變波為階躍波應變片對階躍波的響應應變波通過應變片全長所需時間為L/v。所以上升時間為： 0.35來自于幅頻特性，以確保測量精度。1/tr為固有頻率。3.4測量電路直流電橋電壓源單臂電橋用直流電壓源對電橋供電。電路：電橋的一個臂上為應變片，其他3個為固定電阻。平衡條件輸出電壓：電橋平衡時：Uo＝0，則R1R4=R2R3。有應變時，設R1變化為R1+ΔR1，則有： 由平衡條件：電橋的電壓靈敏度〔輸出電壓與應變片電阻值相對變化之比〕 Kv與電橋的供電電壓UE成正比。 Kv的最大值處于n＝1，此時：非線性誤差由5－24即：半橋差動電橋與全橋差動電橋半橋差動電橋電路：電橋的相鄰兩個臂上分別為應變方向相反的應變片，另外兩個臂上為固定電阻。輸出電壓：電橋的電壓靈敏度Kv＝UE/2 是單臂電橋電壓靈敏度的二倍。非線性誤差無非線性誤差。有溫度補償作用。全橋差動電橋：電路：電橋的四個臂上全部為應變片，相鄰兩個臂上應變方向相反。輸出電壓：電橋的電壓靈敏度Kv＝UE 是單臂電橋電壓靈敏度的四倍。非線性誤差無非線性誤差。3.4.2 電橋由正弦交流電源供電，橋臂不是純電阻。 等效電路 結論與直流電橋狀況相似。3.5電阻應變式傳感器的溫度誤差及其補償3溫度誤差及其產(chǎn)生的原因 1．溫度變化引起應變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應變 2．試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，使應變片產(chǎn)生附加應變3溫度補償方法 1．橋路補償法 結構：補償應變片粘貼于補償塊上〔與試件相同的材料〕，補償塊不受應力。 電路：測量片與補償片構成半橋〔全橋〕差動電路。 原理：溫度變化引起的應變片電阻變化為相同方向，通過電橋消除影響。 2．應變片自補償法 方法一結構：特別材料構成應變片。 原理：使溫度與線膨脹產(chǎn)生的附加應變互相抵消或減小。條件： 缺點：局限性大。一種應變片只能用于一種試件材料。 方法二結構：用兩種不同材料構成應變片。 原理：兩種不同材料的溫度系數(shù)不同，選擇適當?shù)牟牧?，使電阻變化減小或消除。 條件：3.6應變式傳感器的結構制定及應用 應變式傳感器的結構3應變式壓力傳感器 1．平膜片式應變壓力傳感器 簡易平膜片式應變壓力傳感器 應力分布應變片的位置電路 2．薄壁圓筒式應變壓力傳感器 筒式壓力傳感器 應力分布 電路3應變式加速度傳感器 應變式加速度傳感器 原理：a－〔m〕→F－〔梁〕→應變－〔應變片〕→ΔR－〔電橋〕→ΔV3