1、第2-2章 應(yīng)變片式傳感器,金屬絲式應(yīng)變片. 1)、應(yīng)變效應(yīng) 2)、應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 3)、應(yīng)變片的主要特性 4)、溫度誤差與補(bǔ)償不可忽略 金屬箔式應(yīng)變片. 測量電路：電橋原理. 應(yīng)用,1,優(yōu)點(diǎn)： 精度高，測量范圍廣 頻率響應(yīng)特性較好 結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕 可在高(低)溫、高速、高壓、強(qiáng)烈振動(dòng)、強(qiáng)磁場及核輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣條件下正常工作 易于實(shí)現(xiàn)小型化、固態(tài)化 價(jià)格低廉，品種多樣，便于選擇,一、 金屬應(yīng)變片式傳感器 金屬應(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；只能測量一點(diǎn)或應(yīng)

2、變柵范圍內(nèi)的平均應(yīng)變，不能顯示應(yīng)力場中應(yīng)力梯度的變化等；不能用于過高溫度場合下的測量。,2,因?yàn)椋航饘賹?dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻與其電阻率及幾何尺寸（長度、面積）有關(guān)，當(dāng)其受到外力作用時(shí)，這些參數(shù)發(fā)生變化，因而引起其的電阻的變化，進(jìn)而引起電流的變化。,原理：金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，其電阻也將隨之發(fā)生變化。,K,3,應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu),電阻應(yīng)變片式傳感器是目前用 于測量力、力矩、壓力、加速度、質(zhì)量等參數(shù)最廣泛的傳感器之一。 其基本結(jié)構(gòu)與組成如左圖示意。,電阻絲(敏感柵)轉(zhuǎn)換元件,基底與面膠中間介質(zhì)和絕緣作用,蓋層,引線-連接測量導(dǎo)線之用,4,主 要 特 性,靈敏度系數(shù). 物理意

3、義：單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化. 橫向效應(yīng) 機(jī)械滯后. 零點(diǎn)漂移和蠕變. 應(yīng)變極限. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.,5,（1） 靈敏度系數(shù) 金屬應(yīng)變絲的電阻相對變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)KS表示。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻應(yīng)變特性，與金屬單絲情況不同。因此，須用實(shí)驗(yàn)方法對應(yīng)變片的電阻應(yīng)變特性重新測定。實(shí)驗(yàn)表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對變化與應(yīng)變在很寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系。即 K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。注意，K是在試件受一維應(yīng)力作用，應(yīng)變片的軸向與主應(yīng)力方向一致，且試件材料的泊松比為0.285的鋼材時(shí)測得的。測量結(jié)果表明，應(yīng)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

4、真，橫向效應(yīng)也是一個(gè)不可忽視的因素。,6,絲繞式應(yīng)變片敏感柵半圓弧形部分,b,O,l,r,r,dl,d,0,（2） 橫向效應(yīng) 金屬應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測量應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件的軸向應(yīng)變使敏感柵電阻發(fā)生變化，其橫向應(yīng)變r(jià)也將使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化(除了起作用外)，應(yīng)變片的這種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。,圖為 應(yīng)變片敏感柵半圓弧部分的形狀。沿軸向應(yīng)變?yōu)椋貦M向應(yīng)變?yōu)閞 。,7,（3） 機(jī)械滯后 應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特性與卸載特性不重合，即為機(jī)械滯后。 產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘余變形，使敏

5、感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時(shí)，如果敏感柵受到不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘哒辰Y(jié)劑固化不充分。,機(jī)械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時(shí)的機(jī)械應(yīng)變愈大，卸載時(shí)的滯后也愈大。所以，通常在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機(jī)械滯后所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。,8,（4） 零點(diǎn)漂移和蠕變 對于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時(shí)，不承受應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移 產(chǎn)生原因：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)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(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性稱為蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的方向相反。產(chǎn)

6、生原因：由于膠層之間發(fā)生“滑動(dòng)”，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。 這是兩項(xiàng)衡量應(yīng)變片特性對時(shí)間穩(wěn)定性的指標(biāo)，在長時(shí)間測量中其意義更為突出。實(shí)際上，蠕變中包含零漂，它是一個(gè)特例。,9,（5）應(yīng)變極限 在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對測試值的真實(shí)應(yīng)變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變值。在圖中，真實(shí)應(yīng)變是由于工作溫度變化或承受機(jī)械載荷，在被測試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力(包括機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力)時(shí)所引起的表面應(yīng)變。,主要因素：粘結(jié)劑和基底材料傳遞變形的性能及應(yīng)變片的安裝質(zhì)量。制造與安裝應(yīng)變片時(shí)，應(yīng)選用抗剪強(qiáng)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(yīng)經(jīng)過適當(dāng)?shù)墓袒幚?，才能獲

7、得較高的應(yīng)變極限。,10,（6） 動(dòng)態(tài)特性 當(dāng)被測應(yīng)變值隨時(shí)間變化的頻率很高時(shí)，需考慮應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)特性。因應(yīng)變片基底和粘貼膠層很薄，構(gòu)件的應(yīng)變波傳到應(yīng)變片的時(shí)間很短(估計(jì)約0.2s)，故只需考慮應(yīng)變沿應(yīng)變片軸向傳播時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 設(shè)一頻率為 f 的正弦應(yīng)變波在構(gòu)件中以速度 v 沿應(yīng)變片柵長方向傳播，在某一瞬時(shí) t，應(yīng)變量沿構(gòu)件分布如圖所示。,應(yīng)變片對應(yīng)變波的動(dòng)態(tài)響應(yīng),0,應(yīng)變片,1,l,x1,x,11,4、 溫度誤差及其補(bǔ)償 （1） 溫度誤差 用作測量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變變化，而不受其它因素的影響。實(shí)際上應(yīng)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

8、的電阻變化與試件應(yīng)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(yīng)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(gè)主要因素： 應(yīng)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。,12,電橋補(bǔ)償法 如圖，電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關(guān)系為 式中A由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。,USC,R2,R4,R1,R3,E,橋路補(bǔ)償法,由上式可知，當(dāng)R3、R4為常數(shù)時(shí)，Rl和R2對輸出電壓的作用方向相反。利用這個(gè)基本特性可實(shí)現(xiàn)對溫度的補(bǔ)償，并且補(bǔ)償效果較好，這是最常用的補(bǔ)償方法之一。,13,測量應(yīng)變時(shí)，使用兩個(gè)應(yīng)變片，一片貼在被測試件的表面，圖

9、中R1稱為工作應(yīng)變片。另一片貼在與被測試件材料相同的補(bǔ)償塊上，圖中R2，稱為補(bǔ)償應(yīng)變片。在工作過程中補(bǔ)償塊不承受應(yīng)變，僅隨溫度發(fā)生變形。由于R1與R2接入電橋相鄰臂上，造成R1t與R2t相同，根據(jù)電橋理論可知，其輸出電壓USC與溫度無關(guān)。當(dāng)工作應(yīng)變片感受應(yīng)變時(shí)，電橋?qū)a(chǎn)生相應(yīng)輸出電壓。,14,當(dāng)被測試件不承受應(yīng)變時(shí)，R1和R2處于同一溫度場，調(diào)整電橋參數(shù)，可使電橋輸出電壓為零，即 上式中可以選擇R1=R2=R及R3=R4=R。 當(dāng)溫度升高或降低時(shí)，若R1t=R2t，即兩個(gè)應(yīng)變片的熱輸出相等，由上式可知電橋的輸出電壓為零，即,=,15,若此時(shí)有應(yīng)變作用，只會(huì)引起電阻R1發(fā)生變化，R2不承受應(yīng)變。

10、故由前式可得輸出電壓為,由上式可知，電橋輸出電壓只與應(yīng)變有關(guān)，與溫度無關(guān)。為達(dá)到完全補(bǔ)償，需滿足下列三個(gè)條件： R1和R2須屬于同一批號(hào)的，即它們的電阻溫度系數(shù)、線膨脹系數(shù)、應(yīng)變靈敏系數(shù)K都相同，兩片的初始電阻值也要求相同； 用于粘貼補(bǔ)償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件二者材料必須相同，即要求兩者線膨脹系數(shù)相等； 兩應(yīng)變片處于同一溫度環(huán)境中。,此方法簡單易行，能在較大溫度范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償。缺點(diǎn)是三個(gè)條件不易滿足，尤其是條件。在某些測試條件下，溫度場梯度較大，R1和R2很難處于相同溫度點(diǎn)。,16,原理： 它是利用照相制版或光刻腐蝕法將電阻箔材在絕緣基底上制成各種圖形的應(yīng)變片； 優(yōu)點(diǎn)： 敏感柵尺寸準(zhǔn)確，線

11、條均勻； 其彎頭橫向效應(yīng)可以忽略； 可通過較大的電流； 散熱性好，壽命長； 生產(chǎn)效率高；,17,（三） 測量電路 應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對變化R/R，要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能用電測儀表進(jìn)行測量。電阻應(yīng)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，如圖所示。當(dāng)電源E為電勢源，其內(nèi)阻為零時(shí)，可求出檢流計(jì)中流過的電流Ig與電橋各參數(shù)之間的關(guān)系為,18,（四） 應(yīng)變式傳感器應(yīng)用 金屬應(yīng)變片， 除了測定試件應(yīng)力、應(yīng)變外，還制造成多種應(yīng)變式傳感器用來測定力、扭矩、加速度、壓力等其它物理量。 應(yīng)變式傳感器包括兩個(gè)部分：一

12、是彈性敏感元件，利用它將被測物理量（如力、扭矩、加速度、壓力等）轉(zhuǎn)換為彈性體的應(yīng)變值；另一個(gè)是應(yīng)變片作為轉(zhuǎn)換元件將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。,柱力式傳感器 梁力式傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式加速度傳感器,19,1、柱力式傳感器 圓柱式力傳感器的彈性元件分為實(shí)心和空心兩種。,在軸向布置一個(gè)或幾個(gè)應(yīng)變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片，后者取符號(hào)相反的橫向應(yīng)變，從而構(gòu)成了差動(dòng)對。由于應(yīng)變片沿圓周方向分布，所以非軸向載荷分量被補(bǔ)償，在與軸線任意夾角的方向，其應(yīng)變?yōu)?：,1沿軸向的應(yīng)變；彈性元件的泊松比。,當(dāng)=0時(shí),當(dāng)=90時(shí),E：彈性元件的楊氏模量,20,2、梁力式傳感器 等強(qiáng)度梁彈性元件是一種特殊

13、形式的懸臂梁。梁的固定端寬度為b0，自由端寬度為b，梁長為L，粱厚為h。,L,R1,R3,R2,R4,x,F,h,b,等強(qiáng)度梁彈性元件,b0,R4,力F作用于梁端三角形頂點(diǎn)上，梁內(nèi)各斷面產(chǎn)生的應(yīng)力相等，故在對L方向上粘貼應(yīng)變片位置要求不嚴(yán)。 橫截面梁 雙空梁 S形彈性元件,21,（b）,（a）,應(yīng)變式壓力傳感器,3、 應(yīng)變式壓力傳感器 測量氣體或液體壓力的薄板式傳感器，如圖所示。當(dāng)氣體或液體壓力作用在薄板承壓面上時(shí)，薄板變形，粘貼在另一面的電阻應(yīng)變片隨之變形，并改變阻值。這時(shí)測量電路中電橋平衡被破壞，產(chǎn)生輸出電壓。,圓形薄板固定形式：采用嵌固形式，如圖（a）或與傳感器外殼作成一體，如圖 (b)。,應(yīng)變片,22,4、應(yīng)變式加速度傳感器 由端部固定并帶有慣性質(zhì)量塊m的懸臂梁及貼在梁根部的應(yīng)變片、基座及外殼