应变式传感器工作原理、结构和应用课件.ppt

应变式传感器 工作原理、结构和应用3.1 电阻应变片的工作原理 3.2 电阻应变片的结构、材料及粘贴 3.3 电阻应变片的特性 3.4 电阻应变片的测量电路 3.5 应变式传感器的应用 3.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理3.1.1 金属电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理基于电阻应变效应导体在外界作用下产生机械变形(拉伸或压缩)时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为电阻应变效应如图3-1所示，一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为式中：电阻丝的电阻率；l电阻丝的长度；A电阻丝的截面积3-1) 图3-1 金属电阻丝应变效应 当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长l，横截面积相应减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而变化，从而引起电阻变化R，通过对式(3-1)全微分，得电阻的相对变化量为 式中：dl/l长度相对变化量，用应变表示为 (3-2) (3-3) dA/A圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得 由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，令dl/l=为金属电阻丝的轴向应变，为径向应变，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为式中，为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。

(3-5) (3-4) 将式(3-3)、式(3-5)代入式(3-2)，可得或 通常把单位应变引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达式为 (3-6) (3-7) (3-8) 灵敏系数K受两个因素影响：一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2；另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即(d/)/对金属材料来说，电阻丝灵敏系数表达式中1+2的值要比(d/)/大得多，所以金属电阻丝的影响可忽略不计，即起主要作用的是应变效应大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数3.1.2 半导体电阻应变片的工作原理半导体电阻应变片的工作原理半导体电阻应变片是用半导体材料制成的，其工作原理基于半导体材料的压阻效应半导体材料的电阻率随作用应力的变化而发生变化的现象称为压阻效应当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为式中d/为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为 (3-9) (3-10) 式中：半导体材料的压阻系数;半导体材料所受的应变力;E半导体材料的弹性模量;半导体材料的应变。

将式(3-10)代入式(3-9)中得实验证明，E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，因而引起半导体应变片电阻变化的主要因素是压阻效应，式(3-11)可以近似写成 (3-11) (3-12) 半导体应变片的灵敏系数比金属丝式的高，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的应用范围受到一定的限制用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用下，被测对象产生应变(或应力)时，应变片随之发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化当测得的应变片电阻值变化量为R时，便可得到被测对象的应变值，根据应力与应变的关系，得到应力值为 =E(3-13) 由此可知，应力值正比于应变，而试件应变正比于电阻值的变化，所以应力正比于电阻值的变化，这就是利用应变片测量应变的基本原理3.2 电阻应变片的结构、材料及粘贴电阻应变片的结构、材料及粘贴3.2.1 金属电阻应变片的结构金属电阻应变片的结构金属电阻应变片品种繁多，形式多样，常见的有丝式电阻应变片和箔式电阻应变片金属电阻应变片的大体结构基本相同，图3-2所示是丝式金属电阻应变片的基本结构，由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。

图3-2 金属电阻应变片的结构图3-3是丝式电阻应变片和箔式电阻应变片的几种常用形式丝式电阻应变片有回线式和短线式两种形式回线式应变片是将电阻丝绕制成敏感栅粘贴在绝缘基层上，图3-3(a)为常见回线式应变片的基本形式；短线式应变片如图3-3(b)所示，敏感栅由电阻丝平行排列，两端用比栅丝直径大510倍的镀银丝短接构成箔式电阻应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般在之间，可制成各种形状的敏感栅(即应变花)，其优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种所需的形状，便于批量生产图3-3中的(c)、(d)、(e)及(f)为常见的箔式应变片形状图3-3 常用应变片的形状3.2.2 金属电阻应变片的材料金属电阻应变片的材料对电阻丝材料应有如下要求：灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数；值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小；机械强度高，具有优良的机械加工性能表3-1给出了常用金属电阻丝材料的性能数据康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，它有很多优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数，进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；电阻温度系数较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在5010-6/的范围内；加工性能好，易于焊接。

因而国内外多以康铜作为应变丝材料表表3-1 常用金属电阻丝材料的性能常用金属电阻丝材料的性能 3.2.3 金属电阻应变片的粘贴金属电阻应变片的粘贴应变片是用黏结剂粘贴到被测件上的黏结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测件应变传递到敏感栅上选择黏结剂时必须考虑应变片材料和被测件材料性能，不仅要求黏结力强，黏结后机械性能可靠，而且黏合层要有足够大的剪切弹性模量，良好的电绝缘性，蠕变和滞后小，耐湿，耐油，耐老化，动态应力测量时耐疲劳等还要考虑到应变片的工作条件，如温度、相对湿度、稳定性要求以及贴片固化时加热加压的可能性等常用的黏结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙烯酸型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等粘贴工艺包括被测件粘贴表面处理、贴片位置确定、涂底胶、贴片、干燥固化、贴片质量检查、引线的焊接与固定以及防护与屏蔽等黏结剂的性能及应变片的粘贴质量直接影响着应变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数、线性以及它们受温度变化影响的程度等可见，选择黏结剂和正确的黏结工艺与应变片的测量精度有着极重要的关系 3.3 电阻应变片的特性电阻应变片的特性3.3.1 弹性敏感元件及其基本特性弹性敏感元件及其基本特性物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形，而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形。

具有弹性变形特性的物体称为弹性元件弹性元件在应变片测量技术中占有极其重要的地位它首先把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移，然后传递给粘贴在弹性元件上的应变片，通过应变片将力、力矩或压力转换成相应的电阻值下面介绍弹性元件的基本特性1.刚度刚度刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，其定义是弹性元件单位变形下所需要的力，用C表示，其数学表达式为式中：F作用在弹性元件上的外力，单位为牛顿(N)； x弹性元件所产生的变形，单位为毫米(mm) (3-14) 图3-4 弹性特性曲线刚度也可以从弹性特性曲线上求得图3-4中弹性特性曲线1上A点的刚度，可通过在A点作曲线1的切线，求该切线与水平夹角的正切来得出，即tan=dF/dx若弹性元件的特性是线性的，则其刚度是一个常数，即tan=F/x=常数，如图3-4中的直线2所示 2.灵敏度灵敏度通常用刚度的倒数来表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度，一般用S表示，其表达式为从式(3-15)可以看出，灵敏度就是单位力作用下弹性元件产生变形的大小，灵敏度大，表明弹性元件软，变形大与刚度相似，若弹性特性是线性的，则灵敏度为一常数；若弹性特性是非线性的，则灵敏度为一变数，即表示此弹性元件在弹性变形范围内，各处由单位力产生的变形大小是不同的。

(3-15) 通常使用的弹性元件的材料为合金钢(40Cr，35CrMnSiA等)、铍青铜(Qbe2，等)、不锈钢(1Cr18Ni9Ti等)传感器中弹性元件的输入量是力或压力，输出量是应变或位移在力的变换中，弹性敏感元件通常有实心或空心圆柱体、等截面圆环、等截面或等强度悬臂梁等变换压力的弹性敏感元件有弹簧管、膜片、膜盒、薄壁圆桶等3.3.2 电阻应变片的静态特性电阻应变片的静态特性应变片的电阻值是指应变片没有粘贴且未受应变时，在室温下测定的电阻值，即初始电阻值金属电阻应变片的电阻值已标准化，有一定的系列，如60、120、250、350和1000，其中以120最为常用1.灵敏系数灵敏系数当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化R/R理论和实验表明，在一定应变范围内R/R与轴向应变的关系满足下式： 定义K=(R/R)/为应变片的灵敏系数它表示安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化(R/R)与其单向应力引起的试件表面轴向应变()之比必须指出：应变片的灵敏系数K并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数K0，一般情况下，KK0，这是因为，在单向应力产生应变时，K除受到敏感栅结构形状、成型工艺、黏结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。

应变片的灵敏系数直接关系到应变测量的精度 (3-16) 因此，K值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件下，通过实测来确定，称为标称灵敏系数上述规定条件是：试件材料取泊松比0的钢材；试件单向受力；应变片轴向与主应力方向一致2.横向效应横向效应当将图3-5所示的应变片粘贴在被测试件上时，由于其敏感栅是由n条长度为l1的直线段和直线段端部的n-1个半径为r的半圆圆弧或直线组成的，若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变x，则各直线段的电阻将增加，但在半圆弧段则受到从+x到-x之间变化的应变，其电阻的变化将小于沿轴向安放的同样长度电阻丝电阻的变化 图3-5 应变片轴向受力及横向效应(a)应变片及轴向受力图；(b)应变片的横向效应图 综上所述，将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化减小，因而其灵敏系数K较整长电阻丝的灵敏系数K0小，这种现象称为应变片的横向效应为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片3.绝缘电阻和最大工作电流绝缘电阻和最大工作电流应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值Rm通常要求Rm在50100M以上绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误差。

Rm取决于黏结剂及基底材料的种类及固化工艺在常温使用条件下要采取必要的防潮措施，而在中温或高温条件下，要注意选取电绝缘性能良好的黏结剂和基底材料最大工作电流是指已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流Imax工作电流大，输出信号也大，灵敏度就高但工作电流过大会使应变片过热，灵敏系数产生变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片工作电流的选取要根据试件的导热性能及敏感栅形状和尺寸来决定通常静态测量时取25mA左右，动态测量时可取75100mA箔式应变片散热条件好，电流可取得更大一些在测量塑料、玻璃、陶瓷等导热性差的材料时，电流可取得小一些3.3.3 电阻应变片的动态响应特性电阻应变片的动态响应特性电阻应变片在测量频率较高的动态应变时，应变是以应变波的形式在材料中传播的，它的传播速度与声波相同，对于钢材v5000m/s应变波由试件材料表面，经黏合层、基片传播到敏感栅，所需的时间是非常短暂的，如应变波在黏合层和基片中的传播速度为1000m/s，黏合层和基片的总厚度为，则所需时间约为510-8s，因此可以忽略不计但是由于应变片的敏感栅相对较长，当应变波在纵栅长度方向上传播时，只有在应变波通过敏感栅全部长度后，应变片。