第四章 电阻应变式传感器

第四章．电阻应变式传感器电阻应变式传感器的优点：１）结构简单，使用方便，性能稳定，可靠２）易于实现测试过程自动化和多点同步测量远距离测量和遥测３）灵敏度高，测量速度快，适合静态和动态测量４）可以测量多种物理量４．１电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成弹性敏感元件的作用就是传感器组成中的敏感元件电阻应变片的作用就是传感器中的转换元件４．２电阻应变片的工作原理１）金属的应变效应•当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。•２）电阻应变片的结构和工作原理一根长L，截面积为S，电阻率为ρ的金属丝电阻为当电阻丝受到轴向拉力F作用时，轴向拉长ΔL，径向缩短ΔS电阻率增加Δρ电阻值ΔR的变化引起电阻的相对变化为：轴向应变截面积相对变化量由材料力学可知，泊松系数横向变形系数代入上式：或：令：受力后材料几何尺寸变化（1+2μ）受力后材料电阻率的变化（Δρ/ρ）/ε对于金属电阻丝μ=0.25～0.5(钢μ=0.285)（1+2μ）（Δρ/ρ）/εk0≈1+2μk0≈1.5～2金属应变片灵敏系数k0主要由材料的几何尺寸决定的应力σ=Eε可见σ∝ε（ε轴向应变）应变ε∝ΔR/R应力σ∝ΔR/R应力正比于电阻值的变化量通过弹性元件可将位移、压力、振动等物理量将应力转换为应变进行测量，这是应变式传感器测量应变的基本原理。４．３电阻应变片的种类、材料和参数种类：１）丝式应变片（回线式、短接式）２）箔式应变片３）薄膜应变片４）半导体应变片应变片的主要参数：1）应变片电阻值（R0）2）绝缘电阻3）灵敏系数4）允许电流5）应变极限6）机械滞后、零漂和蠕变材料：1）敏感栅材料2）基底材料3）引线材料2341电阻应变片结构示意图bl应变片的结构与材料由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。（1）敏感栅由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。栅长栅宽对敏感栅的材料的要求：①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；③电阻温度系数要小；④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。（2）基底和盖片基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。（3）引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。（4）粘结剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。４．６温度误差及其补偿（1）温度误差用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。（2）温度补偿（自补偿法和线路补偿法）a.桥路补偿法b.应变片自补偿法c.热敏电阻补偿法４．７电阻式应变传感器的信号调节电路及电阻应变仪一．电桥工作原理１）平衡电桥２）非平衡电桥３）电桥电路的非线性误差极其补偿(a)采用差动电桥(b)采用高内阻的恒流源电桥二．电阻应变仪应变式传感器应用金属应变片，除了测定试件应力、应变外，还制造成多种应变式传感器用来测定力、扭矩、加速度、压力等其它物理量。应变式传感器包括两个部分：一是弹性敏感元件，利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）转换为弹性体的应变值；另一个是应变片作为转换元件将应变转换为电阻的变化。柱力式传感器梁力式传感器应变式压力传感器应变式加速度传感器