第08讲 应变式压力传感器

传感器与检测技术教程第7讲压力检测①PressureMeasurements压力的概念及单位应变式压力计2传感器与检测技术教程格里克(Guericke)格里克是个博学多才的军人，从小就喜欢读书，爱好科学；莱比锡大学毕业．1621年又到耶拿大学攻读法律；1623年，再到莱顿大学钻研数学和力学．他1631年入伍，在军队中担任军械工程师，工作很出色．后来，投身政界，1646年当选为马德堡市市长．无论在军旅中，还是在市府内，都没停止科学探索．3传感器与检测技术教程马德堡半球试验4传感器与检测技术教程§3.1压力的概念及单位垂直作用在物体单位面积上的力叫作“压力”，其表达式为：FpS式中：p为压力；F为作用力；S为作用面积。国际单位制（SI）中定义压力的单位是：1N的力垂直作用在1m2面积上所形成的压力，称为1个“帕斯卡”，简称为“帕”，单位符号为Pa。5传感器与检测技术教程几种通用的非法定的压力计量单位1工程大气压（单位符号为：at）（kgf/cm2）1kg的力垂直作用在1cm2面积上所形成的压力。2标准大气压（单位符号为：atm）最初规定在摄氏温度0℃、纬度45°、晴天时海平面上的大气压强为标准大气压，其值大约相当于76厘米汞柱高。但是汞的密度大小受温度的影响。为了确保标准大气压是一个定值，1954年第十届国际计量大会决议声明，规定标准大气压值为1标准大气压＝101325牛顿／米2，即为101325帕斯卡（Pa)6传感器与检测技术教程4约定毫米水柱（单位符号为：mmH2O）在标准重力加速度下，4℃时1mm高的水柱在1cm2的底面上所产生的压力。3约定毫米汞柱（单位符号为：mmHg）在标准重力加速度下，0℃时1mm高的水银柱在1cm2的底面上所产生的压力。托里拆利用1米长一端封闭的玻璃柱做的实验，注满水银后倒立在水银槽内，水银的高度为760mm，如果是水，应该是10.336m7传感器与检测技术教程表压、绝对压力和负压（真空度）的关系1001p表压大气压力线绝对压力零线p绝对压力p负压（真空）p绝对压力8传感器与检测技术教程§3.2应变式压力计StrainGauge一、电阻应变效应当电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为电阻应变效应。设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，其电阻R为lRS(1)9传感器与检测技术教程一、电阻应变效应当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其l、S和ρ均发生变化，如图所示，因而导体的电阻随之发生变化。通过对式(1)两边取对数后再作微分，即可求得其电阻相对变化：FFΔllΔrr10传感器与检测技术教程dRdldSdRlS(2)lRS(1)2,dSdrSrdll11传感器与检测技术教程对于半径为r的电阻丝，截面积S=2r2，则有令dll为电阻丝的轴向线应变2,dSdrSrdrr为电阻丝的径向线应变根据材料力学drdlrl为泊松系数12传感器与检测技术教程整理可得可得(12)dRdR//12dRRdK电阻丝的灵敏度系数为13传感器与检测技术教程灵敏系数K受两个因素影响：材料几何尺寸的变化，即1+2材料的电阻率发生的变化，即大量实验证明，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。d14传感器与检测技术教程对于金属导体或半导体，上式中右末项电阻率相对变化的受力效应是不一样的。对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2的值要比(d/)/大得多，显然，金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。对金属或合金，一般K=1.7～3.6。金属材料的应变电阻效应15传感器与检测技术教程半导体材料的压阻效应而半导体材料的(d/)/项的值比1+2大得多。压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。dE式中：π—半导体材料的压阻系数；σ—半导体材料的所受应变力；E—半导体材料的弹性模量；ε—半导体材料的应变。16传感器与检测技术教程金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。电阻丝应变片是用直径为0.02～0.04mm具有高电阻率的电阻丝制成的。为了获得高的阻值，将电阻丝排列成栅网状，称为敏感栅，并粘贴在绝缘的基片上，电阻丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层。二、电阻丝应变片的结构17传感器与检测技术教程S应变丝基底引线L基底金属膜引线引线18传感器与检测技术教程1典型应变计的结构及组成(a)丝式(b)箔式(c)半导体1敏感栅2基底3引线4盖层5粘结剂6电极19传感器与检测技术教程(1)敏感栅应变计中实现应变-电阻转换的敏感元件。它通常由直径为0.015～0.05mm的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。图中l表示栅长，b表示栅宽。其电阻值一般在100Ω以上。(2)基底为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。应变计工作时，基底起着把试件应变准确地传递给敏感栅的作用。为此，基底必须很薄，一般为0.02～0.04mm。有用专门的薄纸制成的基片称为纸基。有用粘结剂和有机树脂薄膜制成的胶基。20传感器与检测技术教程(3)引线它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。通常取直径约0.1～0.15mm的低阻镀锡铜线，并用钎焊与敏感栅端连接。(4)盖层用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用。(5)粘结剂在制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；在使用应变计时，用它把应变计基底再粘贴在试件表面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。21传感器与检测技术教程2金属丝式应变片金属丝式应变片有回线式和短接式二种，如图所示。回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，但其应变横向效应较大。短接式应变片两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。常用材料：康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。22传感器与检测技术教程23传感器与检测技术教程3金属箔式应变片它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.003～0.01mm的金属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。如图。24传感器与检测技术教程优点：①可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长l可做到0.2mm，以适应不同的测量要求；②与被测件粘贴结面积大；③散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；④横向效应小。⑤蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长25传感器与检测技术教程4金属薄膜应变片它是薄膜技术发展的产物。采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，可达－197～317℃缺点：难于控制电阻与温度和时间的变化关系。26传感器与检测技术教程5应变片粘贴(1)准备：①试件——在粘贴部位的表面，用砂布在与轴向成45°的方向交叉打磨至Ra为6.3μm→清洗净打磨面→划线，确定贴片坐标线→均匀涂一薄层粘结剂作底；②应变计——外表和阻值检查→刻划轴向标记→清洗。(2)涂胶：在准备好的试件表面和应变计基底上均匀涂一薄层粘结剂。27传感器与检测技术教程(3)贴片：将涂好胶的应变计与试件，按坐标线对准贴上→用手指顺轴向滚压，去除气泡和多余胶液→按固化条件固化处理。(4)复查：①贴片偏差应在许可范围内；②阻值变化应在测量仪器预调平范围内；③引线和试件间的绝缘电阻应大于200MΩ。28传感器与检测技术教程(5)接线：根据工作条件选择好导线，然后通过中介接线片(柱)把应变计引线和导线焊接，并加以固定。(6)防护：在安装好的应变计和引线上涂以中性凡士林油、石蜡(短期防潮)；或石蜡—松香—黄油的混合剂(长期防潮)；或环氧树脂、氯丁橡胶、清漆等(防机械划伤)作防护用，以保证应变计工作性能稳定可靠。29传感器与检测技术教程30传感器与检测技术教程（1）灵敏度系数金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片后，其电阻—应变特性，与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻—应变特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系。即KRRRRK三、主要特性31传感器与检测技术教程K为金属应变片的灵敏系数。注意，K是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的钢材时测得的。测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数Ks。原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。32传感器与检测技术教程金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变ε使敏感栅电阻发生变化，其横向应变εr也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化(除了ε起作用外)，应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。（2）横向效应33传感器与检测技术教程丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分图为应变片敏感栅半圆弧部分的形状。沿轴向应变为ε，沿横向应变为εr。qdqrdl0rlOb34传感器与检测技术教程若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴向应变ε作用下，全部纵栅的变形视为ΔL1qq2cos2121rrΔL1=nlε半圆弧横栅同时受到ε和εr的作用，在任一微小段长度dl=rdθ上的应变εθ可由材料力学公式求得35传感器与检测技术教程rrrrddllqqq200rrnL212每个圆弧形横栅的变形量Δl为纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅的变形量为36传感器与检测技术教程应变片敏感栅的总变形为rrnrnnlLLL2121221rSSSKLrnKLrnnlLLKRR2)1(2)1(2敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则电阻相对变化为37传感器与检测技术教程SxKLrnnlK2)1(2SyKLrnK2)1(ryxKKRR令则可见，敏感栅电阻的相对变化分别是ε和εr作用的结果。38传感器与检测技术教程当εr=0时，可得轴向灵敏度系数同样，当ε=0时，可得横向灵敏度系数xxRRKryyRRK39传感器与检测技术教程横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应系数H。即rnnlrnKKHxy121由上式可见，r愈小，l愈大，则H愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。40传感器与检测技术教程应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。ΔεΔε1机械应变ε卸载加载指示应变εi应变片的机械滞后（3）机械滞后产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。41传感器与检测技术教程机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。42传感器与检测技术教程对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。（4）零点漂移和蠕变43传感器与检测技术教程如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变.一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。产生原因：由于胶层