第4章应变式传感器

2020/2/22971第4章应变式传感器1.金属的电阻应变效应2.电阻应变片3.应变片的主要参数4.电阻应变片的动态响应特性5.应变测量电桥电路6.电阻应变片的温度误差及其补偿方法7.应变式传感器2020/2/22972定义电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器,传感器由在弹性敏感元件上粘贴电阻应变片构成。工作原理当被测物理量作用在弹性敏感元件上时,弹性敏感元件的变形引起应变片的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。2020/2/22973特点结构简单，尺寸小性能稳定可靠，精度高变换电路简单易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。2020/2/229741、金属的电阻应变效应应变效应导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。SlR.当导体或半导体受到外力作用时，电阻率、长度和横截面积都会发生变化，从而引起电阻的变化。因此通过测量阻值的大小，就可以反映外界作用力的大小。2020/2/229752πrlSlR假设当金属丝受拉力作用时，其长度l，截面积S（=πr2）电阻率ρ的相应变化分别为dl，dS，dρ，引起电阻变化为dR。对式上式先取对数再求全微分可得:2020/2/22976dd2ddrrllRR电阻率的相对变化量—金属丝的径向应变—金属丝的轴向应变—dddyxrrll2020/2/22977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，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为:μ─金属丝材料的泊松系数综合以上两式可得:令:xyd)21(dxRRxx0/d)21(/dRRKK0称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单位应变时，电阻相对变化的大小。显然，K0越大，单位应变引起的电阻相对变化越大，故越灵敏。2020/2/22978说明:从上式可以看出，金属丝的灵敏系数K0受两个因素影响：第一项（1+2μ），它是由于金属丝拉伸后，材料的几何尺寸发生变化而引起的；第二项是由于材料发生变形时，其自由电子的活动能力和数值均发生变化所引起的，该项无法用解析式表达。由于第二项目前还不能用解析式来表示，所以K0只能靠实验求得。实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化dR/R与应变是成正比的，因而K0为一常数，因此以增量表示为:该式即为电阻丝的应变效应数学表达式.x0KRR通常金属电阻丝的K0=1.7～4.6。2020/2/229792、电阻应变片结构将金属电阻丝绕制成栅状用黏合剂将敏感栅粘贴在基底上，上面覆盖一保护薄膜称为覆盖层(盖片)，再焊两根引线。b：敏感栅的宽度l：敏感栅的基长b×l：敏感栅的使用面积2020/2/229710（1）敏感栅感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。（2）基底绝缘及传递应变。测量时将应变片的基底用黏合剂粘在试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基底绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。由纸薄、胶质膜等制成。2020/2/229711（3）黏合剂敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结。（4）覆盖层保护作用。防湿、蚀、尘。（5）引线连接电阻丝与测量电路，输出电参量。2020/2/229712注意：当将金属丝材料做成敏感栅后，其电阻应变特性和金属单丝有所不同，必须按统一标准重新进行测定。同一材料制成应变片的灵敏系数小于金属丝的灵敏系数，这种现象称为横向效应。因此应变片的灵敏系数必须通过实验重新标定，称为标称灵敏系数。(一批产品中取5%进行实验测试，测出灵敏系数，其平均值为该批产品的标称灵敏系数)2020/2/229713分类电阻应变片金属应变片半导体应变片丝式箔式薄膜式半导体敏感条2020/2/229714金属丝式应变片应变片电阻的相对变化与应变片轴向应变成正比，对同一电阻材料，k=1+2μ是常数。灵敏度系数多在1.7～3.6之间。2020/2/229715金属箔式应变片在绝缘基底上，将厚度为0.001～0.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。2020/2/229716（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求（2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅（3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。（4）横向效应可以忽略。（5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。电阻值的分散性大优点：缺点：§4.3电阻应变式传感器2020/2/229717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1以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产。优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产。缺点：难控制电阻与温度、时间的变化关系。金属薄膜应变片m2020/2/229718基于半导体材料的“压阻效应”，即电阻率随作用应力而变化的效应。优点：体积小，灵敏度高，机械滞后小。缺点：电阻和灵敏系数的温度稳定性差，测量较大应变时非线性严重，灵敏度分散性大半导体应变片2020/2/229719•横向效应和横向灵敏度敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成,若该应变片承受轴向应力而产生轴向应变εx时,则各直线段的电阻将增加,但在半圆弧段则受到从+εx到-μεx之间变化的应变,圆弧段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。综上所述,将直的电阻丝绕成敏感栅后,虽然长度不变,应变状态相同,但由于应变片敏感栅的电阻变化较小,因而其灵敏系数K较电阻丝的灵敏系数K0小,这种现象称为应变片的横向效应。εyxy2020/2/229720应变片的使用说明:(1)当实际使用应变片的条件与其灵敏系数K的标定条件不同时,由于横向效应的影响,实际K值要改变,如仍按标称灵敏系数来进行计算,可能造成较大误差。当不能满足测量精度要求时,应进行必要的修正,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。(2)应变片的灵敏系数K是通过抽样测定得到的，因为应变片粘贴到试件上以后，就不能取下再用，所以只能在每批产品中提取一定比例（一般为5%）的应变片，测定灵敏系数K值，然后取其平均值作为这批产品的灵敏系数，这就是产品包装盒上注明的“标称灵敏系数”。2020/2/229721(3)用应变片构成应变式传感器，如何将应变栅粘贴在基底上是能否将其应用于测量的关键之一，因此对黏合剂有苛刻的要求。常用的黏合剂为有机黏合剂，如硝化纤维黏合剂，用于黏合纸质基底；酚醛类黏合剂，常用于黏合酚醛胶膜玻璃纤维布、胶膜玻璃纤维布等。粘贴必须遵循粘贴工艺，才有可能使应变片正常工作。(4)由于应变片敏感栅是对温度变化敏感的材料,因此选用时应注意温度的影响.有关温度的问题后面有所介绍.2020/2/2297221）应变片几何尺寸应变片的几何参数主要是指敏感栅基长l、基宽b和曲率半径r。一般基长l在3～35mm范围内，基宽b=0.03～10mm，圆角丝栅的曲率半径r=0.1～0.3mm。3、金属应变片的主要特性参数§4.3电阻应变式传感器2020/2/2297232）应变片的电阻值•应变片在未经安装也不受外力情况下，在室温下测得的电阻值•电阻系列：60、120、350、600、1000Ω可以加大应变片承受电压输出信号大敏感栅尺寸也增大电阻值大§4.3电阻应变式传感器2020/2/2297243）绝缘电阻敏感栅与基底之间的电阻值，一般应大于1010欧姆4）灵敏系数当应变片安装于试件表面，在其轴向方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面安装应变片区域的轴向应变之比。要求：K值尽量大而且稳定。注意：当金属丝材料做成电阻应变片后，电阻应变特性与金属单丝是不同的，因此必须重新用实验测定它。2020/2/2297255）机械滞后粘贴的应变片在一定温度下受到增减循环机械应变时，同一应变量下应变指示值的最大差值。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。产生原因：应变片在承受机械应变后的残余变形，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，敏感栅受到的不适当的变形或粘结剂固化不充分等。2020/2/2297266）零漂和蠕变零漂：对于已安装好的应变片，在一定温度下不承受机械应变时，其指示应变随时间变化的特性。产生的原因：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。蠕变：如果在一定温度下使应变片承受恒定的机械应变时，指示应变随时间变化的特性。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。产生的原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。注意：机械滞后、零漂和蠕变是同时发生的，蠕变中含有零漂。2020/2/2297277）允许电流和逸散功率应变片不因电流产生的热量而影响测量精度所允许通过的最大电流。RPAIg：应变片的电阻确定由弹性元件的散热条件：敏感栅的功率密度，敏感栅的面积RPA:g2020/2/229728注意：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75～100mA。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。逸散功率：指当电流通过应变片时，在温度允许范围内，单位时间传给周围介质的热量。2020/2/2297298）应变极限应变片的线性特性（灵敏系数为常数）是在一定的应变限度范围内才保持。当试件输入的真实应变超过某一极限时，应变片的输出特性将出现非线性。在恒温条件下，使非线性达到10%时的真实应变值，称为应变极限。真实应变（µε）lim指示应变（µε）10%真实应变2020/2/2297309）温度效应粘贴到试件上的电阻应变片，除感受机械应变而产生电阻相对变化外，在环境温度变化时，也会引起电阻的相对变化，产生虚假应变，这种现象称为温度效应。为了消除温度效应，通常会采取桥路补偿法、应变片自补偿法和热敏电阻补偿法等方法。2020/2/229731表3-1应变片主要技术参数2020/2/229732应变片的使用1）电阻应变片的选择选择时主要考虑尺寸、初始电阻、绝缘电阻及允许工作电流。2）电阻应变片是粘贴在弹性敏感元件上或被测构件上工作的，传感器的性能在很大程度上取决于粘贴质量。①试件的表面处理：必须将试件表面处理干净,清除杂质油污及面氧化层②确定贴片位置：应变片应贴在试件应变最大的部位。2020/2/229733③粘贴：首先用甲苯、四氢化碳等溶剂清洗试件表面和应变片的底面，然后在试件表面和应变片的底面各涂一层薄而均匀的粘合剂，将应变片贴在确定的位置处。贴片后，在应变片上盖上一张玻璃纸并加压，排出多余的胶水和气泡。加压时要注意防止应变片错位。粘贴应变片的粘合剂的种类很多，要根据基片材料、工作温度、潮湿程度、稳定性、是否加温加压以及粘贴时间等多种因素合理选择粘合剂④固化：根据所使用的粘合剂的固化工艺要求进行固化处理。2020/2/229734⑤粘贴质量检查：检查粘贴位置是否正确，粘合层是否有气泡和漏贴，敏感栅是否有短路或断路现象以及敏感栅的绝缘性能等。⑥引线的焊接与防护：检查合格后即可焊接引线，引线要适当固定。然后在应变片上涂一层防护层，防止大气对应变片的侵蚀。2020/2/2297354、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v≈5000m/s。应