应变式传感器的基本知识(1)

应变式传感器Exit应变式电阻传感器2.12.2电阻应变片的重要特性2.32.4电阻应变片的测量电路2.5应变式传感器的应用+-DC+6V+RA实验一应变效应因为：金属导体或半导体的电阻与其电阻率及几何尺寸（长度、面积）有关，当其受到外力作用时，这些参数发生变化，因而引起其的电阻的变化，进而引起电流的变化。原理：金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化。K电流:小大施加力F?RK接通时安培表指示安培表变化电阻：大—小让我们来做个应变效应的实验Go!!!荷重传感器原理演示荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。§4.3电阻应变式传感器例2-2梁式力传感器2.1工作原理•应变–物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象•弹性应变–当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变•弹性元件–具有弹性应变特性的物体应变式传感器概述•是利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器•工作原理：–当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。•结构：–应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成•应用：–广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量应变效应分析•电阻应变片的工作原理是基于应变效应•即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：FlrrlFAlR当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了Δρ，从而引起电阻值变化量为dAdAldlRdR式中：dl/l——长度相对变化量2lldRddldAAAA＝＋电阻相对变化量：定义：应变片的灵敏系数（物理意义）：单位应变ε所引起的电阻相对变化量。其表达式为KRR课堂作业：p52第3题灵敏系数K受两个因素影响•一是应变片受力后材料几何尺寸的变化•二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化•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。应变片的基本结构电阻应变片式传感器是目前用于测量力、力矩、压力、加速度、质量等参数最广泛的传感器之一。电阻丝(敏感栅)—转换元件基底与面胶—中间介质和绝缘作用盖层引线--连接测量导线之用箔式应变片原理：它是利用照相制版或光刻腐蚀法将电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形的应变片；优点：敏感栅尺寸准确，线条均匀；其弯头横向效应可以忽略；可通过较大的电流；散热性好，寿命长；生产效率高；常用应变片一常用应变片二常用应变片三金属应变计2．半导体应变片半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率会发生变化。当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为:）（（10221)RRx半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高50～80倍，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。半导体应变片的突出优点是体积小，灵敏度高，频率响应范围宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接，使测量系统简单。但其温度系数大，应变时非线性较严重。思考•应变式力传感器的工作原理：弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面的电阻变小．F越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化就越大．如果让应变片中通过的电流保持恒定，则上面应变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小．因此可得，外力越大，输出的电压差值也就越大．思考•应变力传感器：它能够把机械变形转换成电阻变化．灵敏度系数.物理意义：单位应变所引起的电阻相对变化.横向效应.（图2-2）机械滞后.零点漂移和蠕变.应变极限.动态响应特性.（图2-3）2.2电阻应变片的重要特性2.2.1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。K为金属应变片的灵敏系数。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。原因主要是胶层传递变形失真及横向效应。KRR）（或142RRK即:2.3.2横向效应金属丝式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，而其横向应变εr也使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。dldθθ图2-5敏感栅半圆弧形部分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。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εR卸载加载指示应变εi图2-6应变片的机械滞后2.2.3机械滞后、零漂及蠕变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。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。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。在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的最大真实应变值。真实应变是由于工作温度变化或承受机械载荷，在被测试件内产生应力时所引起的表面应变。2.2.4应变极限εj真实应变εg指示应变εi图2-7应变片的应变极限100%190%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。2.3温度误差及其补偿2.3.1温度误差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。设环境引起的构件温度变化为Δt（℃）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为αt，则应变片产生的电阻相对变化为:）（1921tRRt由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当Δt存在时，引起应变片的附加应变，相应的电阻相对变化为:K——应变片灵敏系数;βe—试件材料线膨胀系数；βg—敏感栅材料线膨胀系数。）（2022tKRRge2.电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。1)线路补偿法电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。电桥补偿法R1R3RBR4UoR1RB(a)(b)R1—工作应变片；RB—补偿应变片FF~U电桥的输出U0怎么计算？电桥补偿法R1R3RBR4UoR1RB(a)(b)R1—工作应变片；RB—补偿应变片FF~U314310134134()()BabBBRRRRRRUUUUUURRRRRRRR电桥平衡的条件是什么？•A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知，当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压Uo的作用方向相反。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。314310134134()()BabBBRRRRRRUUUUUURRRRRRRR0143()BUARRRR测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变。当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有0)(341RRRRAUBo工程上，一般按R1=RB=R3=R4选取桥臂电阻。温度补偿的实现：(温度变化，无应变）当温度升高或降低Δt=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态，即0])()[(3411RRRRRRAUBtBto应变的测量：(温度变化，无应变）被测试件有应变ε的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量ΔR1=R1Kε，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量，此时电桥输出电压为可见：电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变ε有关，而与环境温度无关。011431414()()BUKRRRRRARRARKR注意补偿条件：在应变片工作过程中，保证R3=R4。R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。两应变片应处于同一温度场。作业：p50第1、5题2.4电阻应变片的测量电路2.4.11.直流电桥平衡条件433211RRRRRREUoR1R2R4R3ACBEDIoRLUo＋－图3-9直流电桥当RL→∞时，电桥输出电压为当电桥平衡时，Uo=0，则有R1R4=R2R3或4321RRRR电桥平衡条件：欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。电桥平衡条件2.电压灵敏度应变片工作时：电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。当受应变时：若应变片电阻变化为ΔR，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo≠0，则电桥不平衡，输出电压为341211113443211414332111111))((RRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRREUo设桥臂比n=R2/R1，由于ΔR1R1，分母中ΔR1/R1可忽略，并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3，则上式可写为ERRnnUo112)1(电桥电压灵敏度定义为EnnRRUKoU211)1(分析：①电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择；②电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。？当E值确定后，n取何值时才能使KU最高？2.4.2交流电桥引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于两只应变片各并联了一个电容。U图3-11交流电桥Z1UoU(a)Z2Z3Z4～R1R2R4R3oUC1C2U(b)～2.5应变式传感器的应用应变片能将应变直接转换成电阻的变化其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应变－弹性元件应变式传感器的组成：弹性元件、应变片、附件（补偿元件、保护罩等）2.5.1应变式力传感器被测物理量：荷重或力主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。力传感器的弹性