金属应变片

第2章应变式传感器1第2章应变式传感器2.1工作原理2.2应变片的种类、材料及粘贴2.3金属应变片的特性2.4金属应变片的测量电路2.5金属应变片式传感器的应用第2章应变式传感器2基本原理电阻式传感器的基本原理：将被测量的变化转换成传感器元件电阻值的变化，再经过测量电路变成电信号输出。常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度传感元件有应变片、半导体膜片、电位器，由它们分别制成了应变式传感器、压阻式传感器、电位器式传感器等第2章应变式传感器32.1工作原理应变式传感器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”。第2章应变式传感器4第2章应变式传感器5一段长为l，截面积为S，电阻率为ρ的导体(如金属丝)，在其未受力时，原始电阻值为:图2-1金属电阻丝应变效应SlR（2-1）当电阻丝受到拉力F作用时第2章应变式传感器6当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积相应减小ΔS，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了dρ，从而引起电阻值相对变化量为（2-2）式中：dl/l——长度相对变化量dS/S——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dS=2πrdr，则rdrSdS2SdSldldRdR（2-3）第2章应变式传感器7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=ε为金属电阻丝的轴向应变，dr/r=εr为金属电阻丝的径向应变那么轴向应变和径向应变的关系可表示为ldlrdr式中,μ为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。（2-4）第2章应变式传感器8KS：金属导体应变灵敏系数，物理含义是单位轴（纵）向应变引起电阻的相对变化量。sdRRKdll（2-8）(12)dcsdRkR综上，（2-5）又有，（2-6）)21()21()21()21(CldlCSdSldldRdR大量实验证明，在金属丝的拉伸极限内，金属丝电阻的相对变化与金属丝的轴向应变成正比，即Ks为常数。第2章应变式传感器9灵敏系数Ks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+2μ；另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即。对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2μ的值要比大得多。(12)c(12)c)21()21()21()21(CldlCSdSldldRdR问：金属应变片的灵敏度取决于什么？第2章应变式传感器10半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。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。当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为dRdR)21(（2-9）式中dρ/ρ为半导体应变片的电阻率相对变化量。第2章应变式传感器11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。将式（2-10）代入式（2-9）中得)21(ERdR（2-11）实验证明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略。Ed（2-10）dρ/ρ与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为问：半导体应变片的灵敏度取决于什么？第2章应变式传感器12ERdRK（2-12）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。结论：用半导体应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为ΔR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σ为σ=E·ε（2-13）因而半导体应变片的灵敏系数为第2章应变式传感器13结论•金属应变片的灵敏度取决于应变片受力后材料几何尺寸的变化；•半导体应变片的灵敏度取决于应变片受力后材料的电阻率发生的变化第2章应变式传感器142.2应变片的种类、材料及粘贴2.2.1金属电阻应变片的结构图2-2金属电阻应变片的结构引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅lb第2章应变式传感器15•敏感栅——应变片的核心部分，应变计中实现应变-电阻转换的敏感元件。其电阻值一般在100Ω以上。•盖层——用纸、胶做成覆盖在敏感栅上的保护层；起着绝缘、防潮、防蚀、防损、几何形状固定等作用。•基片——将被测体的应变准确地传递到敏感栅上，一般为0.03～0.06mm,与被测体及敏感栅能牢固地粘合在一起，此外它还应有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性能。•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。第2章应变式传感器16•金属电阻应变片的敏感栅有丝式和箔式两种形式。•丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径0.01～0.05mm的电阻丝平行排列而成。•箔式金属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，其厚度一般为0.003~0.01mm，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，散热性能好，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。第2章应变式传感器17常用应变片的形式第2章应变式传感器182.2.2金属电阻应变片的材料对电阻丝材料应有如下要求：①灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数；②ρ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；③电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；④与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小；⑤机械强度高，具有优良的机械加工性能。第2章应变式传感器19表2-1常用金属电阻丝材料的性能第2章应变式传感器20康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于它有很多优点：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±50×10-6/℃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。第2章应变式传感器212.2.3金属电阻应变片的测量原理用应变片测量时，将其粘贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过测量电路转换为电压或电流变化，以此来直接测量应变。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，则可用应变片测量上述各量，而做成各种应变式传感器。第2章应变式传感器222.2.4金属电阻应变片的粘贴应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。粘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。选择粘结剂时必须考虑应变片材料和被测件材料性能，不仅要求粘接力强，粘结后机械性能可靠，而且粘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。思考：如何正确粘贴应变片？第2章应变式传感器23常用的粘结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙稀酸型、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。粘结剂的性能及应变片的粘贴质量直接影响应变片的工作特性，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。选择粘结剂和正确的粘结工艺与应变片的测量精度有着极重要的关系。第2章应变式传感器242.2.5金属电阻应变片的优点及缺点优点：测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，误差小于1%；应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快。测量时对被测的工件状态和应力分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可用于动态测量；测量范围大，既可测量弹性形变，也可测量塑性形变，形变范围可从1%~2%；第2章应变式传感器25适应性强，可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用；便于多点测量、远距离测量和遥测；价格便宜，品种多，工艺较成熟。金属电阻应变片是非电量电测技术中应用最广和最有效的敏感元件！第2章应变式传感器26缺点：大应变状态中具有较明显的非线性；输出信号微弱，故抗干扰能力较差；输出是一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化。第2章应变式传感器272.3电阻应变片的特性补充：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。弹性元件的基本特性有：第2章应变式传感器281.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dxdFxFClim(3-14)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）。第2章应变式传感器29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A点作曲线1的切线，该切线与水平夹角的正切就代表该弹性元件在A点处的刚度，即tanθ=dF/dx。若弹性元件的特性是线性的，则其刚度是一个常数，即tanθ=F/x=常数，如图3-4中的直线2所示。第2章应变式传感器30图3-4弹性特性曲线OFA1230x第2章应变式传感器312.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dFdxCS1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，如果弹性特性是线性的，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)第2章应变式传感器32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、薄臂圆桶等。通常使用的弹性元件的材料为合金钢（40Cr，35CrMnSiA等）、铍青铜（Qbe2，QBr2.5等）、不锈钢（1Cr18Ni9Ti等）。常用弹性元件第2章应变式传感器33表2-2常用弹性元件的结构和特性名称类别平薄膜波纹膜挠性膜薄膜式示意图压力测量范围/kPa最小最大输出特性动态性质时间常数/s自振频率/Hz0～100～1050～10－30～1030～10－50～102xpxpxxxpxF(力)x(位移)pxFxpxF,xpx1～10010－2～110～10010－2～10－110～10410－5～10－2第2章应变式传感器34表2-2常用弹性元件的结构和特性波纹管单圈弹簧管多圈弹簧管弹簧管式波纹管式0～10－30～1030～10－10～1060～10－20～105xpxxpxxpxxpxxpxxpx—10～100—100～100010～10010－2～10－1第2章应变式传感器352.3.1灵敏系数当具有初始电阻值的应变计粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变计的敏感栅，使其产生电阻相对变化。实验证明，在一定的应变范围内，有下列关系：式中，为应变片的轴向应变。为应变片的灵敏系数,表示安装在被测试件上的应变片在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化(ΔR/R)与其单向应力引起的试件表面轴向应变之比。xx