第2章 电阻应变式传感器

第2章应变式传感器11第2章电阻应变式传感器ResistanceStrainGage教学重点：1）应变片工作原理及基本特性；2）应变片温度误差的来源及补偿；3）应变式传感器的测量电路；4）应变式传感器的基本应用。第2章应变式传感器特点：结构简单，使用方便，灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量，易于实现自动化，是目前应用最广泛的传感器之一。概述构成：应变式传感器由以下三部分构成；弹性敏感元件力、压力、位移电阻应变片电桥电路RU图3-1应变式传感器基本构成ε作用：可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；第2章应变式传感器返回电子秤（力传感器）第2章应变式传感器应变片用于电子衡器磅秤第2章应变式传感器汽车衡称重系统第2章应变式传感器材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试第2章应变式传感器2.1电阻应变片的工作原理基于电阻－应变效应导体或半导体材料在外力的作用下产生机械变形时，其电阻值发生相应变化，这种现象称为电阻应变效应。金属丝受拉时，l变长、s变小，导致R变大。lRS第2章应变式传感器rdrεldlyx横向应向轴向应变dSldSSldlSdR2当沿金属丝长度方向施加力时，长度l，截面积S和电阻率ρ都会变化，从而导致电阻值变化∆R。SlR求全微分dRdRx)21(dSdSldlRdRdS/S=2dr/r=2εy=-2μεx图3-1金属电阻应变效应第2章应变式传感器dRR)21(材料电阻率变化（1）对于金属材料：d/《(1+2μ)ε，可以略去：)21(RR由于近似常数，则：KRRK为应变灵敏度系数。金属应变片K为2～3.6。线性关系电阻变化∆R/R由两个因素产生：材料几何尺寸变化（3-1）其工作原理主要基于材料的几何变形第2章应变式传感器（2）对于半导体材料：(1+2μ)ε《dρ/ρ可忽略：EK优点：灵敏度高，K约为几十甚至几百，远大于金属电阻应变片灵敏度。缺点：温度稳定性远不如金属电阻应变片。测大应变时非线性比较严重。EddRR)21(KRREd工作原理是基于压阻效应,即在半导体某一轴向施加一定应力σ时，其电阻率ρ将产生变化，这种现象称为压阻效应。E—半导体材料的弹性模量；π—半导体材料的压阻系数。线性关系第2章应变式传感器2.2.1应变片的基本结构2.2应变片的结构种类、主要参数及粘贴1-基底;2-敏感栅;3-覆盖层;4-引线图3-2电阻应变片的基本结构第2章应变式传感器表3-1应变片主要技术参数第2章应变式传感器1.金属丝式应变片(bondedmetal-wiregage)直径在0.012～0.05mm的金属丝；2.金属箔式应变片(bondedmetal-foilgage)厚度在0.001～0.01mm的金属箔,亦称应变花;2.2.2金属应变片的种类返回第2章应变式传感器敏感栅薄而宽，粘接性能好，传递试件应变性能好；散热条件好，允许通过的电流较大；尺寸准确，可制成各种所需的形状，便于批量生产；横向效应小，机械滞后较小，疲劳寿命长。箔式应变片逐渐取代丝式应变片，是目前使用最普遍的应变片。优点：缺点：电阻分散性大。第2章应变式传感器3.金属薄膜式应变片(vacuum-depositedthin-metal-filmgage)采用真空镀膜技术在很薄的绝缘基底上蒸镀金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层形成,膜厚小于1m。优点是灵敏度高，允许通过大的电流。第2章应变式传感器2.2.3应变片的主要参数1.应变片电阻值（R0）指应变片不受外力作用情况下,于室温条件测定的电阻值(原始电阻值)。已标准化.主要有60,120,350,600,1000Ω等各种规格，以120Ω最为常用。在条件许可的情况下，应尽量选用高阻值应变片。2.绝缘电阻：指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值Rm，要求Rm1010欧姆。第2章应变式传感器3.最大工作电流（Imax）：指已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流Imax。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，灵敏系数等产生变化，甚至烧毁应变片。通常静态测量时，允许电流一般为25mA；动态测量时，允许电流可达75～100mA。第2章应变式传感器4.灵敏系数(K)用实验法测定得到。测定时：●将应变片安装于试件（泊松比=0.285的钢材）表面；●在其轴线方向的单向应力作用下；●保证应变片轴向与主应力轴向一致的条件下(R/R)∕(l/l)=K一批产品只能进行抽样（5%）测定，取平均K值及允许公差值为应变片的灵敏系数，有时称“标称灵敏系数”。一般情况下K≈2.0.KKS第2章应变式传感器5.横向效应:定义：将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，但由于敏感栅“圆弧段”上的应变状态不同于直线段的应变，敏感栅的电阻变化减小，灵敏系数有所降低，这种现象称为应变片的横向效应。如图3-3所示。图3-3横向效应第2章应变式传感器解释如图：直线段---感受εx---电阻增加，圆弧段各微段轴向---感受不是εx--电阻增加较小尤其在θ=90°的微弧段---感受压应变εy（=－μεx）---电阻减小为了减小横向效应的影响，一般多采用箔式应变片。第2章应变式传感器应变测试中，应变片的指示应变是敏感栅覆盖面积下的轴向平均应变。静态测试时，应变片能正确反映它所处受力试件内各点的应变；动态测试时，应变是以应变波的形式沿应变片的敏感栅的长度方向传播（形式和速度相同于声波），因而应变片反映的平均应变与瞬时应变有一定差异，产生动态误差。分析影响动态误差的因素，怎样减小动态误差。6.动态响应特性第2章应变式传感器应变波为正弦变化时：即沿试件内传播的应变波为=0sin(2x/)，幅值0，应变波峰值处应变片的响应情况如图3-5（a）所示。图3-4应变片对正弦应变波的响应特性与误差曲线2401lx2402lx第2章应变式传感器/2cos/2cos2/2sin120012021xxlxxdxxxxp/sin000ll1/sin0000llp0l可以看出：测量误差与比值n=有关,n值越大，误差越小，一般可取n=10～20时，=1.6%～0.4%所以：被测信号频率越高应选择应变片基长l0越小。测量峰值的相对误差：真实应变波峰值为:ε0应变片实测出的峰值（平均应变）p：第2章应变式传感器2.2.4应变片的粘贴应变片工作时,是用粘合剂粘贴到被测件上的。粘合剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应变片的工作特性。粘贴剂选择：粘接力强、机械性能可靠、良好的电绝缘性、足够大的剪切弹性模量、耐油，耐湿等等。选择粘贴剂时必须考虑应变片基底材料和被测试件材料性能。常用的粘接剂：有硝化纤维素黏合剂（万能胶）、氰基丙烯酸黏合剂（501，502）、聚酯树脂黏合剂、环氧树脂类黏合剂、酚醛树脂类黏合剂。粘贴工艺：包括被测件表面处理，贴面位置确定、涂底胶、贴片、干燥固化，贴片质量检查、引线焊接固化等等第2章应变式传感器1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。第2章应变式传感器2.贴片：在应变片的表面和处理过的试件表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。第2章应变式传感器3.测量：用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。第2章应变式传感器4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。第2章应变式传感器5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。第2章应变式传感器图3-5直流电桥如图3-5，当RL→∞时，电桥输出电压:ERRRRRRUo43321143213241RRRRRRRRE2.3电阻应变片的测量电路机械应变一般都很小，因此ΔR/R也很微小，要把微小的电阻的变化转换成电压或电流的变化。通常采用直流电桥和交流电桥。2.3.1直流电桥1.直流电桥的平衡条件R1R4=R2R3——电桥的平衡条件当电桥平衡时U0=0，则有：第2章应变式传感器若R1为电阻应变片，R2，R3，R4为电桥固定电阻，构成了单臂电桥。若应变片电阻变化为ΔR1，电桥不平衡输出电压为：ERRRRRRRRUo4332111141310124113U11iRRRRURRRRRRE2413RRnRR定义桥臂比：并略去分母中的ΔR1/R1，得：(3-2)ERRnnUo1121（3-1）2.不平衡直流电桥的电压灵敏度第2章应变式传感器当dKU/dn=0时，dKU最大，此时n=1；即：R1=R2=R3=R4时电桥灵敏度最高所以工程中常用等臂电桥定义电桥灵敏度：EnnRRUKU2110)1(提高灵敏度Ku有两个途径：1.提高E；2.恰当选择桥臂比n当E值确定后，n取何值才能使Ku最高？第2章应变式传感器工作时，当电桥不平衡时，将有电压输出：ERRRRRRRRERRRRRRU))((43213241433211o当四个桥臂电阻R1、R2、R3、R4分别发生ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4的变化量，且ΔRi《Ri时，电桥输出电压U0只与应变片的电阻变化ΔRi有关，近似用下式表示：ERRRRRRRRRRRRU3344221122121o)((3-3)3、常用电桥电路第2章应变式传感器33442211o4RRRRRRRREUKRR由于)(43421kEUo得：在满足以下的三个条件时：（a）初始时满足R1=R2=R3=R4,即为等臂电桥，且电桥平衡；（b）每桥臂电阻变化量远小于本身值，即ΔRi﹤Ri（c）电桥负载电阻RL→∞则（3-3）式变为：（3-4）第2章应变式传感器常用电桥电路可分为单臂电桥、双臂电桥和全桥工作方式。其中全桥和双臂电桥构成差动工作方式。1）单臂工作方式如图（a）所示，R1为电阻应变片，电阻变化量为ΔR1，而R2、R3、R4为固定电阻，电阻值不变化，代入式（3-4）得:111o44kERREU（3-5）图（a）电桥灵敏度：4110ERRUKU输出电压：第2章应变式传感器2）半桥双臂工作方式(差动电桥)如图（b）所示，R1、R2为电阻应变片，R3、R4为固定电阻，同理可得:2211RRRREU4o（3-6）若电阻变化如图所示：R1电阻值增加，R2电阻值减小，且变化量相等，即ΔR2=-ΔR1，则：111211122kERRERRRREU44o2110ERRUKU是单臂的2倍第2章应变式传感器3）全桥方式（差动电桥）如图，四个桥臂均为应变片111EkRRE33442211o4RRRRRRRREU若应变符号如图，且应变大小相同，则：R1＋R1R4R3ACBEDR2－R2Uo(a)R1＋R1ACBEDR2－R2Uo(b)R3－R3R4＋R4＋－＋－34214RRRRRRRREUoERRUKU110是单臂的4倍第2章应变式传感器总结：（1）两应变片接于相邻桥臂，输出电压为两者之差。接于相对桥臂，输出电压为两者之和。（2）桥臂上应变的极性，取决于其感受的应变，拉应变为正，压应变为负。合理地利用上述特性来粘贴应变片，可以提高传感器的测量灵敏度和获得温度补偿等。第2章应变式传感器例1：图为一直流应变电桥，图中U=4V，R1=R2=R3=R4=120Ω，试求