電阻應(yīng)變式傳感器霍婷婷分析PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1電阻應(yīng)變式傳感器霍婷婷分析電阻應(yīng)變式傳感器霍婷婷分析2第1頁(yè)/共39頁(yè)3第2頁(yè)/共39頁(yè)第一節(jié) 電阻應(yīng)變片的基本工作原理 1、導(dǎo)電材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)4第3頁(yè)/共39頁(yè)5第4頁(yè)/共39頁(yè)第5頁(yè)/共39頁(yè)x第6頁(yè)/共39頁(yè) dA/A圓形電阻絲的截面積相對(duì)變化量，設(shè)r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2r dr，則 rdrAdA2由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時(shí)，沿軸向伸長(zhǎng)， 沿徑向縮短， 令dl/l=為金屬電阻絲的軸向應(yīng)變，那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為 :ldlrdr式中, 為電阻絲材料的泊松比， 負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。 第7頁(yè)/共39頁(yè)第8頁(yè)/共39頁(yè)第9頁(yè)/共39頁(yè)d

2、R/R = 2d /第10頁(yè)/共39頁(yè)第11頁(yè)/共39頁(yè)第12頁(yè)/共39頁(yè)14第13頁(yè)/共39頁(yè)第14頁(yè)/共39頁(yè)大大 類類分類方法分類方法 應(yīng)應(yīng) 變變 片片 名名 稱稱金屬金屬應(yīng)變片應(yīng)變片敏感柵結(jié)構(gòu)單軸應(yīng)變片；多軸應(yīng)變片基底材料膠基應(yīng)變片；金屬基應(yīng)變片；浸膠基應(yīng)變片；紙制應(yīng)變片制柵工藝絲繞式應(yīng)變片；短接式應(yīng)變片；箔式應(yīng)變片；薄膜式應(yīng)變片使用溫度低溫應(yīng)變片（-30以下）；常溫應(yīng)變片（-3060）；中溫應(yīng)變片（+60+350）；高溫應(yīng)變片（+350以上）安裝方式粘貼式應(yīng)變片；焊接式應(yīng)變片；噴涂式應(yīng)變片；埋入式應(yīng)變片用 途一般用途應(yīng)變片；特殊用途應(yīng)變片（水下、疲勞壽命、抗磁感應(yīng)、裂縫擴(kuò)展等）半導(dǎo)體

3、半導(dǎo)體應(yīng)變片應(yīng)變片制造工藝體形半導(dǎo)體應(yīng)變片；擴(kuò)散硅型半導(dǎo)體應(yīng)變片；薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片；N-P元件半導(dǎo)體型應(yīng)變片應(yīng)變片按敏感柵的材料可分為金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類，見下表：第15頁(yè)/共39頁(yè)具有初始電阻值R的（金屬）應(yīng)變絲粘貼于試件表面時(shí)，試件受力引起的表面應(yīng)變，將傳遞給應(yīng)變片的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對(duì)變化R/R。實(shí)驗(yàn)證明，在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，有下列關(guān)系：（式2-12）式中： x 應(yīng)變片軸向應(yīng)變（測(cè)量的主應(yīng)變方向） K=R / (Rx) 應(yīng)變片的靈敏系數(shù)（應(yīng)變片包括：應(yīng)變柵、基底、粘合劑）它表示在被測(cè)試件上的應(yīng)變片，在其軸向受到單向應(yīng)力時(shí)引起的電阻相對(duì)變化（R/R），與此單向應(yīng)力引起的試件

4、表面軸向應(yīng)變（x）之比。xKRR17第二節(jié) 電阻應(yīng)變片主要特性及參數(shù)第16頁(yè)/共39頁(yè)必須指出，應(yīng)變片的靈敏系數(shù) K 并不等于其敏感柵（金屬絲）的應(yīng)變絲靈敏系數(shù) K0（Km、Ks），一般情況下，K K0 。xKRR上述規(guī)定的標(biāo)定條件是：試件材料取泊松系數(shù)0= 0.285 的鋼試件單向受力應(yīng)變片軸向與主應(yīng)力（應(yīng)變）方向一致這是因?yàn)?，?yīng)變片在單向力作用下產(chǎn)生雙向應(yīng)變（軸向、橫向），應(yīng)變片的靈敏系數(shù) K 除受到敏感柵結(jié)構(gòu)形狀、成型工藝、粘結(jié)劑和基底性能的影響外，尤其受到柵端圓弧部分橫向效應(yīng)的影響。應(yīng)變片的靈敏系數(shù) K 直接關(guān)系到應(yīng)變片的應(yīng)變測(cè)量的精度。因此，K值通常采用從批量生產(chǎn)中抽樣，在規(guī)定條件下

5、通過實(shí)測(cè)確定，即應(yīng)變片的標(biāo)定；故 K 又稱標(biāo)定靈敏系數(shù)。18第17頁(yè)/共39頁(yè)yyr金屬應(yīng)變片的敏感柵通常是呈柵狀它由軸向（直段）縱柵和圓?。ü諒澏危M柵兩部分組成如下圖所示縱柵 l0橫柵 r橫柵 ry 橫向應(yīng)變yxx軸向應(yīng)變由于試件承受單向應(yīng)力時(shí)，應(yīng)變片表面處于平面應(yīng)變狀態(tài)中，即軸向（拉伸）應(yīng)變x 和橫向（收縮）應(yīng)變y此時(shí)，應(yīng)變片感受的軸向應(yīng)變x 為其測(cè)量的主應(yīng)變xxy縱柵對(duì)軸向應(yīng)變x 敏感，對(duì)橫向應(yīng)變y 不敏感橫柵對(duì)軸向應(yīng)變x 和橫向應(yīng)變y 均敏感19第18頁(yè)/共39頁(yè)主要在軸向應(yīng)變x 作用下，縱柵軸向變長(zhǎng)、徑向變細(xì)，電阻變大。在雙向應(yīng)變，即軸向應(yīng)變x、橫向應(yīng)變y 的雙重作用下，橫柵半徑變

6、小、圓弧弧長(zhǎng)變短（軸向變短）、徑向變粗，電阻變小。縱柵橫柵（式2-13）xxyyxxHKKKRR)1 ( 縱柵 主要感受軸向應(yīng)變x（縱柵受拉伸）橫柵 感受橫向應(yīng)變y，同時(shí)也感受軸向應(yīng)變x（雙向應(yīng)變作用下橫柵受壓縮）從而引起應(yīng)變片總電阻的相對(duì)變化為：第19頁(yè)/共39頁(yè)在軸向應(yīng)變x 和橫向應(yīng)變y 的作用下，橫柵所產(chǎn)生應(yīng)變電阻的增量與縱柵所產(chǎn)生應(yīng)變電阻的增量方向相反。其原因就是橫向應(yīng)變x 和軸向應(yīng)變y 對(duì)橫柵作用的結(jié)果。結(jié)論：在單位應(yīng)力、雙向應(yīng)變情況下，橫向應(yīng)變所產(chǎn)生的電阻的變化總是起著抵消軸向應(yīng)變（測(cè)量主應(yīng)變）所產(chǎn)生的電阻的變化作用。應(yīng)變片即敏感軸向應(yīng)變（測(cè)量主應(yīng)變） ，又同時(shí)受橫向應(yīng)變影響，使其

7、靈敏系數(shù)及相對(duì)電阻比都減少的現(xiàn)象，稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。21第20頁(yè)/共39頁(yè)應(yīng)變片的橫向效應(yīng)是由于本身結(jié)構(gòu) - 橫柵所產(chǎn)生的應(yīng)變片每個(gè)橫柵（拐彎段）很短，但數(shù)量較多，所有橫柵的長(zhǎng)度占敏感柵總長(zhǎng)度的比例較高，因此，橫柵的影響不能忽略橫柵給應(yīng)變片的測(cè)量帶來了一定的誤差應(yīng)設(shè)法消除橫向效應(yīng)的影響應(yīng)變片橫向效應(yīng)產(chǎn)生的原因應(yīng)變片橫向效應(yīng)的危害橫向應(yīng)變所產(chǎn)生的電阻的變化總是起著抵消軸向應(yīng)變所產(chǎn)生的電阻的變化作用它減弱了應(yīng)變片的輸出信號(hào)，即電阻的相對(duì)變化量R/R22第21頁(yè)/共39頁(yè)式中：n 縱柵的根數(shù)l 縱柵的長(zhǎng)度r 橫柵的半徑 推導(dǎo)過程見教材23-24頁(yè)采用短接式或直角式橫柵，使橫柵圓弧半徑為零，可以克

8、服橫向效應(yīng)的影響。（不能完全消除，因?yàn)闄M柵依然存在） 減小橫向效應(yīng)的辦法 短接式、直角式橫柵23第22頁(yè)/共39頁(yè)進(jìn)一步說，它是指粘貼在試件上的應(yīng)變片，在恒溫條件下增（加載）、減（卸載）試件應(yīng)變的過程中，對(duì)應(yīng)同一機(jī)械應(yīng)變所指示應(yīng)變量（輸出）最大不同（差）值。見下圖。應(yīng)變片在測(cè)量時(shí)，加載和卸載過程中的靈敏度系數(shù)不一致；即在增加或減少機(jī)械應(yīng)變的過程中，對(duì)同一機(jī)械應(yīng)變，應(yīng)變片的（輸出）指示值不同，其差值即為機(jī)械滯后。造成機(jī)械滯后的原因是由于敏感柵基底和粘貼劑材料性能，被測(cè)量過載、過熱，會(huì)使應(yīng)變片產(chǎn)生殘余變形，導(dǎo)致應(yīng)變片輸出不重合。通常在室溫條件下，要求機(jī)械滯后 Zi 310。實(shí)際中，可在測(cè)試前通過多

9、次重復(fù)預(yù)加、卸載，來減少機(jī)械滯后產(chǎn)生的誤差。01000機(jī)械應(yīng)變（）指示應(yīng)變zi max應(yīng)變片機(jī)械滯后特性加載卸載zii24第23頁(yè)/共39頁(yè)應(yīng)變片在恒溫恒載條件下，輸入信號(hào)恒定時(shí)，應(yīng)變片指示應(yīng)變值隨時(shí)間單向變化的特性稱為蠕變。如圖所示。試件空載（無輸入信號(hào)）時(shí)，應(yīng)變片指示應(yīng)變值仍隨時(shí)間變化的現(xiàn)象稱為零漂。如圖所示。蠕變反映了應(yīng)變片在長(zhǎng)時(shí)間工作中對(duì)時(shí)間的穩(wěn)定性; 通常要求 315。蠕變 （時(shí)間漂移）零漂 P0 （零點(diǎn)時(shí)間漂移）引起蠕變的主要原因制作應(yīng)變片時(shí)內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力和工作中出現(xiàn)的剪應(yīng)力，使敏感柵金屬絲、基底，尤其是膠層之間產(chǎn)生的滑移所致。適當(dāng)減薄膠層和基底，并使之充分固化，有利于蠕變性能的改善。P0時(shí)間01000指示應(yīng)變應(yīng)變片的蠕變和零漂特性25第24頁(yè)/共39頁(yè)應(yīng)變片的線性特性，只有在一定的應(yīng)變限度范圍內(nèi)才能保持。當(dāng)試件輸入的真實(shí)應(yīng)變超過某一限制值時(shí)，應(yīng)變片的輸出特性將出現(xiàn)非線性。在恒溫條件下，使非線性誤差達(dá)到10%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值，稱為應(yīng)變極限lim。如下圖所示。 應(yīng)變極限是衡量應(yīng)變片測(cè)量最大范圍和過載范圍能力的指標(biāo)通常要求lim800010%真實(shí)應(yīng)變lim指示應(yīng)變應(yīng)變片的應(yīng)變極限特性0真實(shí)應(yīng)變