第3章應變式力學量傳感器

1、第3章應變式力學量傳感器第3章應變式力學量傳感器2目錄目錄前言前言3.1 電阻應變式傳感器的工作原理電阻應變式傳感器的工作原理3.2 3.2 電阻應變片的結(jié)構(gòu)和工作原理電阻應變片的結(jié)構(gòu)和工作原理3.3 3.3 電阻應變片的種類、材料和參數(shù)電阻應變片的種類、材料和參數(shù)3.4 3.4 電阻應變片的主要參數(shù)電阻應變片的主要參數(shù)3.5 3.5 電阻應變片的動態(tài)響應特性電阻應變片的動態(tài)響應特性3.6 3.6 應變計粘貼工藝應變計粘貼工藝3.7 3.7 電阻應變式傳感器的溫度誤差及其補償電阻應變式傳感器的溫度誤差及其補償3.8 3.8 電阻應變式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路電阻應變式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路 及電阻應

2、變儀及電阻應變儀3.9 3.9 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器本章小結(jié)本章小結(jié)第3章應變式力學量傳感器3前前 言言電阻應變式傳感器具有悠久的歷史是電阻應變式傳感器具有悠久的歷史是應用最廣泛的應用最廣泛的傳感器傳感器之一。將電阻應變片粘貼到各種彈性敏感元件之一。將電阻應變片粘貼到各種彈性敏感元件上，可構(gòu)成測量上，可構(gòu)成測量位移、加速度、力、力矩、壓力位移、加速度、力、力矩、壓力等各等各種參數(shù)的電阻應變式傳感器。種參數(shù)的電阻應變式傳感器。雖然新型傳感器不斷出現(xiàn)，為測試技術(shù)開拓了新的領(lǐng)雖然新型傳感器不斷出現(xiàn)，為測試技術(shù)開拓了新的領(lǐng)域。但是，由于電阻應變測試技術(shù)具有以下獨特優(yōu)點，域。但是，由于電阻應

3、變測試技術(shù)具有以下獨特優(yōu)點，可以預見在今后它仍將是一種主要的測試手段。可以預見在今后它仍將是一種主要的測試手段。第3章應變式力學量傳感器4它已廣泛應用于許多領(lǐng)域，諸如航空、機械、電它已廣泛應用于許多領(lǐng)域，諸如航空、機械、電力、化工、建筑。力、化工、建筑。電阻應變式傳感器的優(yōu)點：電阻應變式傳感器的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠；結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠；易于實現(xiàn)測試過程自動化和多點同步測量、易于實現(xiàn)測試過程自動化和多點同步測量、遠距測量和遙測；遠距測量和遙測；靈敏度高，測量速度快適合靜態(tài)、動態(tài)測靈敏度高，測量速度快適合靜態(tài)、動態(tài)測量；量；可以測量多種物理量。可以測量多種物理量

4、。第3章應變式力學量傳感器53.1 電阻應變式傳感器的工作原理電阻應變式傳感器的工作原理p 電阻應變式傳感器由電阻應變式傳感器由彈性敏彈性敏感元件與電阻應變片感元件與電阻應變片構(gòu)成。構(gòu)成。p 彈性敏感元件在感受被測量彈性敏感元件在感受被測量時特產(chǎn)生變形，其表面產(chǎn)生時特產(chǎn)生變形，其表面產(chǎn)生應變。應變。p 粘貼在彈性敏感元件表面的粘貼在彈性敏感元件表面的電阻應變片將隨著彈性敏感電阻應變片將隨著彈性敏感元件產(chǎn)生應變，因此電阻應元件產(chǎn)生應變，因此電阻應變片的電阻值也產(chǎn)生相應的變片的電阻值也產(chǎn)生相應的變化。變化。p 這樣，通過測量電阻應變片這樣，通過測量電阻應變片的電阻值變化，就可以確定的電阻值變化，就

5、可以確定被測量的大小了。被測量的大小了。第3章應變式力學量傳感器6 電阻應變片的工作原理是基于金屬的應變效應。金屬電阻應變片的工作原理是基于金屬的應變效應。金屬絲的電阻隨著它所受的機械變形絲的電阻隨著它所受的機械變形(拉伸或壓縮拉伸或壓縮)的大小而的大小而發(fā)生相應的變化的現(xiàn)象稱為發(fā)生相應的變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應變效應金屬的電阻應變效應。原因原因：因為金屬絲的電阻與材料的電阻率及其幾何尺：因為金屬絲的電阻與材料的電阻率及其幾何尺寸和截面積有關(guān)，而金屬絲在承受機械變形的過程中寸和截面積有關(guān)，而金屬絲在承受機械變形的過程中，這二者都要發(fā)生變化，因而引起金屬絲的電阻變化，這二者都要發(fā)生變化，因而引

6、起金屬絲的電阻變化。電阻應變片電阻應變片(計計)的工作原理的工作原理(金屬的應變效應金屬的應變效應)第3章應變式力學量傳感器73.2 電阻應變片的結(jié)構(gòu)和工作原理電阻應變片的結(jié)構(gòu)和工作原理 一、應變片的結(jié)構(gòu)一、應變片的結(jié)構(gòu)第3章應變式力學量傳感器8二、電阻一應變特性二、電阻一應變特性金屬導線受力變形情況金屬導線受力變形情況dFdFLdLRdRdFLdFFLFdLdRFLR2rdrLdLrdrFdFyx2xxsxxxdRdRKdRdRdRdR/)21 (/)21 (/)21 (第3章應變式力學量傳感器10討論討論對金屬絲，對金屬絲，s第二項可忽略不計，故第二項可忽略不計，故Ks=1+2 故故Ks=

7、1+21.52對半導體材料，對半導體材料，s=1+2+E, E1+2故故s=E =(4080)10-11m2/N,E=1.67 1011Pa故故s=E 50100第3章應變式力學量傳感器11 通過彈性敏感元件轉(zhuǎn)換作用，將位移、力、通過彈性敏感元件轉(zhuǎn)換作用，將位移、力、力矩、加速度、壓力等參數(shù)轉(zhuǎn)換為應變因此可以力矩、加速度、壓力等參數(shù)轉(zhuǎn)換為應變因此可以將應變片由測量應變擴展到測量上述參數(shù)，從而將應變片由測量應變擴展到測量上述參數(shù)，從而形成各種電阻應變式傳感器。形成各種電阻應變式傳感器。三、應變片測試原理三、應變片測試原理外力作用外力作用試件形變試件形變應變片形變應變片形變電阻變化電阻變化第3章應

8、變式力學量傳感器12電阻應變片的橫向效應電阻應變片的橫向效應圓弧段部分的電阻變化，將小于其同樣長度沿軸向安放圓弧段部分的電阻變化，將小于其同樣長度沿軸向安放的金屬絲的電阻變化。由此可見，將直的金屬絲繞成敏的金屬絲的電阻變化。由此可見，將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應變狀態(tài)不同，應變片敏感感柵后，雖然長度相同，但應變狀態(tài)不同，應變片敏感柵電阻變化較直的金屬絲小，因此靈敏度系數(shù)有所降低柵電阻變化較直的金屬絲小，因此靈敏度系數(shù)有所降低，這種現(xiàn)象稱為應變片的橫向效應。，這種現(xiàn)象稱為應變片的橫向效應。第3章應變式力學量傳感器13 一、絲式應變片一、絲式應變片 1回線式應變片回線式應變片 2短

9、接式應變片短接式應變片二、箔式應變片二、箔式應變片三、薄膜應變片三、薄膜應變片四、半導體應變片四、半導體應變片3.3 電阻應變片的種類、材料和參數(shù)電阻應變片的種類、材料和參數(shù)電電阻阻應應變變片片的的種種類類第3章應變式力學量傳感器141回線式應變片回線式應變片 圖圖 (a)為常見的回線式應變片構(gòu)造圖。為常見的回線式應變片構(gòu)造圖。 一、絲式應變片一、絲式應變片圖圖 (b)為常見的短接式應變片構(gòu)造圖。為常見的短接式應變片構(gòu)造圖。2短接式應變片短接式應變片第3章應變式力學量傳感器15常見的幾種箔式應變片構(gòu)造形式。常見的幾種箔式應變片構(gòu)造形式。 二、箔式應變片二、箔式應變片第3章應變式力學量傳感器16

10、這類應變片系利用這類應變片系利用照相制版或光刻腐蝕照相制版或光刻腐蝕的方的方法，將電阻箔樹在絕緣其底下制成各種圖形而法，將電阻箔樹在絕緣其底下制成各種圖形而成的應變片。成的應變片。箔材厚度多在一之間。箔材厚度多在一之間。利用光刻技術(shù)，可以制成適用各種需要的、利用光刻技術(shù)，可以制成適用各種需要的、形狀美觀的、稱為應變花的應變片。形狀美觀的、稱為應變花的應變片。它具有很多優(yōu)點，在測試中得到了日益廣泛它具有很多優(yōu)點，在測試中得到了日益廣泛的應用，在常溫條件下，已逐步取代了線繞的應用，在常溫條件下，已逐步取代了線繞式應變片。式應變片。第3章應變式力學量傳感器17p 其厚度在其厚度在 m以下。以下。p

11、它是采用它是采用真空蒸發(fā)或真空沉積真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，將電阻材料等方法，將電阻材料在基底上制成一層各種形式敏感柵而形成應變片。在基底上制成一層各種形式敏感柵而形成應變片。p 這種應變片靈敏系數(shù)高，易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，是一這種應變片靈敏系數(shù)高，易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，是一種很有前途的新型應變片。種很有前途的新型應變片。p 目前實際使用中的主要問題，是尚難控制其電阻對目前實際使用中的主要問題，是尚難控制其電阻對溫度和時間的變化關(guān)系。溫度和時間的變化關(guān)系。 三、薄膜應變片三、薄膜應變片第3章應變式力學量傳感器18 四、半導體應變片四、半導體應變片第3章應變式力學量傳感器19問題：有效質(zhì)量、各向同性、各

12、向異性問題：有效質(zhì)量、各向同性、各向異性第3章應變式力學量傳感器20 一、應變片電阻值一、應變片電阻值 它是指未安裝的應變片，在不受外力的情況下，于室溫條它是指未安裝的應變片，在不受外力的情況下，于室溫條件測定的電阻值，也稱原始阻值單位以件測定的電阻值，也稱原始阻值單位以 計。應變片電阻值計。應變片電阻值已趨于標準化，有已趨于標準化，有60 ，l 20 , , 350 ，600 和和1000 各種阻各種阻值值,其中其中120 為最常使用。為最常使用。 二、絕緣電阻二、絕緣電阻 即敏感柵與基底間的電阻值，一般應大于即敏感柵與基底間的電阻值，一般應大于1010 3.4 電阻應變片的主要參數(shù)電阻應變

13、片的主要參數(shù)為了正確選用電阻應變片，應該對影響其工作特性的主要參為了正確選用電阻應變片，應該對影響其工作特性的主要參數(shù)進行了解。數(shù)進行了解。第3章應變式力學量傳感器21三、靈敏系數(shù)三、靈敏系數(shù) 靈敏系數(shù)系指應變片安裝于試件表面，在其軸線方向的單向靈敏系數(shù)系指應變片安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應力作用下，應變片的阻值相對變化與試件表面上安裝應變片應力作用下，應變片的阻值相對變化與試件表面上安裝應變片區(qū)域的軸向應變之比。區(qū)域的軸向應變之比。K值的準確性將直接影響測量精度，其值的準確性將直接影響測量精度，其誤差大小是衡量應變片質(zhì)量優(yōu)劣的主要標志。同時要求誤差大小是衡量應變片質(zhì)量優(yōu)劣的主要標志。

14、同時要求K值盡值盡量大而穩(wěn)定。量大而穩(wěn)定。四、允許電流四、允許電流 允許電流系指不因電流產(chǎn)生熱量影響測量精度。應變片允許允許電流系指不因電流產(chǎn)生熱量影響測量精度。應變片允許通過的最大電流。它與通過的最大電流。它與 應變片本身、試件、粘合劑和環(huán)境等應變片本身、試件、粘合劑和環(huán)境等有關(guān)。要根據(jù)應變片的阻值和結(jié)合電路具體情況計算。為保測有關(guān)。要根據(jù)應變片的阻值和結(jié)合電路具體情況計算。為保測量精度、在靜態(tài)測量時，允許電流一般為量精度、在靜態(tài)測量時，允許電流一般為25mA,在動態(tài)測量時在動態(tài)測量時允許電流可達允許電流可達75100mA箔式應變片允許電流較大。箔式應變片允許電流較大。應變片的主要參數(shù)應變片

15、的主要參數(shù)第3章應變式力學量傳感器22五、應變極限五、應變極限 應變片的應變極限是指在溫度一定時，指示應變值和真實應應變片的應變極限是指在溫度一定時，指示應變值和真實應變的相對差值不超過一定數(shù)值時的最大真實應變數(shù)值，一般變的相對差值不超過一定數(shù)值時的最大真實應變數(shù)值，一般差值規(guī)定為差值規(guī)定為10，當指示應變值大于真實應變的，當指示應變值大于真實應變的10時，真時，真實應變值稱為應變片的極限應變實應變值稱為應變片的極限應變六、機械滯后、零漂和蠕變六、機械滯后、零漂和蠕變 應變片的機械滯后是指對粘貼的應變片中同一機械應變量應變片的機械滯后是指對粘貼的應變片中同一機械應變量下指示應變的最大差值。下指

16、示應變的最大差值。 零點漂移是指已粘貼好的應變片，在溫度一定和無機械應零點漂移是指已粘貼好的應變片，在溫度一定和無機械應變時，指示應變隨時間的變化。變時，指示應變隨時間的變化。 蠕變是指已粘貼好的應變片，在溫度一定并承受一定的機蠕變是指已粘貼好的應變片，在溫度一定并承受一定的機械應變時，指示應變值隨時間的變化。械應變時，指示應變值隨時間的變化。應變片的主要參數(shù)應變片的主要參數(shù)第3章應變式力學量傳感器233.5 電阻應變片的動態(tài)響應特性電阻應變片的動態(tài)響應特性 當試件或彈性元件的應變大小和方向隨時間改變時，應當試件或彈性元件的應變大小和方向隨時間改變時，應變片處于動態(tài)下工作。變片處于動態(tài)下工作。

17、這就會出現(xiàn)：這就會出現(xiàn)：應變從試件或彈性元件傳到敏感柵要用多長時間應變從試件或彈性元件傳到敏感柵要用多長時間A. 在進行高頻的動態(tài)應變測量時，哪些因素影響應變片對在進行高頻的動態(tài)應變測量時，哪些因素影響應變片對動態(tài)應變的響應。動態(tài)應變的響應。應變波應變波經(jīng)過試件或彈性元件材料經(jīng)過試件或彈性元件材料粘合層粘合層最后傳播到最后傳播到應變片應變片應變波的傳播過程應變波的傳播過程:第3章應變式力學量傳感器24應變波在幾種應變波在幾種材料中的傳播材料中的傳播速度（單位速度（單位m/s)第3章應變式力學量傳感器25測量誤差與應變波長對基長的比值/l0有關(guān)如右圖一、應變波為正弦波結(jié)論：/l0越大，測量誤差越

18、??；1. l0越小，測量誤差越小（在 一定時）第3章應變式力學量傳感器26a b ca:階躍波形階躍波形 b:上升時間的滯后（理論）上升時間的滯后（理論） c:應變啟示錄波形應變啟示錄波形三、其他情況三、其他情況 基長基長l0應盡量選用短的，這樣可更真實測出被應盡量選用短的，這樣可更真實測出被測部位的應變提高測試精度。測部位的應變提高測試精度。二、應變波為階躍波二、應變波為階躍波注：注： V-應變波傳播速度應變波傳播速度第3章應變式力學量傳感器27 一、應變片檢查 二、修整應變片 三、試件表面處理 四、劃粘貼應變片的定位線 五、粘貼應變片 六、粘合劑的固化處理 七、應變片粘貼質(zhì)量的檢查 八、引

19、出線的固定保護 九、應變片的防潮處理3.6 應變計粘貼工藝第3章應變式力學量傳感器28包括兩方面：包括兩方面： 溫度變化引起應變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加溫度變化引起應變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應變應變 試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，使應試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，使應變片產(chǎn)生附加應變變片產(chǎn)生附加應變3.7 電阻應變式傳感器的溫度誤差及其補償電阻應變式傳感器的溫度誤差及其補償1. 溫度誤差及其產(chǎn)生原因溫度誤差及其產(chǎn)生原因第3章應變式力學量傳感器29溫度變化引起應變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應變附加應變?yōu)椋旱?章應變式力學量傳感器30試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，使應

20、變片產(chǎn)生試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，使應變片產(chǎn)生附加應變附加應變 如果粘貼在試件上一段長度為如果粘貼在試件上一段長度為l0的應變絲當溫度變化的應變絲當溫度變化t t時，應變絲受熱膨脹至時，應變絲受熱膨脹至lt1,而應變絲下的試件伸長為而應變絲下的試件伸長為lt2:第3章應變式力學量傳感器31 由上面的式子可知，如果由上面的式子可知，如果試試和和絲絲不相等，則不相等，則l lt1t1和和l lt2t2 也就不等也就不等，但是應變絲和試件是粘結(jié)在一起的，若，但是應變絲和試件是粘結(jié)在一起的，若絲絲試試，則應變絲被迫從，則應變絲被迫從l lt1t1拉長到拉長到l lt2t2，這就使應變絲產(chǎn)生

21、附加變形，這就使應變絲產(chǎn)生附加變形l lt t ：引起的電阻變化為：引起的電阻變化為：總電阻變化為：總電阻變化為：總附加虛假應總附加虛假應變量為：變量為：第3章應變式力學量傳感器32溫度補償方法，基本上分為溫度補償方法，基本上分為橋路補償和應變片自補償兩橋路補償和應變片自補償兩大類。大類。(1)、橋路補償法、橋路補償法2. 溫度補償方法溫度補償方法R1、R2完全一致，只不過完全一致，只不過兩者一接受應力作用，另兩者一接受應力作用，另一個不接受應力作用。一個不接受應力作用。第3章應變式力學量傳感器33(2)、應變片自補償法、應變片自補償法 粘貼在被測部位上的是一種特殊應變片，當溫度變化時，產(chǎn)粘貼

22、在被測部位上的是一種特殊應變片，當溫度變化時，產(chǎn)生的附加應變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?，這種特殊應變片稱為生的附加應變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒@種特殊應變片稱為溫度自溫度自補償應變片補償應變片。利用溫度自補償應變片來實現(xiàn)溫度補償?shù)姆椒ǚQ為應變片自利用溫度自補償應變片來實現(xiàn)溫度補償?shù)姆椒ǚQ為應變片自補償法。補償法。下面介紹兩種的自補償應變片下面介紹兩種的自補償應變片. A選擇式自補償應變片選擇式自補償應變片 由式由式(437)可知，實現(xiàn)溫度補償?shù)臈l件可知，實現(xiàn)溫度補償?shù)臈l件:t=0第3章應變式力學量傳感器34p 它是利用兩種電阻絲它是利用兩種電阻絲材料的電阻溫度系數(shù)材料的電阻溫度系數(shù)不同不同(一個為正，一一個為正，

23、一個為負個為負)的特性，將的特性，將二者串聯(lián)制成敏感柵二者串聯(lián)制成敏感柵p 若兩段敏感柵若兩段敏感柵R1和和R2由于溫度變化而產(chǎn)生由于溫度變化而產(chǎn)生的 電 阻 變 化 為的 電 阻 變 化 為Rt1Rt2大大小相等小相等而符號相反就可以而符號相反就可以實現(xiàn)溫度補償。實現(xiàn)溫度補償。B、雙金屬敏感柵自補償應變片、雙金屬敏感柵自補償應變片(組合式自補償應變片組合式自補償應變片) 第3章應變式力學量傳感器35圖中的熱敏電阻圖中的熱敏電阻Rt在與應在與應變片相同的溫度條件下，變片相同的溫度條件下，當應變片的靈敏度隨溫度當應變片的靈敏度隨溫度升高而下降時，熱敏電阻升高而下降時，熱敏電阻是的阻值也下降，使電

24、橋是的阻值也下降，使電橋的輸入電壓隨溫度升高而的輸入電壓隨溫度升高而增加，從而提高電橋的輸增加，從而提高電橋的輸出，補償因應變片引起的出，補償因應變片引起的輸出下降。選擇分流電阻輸出下降。選擇分流電阻R5的值，可以得到良好的的值，可以得到良好的補償。補償。 (3)、熱敏電阻補償法、熱敏電阻補償法第3章應變式力學量傳感器363.8 電阻應變式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路電阻應變式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路 及電阻應變儀及電阻應變儀應變片可以把應變片可以把應變的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變應變的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化化，為顯示與記錄應變的大小，還要把，為顯示與記錄應變的大小，還要把電電阻的變化再轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化阻的變

25、化再轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，完，完成上述作用的電路稱為電阻應變式傳感器成上述作用的電路稱為電阻應變式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路，的信號調(diào)節(jié)電路，一般采用測量電橋。一般采用測量電橋。第3章應變式力學量傳感器373.9 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器由由彈性元件彈性元件和和應變片應變片以及以及一些附件一些附件(補償元件、保補償元件、保護罩等護罩等)組成的裝置稱為應變式傳感器。組成的裝置稱為應變式傳感器。1 電阻應變式力傳感器電阻應變式力傳感器A、柱式力傳感器、柱式力傳感器實心園柱：實心園柱：軸向：軸向：第3章應變式力學量傳感器38 獨 特 的 設 計獨 特 的 設 計，得到了較好，得到了較好的效果：差

26、動的效果：差動放大放大(why?)結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)電電 路路第3章應變式力學量傳感器39B、梁式力傳感器、梁式力傳感器(A).等截面梁應變式力傳感器等截面梁應變式力傳感器z一距固定端為x處的應變值；l梁的長度；x某一位置到固定端的距離，E梁的材料的彈性模量；第3章應變式力學量傳感器40(B).等強度梁應變式力傳感器等強度梁應變式力傳感器第3章應變式力學量傳感器41C、薄壁圓環(huán)式力傳感器注意：支點，受力點環(huán)的厚度為h，外徑為R，寬度為b，應變片R1，R4貼在外表面，R2，R3貼在內(nèi)表面，貼片處的應變量為:第3章應變式力學量傳感器42D、剪切式力傳感器、剪切式力傳感器(A).梁式剪切力傳感器梁式剪切力傳

27、感器第3章應變式力學量傳感器43第3章應變式力學量傳感器44(B).輪輻式剪切力傳感器輪輻式剪切力傳感器第3章應變式力學量傳感器452 應變式壓力傳感器應變式壓力傳感器* 主要用于液體、氣體動態(tài)和靜態(tài)壓力的測量主要用于液體、氣體動態(tài)和靜態(tài)壓力的測量，如內(nèi)燃機管道和動力設備管道的進氣口、，如內(nèi)燃機管道和動力設備管道的進氣口、出氣口的壓力測量出氣口的壓力測量,以及發(fā)動機噴口的壓力、以及發(fā)動機噴口的壓力、槍、炮管內(nèi)部壓力的測量等。槍、炮管內(nèi)部壓力的測量等。*這類傳感器主要采用膜片式、薄板式、筒式這類傳感器主要采用膜片式、薄板式、筒式、組合式的彈性元件。、組合式的彈性元件。第3章應變式力學量傳感器46