应变式传感器.ppt
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1、第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 3.1 电阻应变片的工作原理 3.2 电阻应变片的结构、材料及粘贴 3.3 电阻应变片的特性 3.4 电阻应变片的测量电路 3.5 应变式传感器的应用 3.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理3.1.1 金属电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理基金属电阻应变片的工作原理基于电阻应变效应。导体在外界作用于电阻应变效应。导体在外界作用下产生机械变形下产生机械变形(拉伸或压缩拉伸或压缩)时,其时,其电阻值相应发生变化,这种现象称电阻值相应发生变化,这种现象称为电阻应变效应。为电阻应变效应。如图如图3-1所示,一根金属电
2、阻丝,所示,一根金属电阻丝,在其未受力时,原始电阻值为在其未受力时,原始电阻值为式中:式中:电阻丝的电阻率;电阻丝的电阻率;l电阻丝的长度;电阻丝的长度;A电阻丝的截面积。电阻丝的截面积。(3-1)图3-1 金属电阻丝应变效应 当电阻丝受到拉力当电阻丝受到拉力F作用时,将作用时,将伸长伸长l,横截面积相应减小,横截面积相应减小A,电,电阻率因材料晶格发生变形等因素影阻率因材料晶格发生变形等因素影响而变化响而变化,从而引起电阻变,从而引起电阻变化化R,通过对式,通过对式(3-1)全微分,得电全微分,得电阻的相对变化量为阻的相对变化量为 式中:式中:dl/l长度相对变化量,长度相对变化量,用应变用
3、应变表示为表示为(3-2)(3-3)dA/A圆形电阻丝的截面积相圆形电阻丝的截面积相对变化量,设对变化量,设r为电阻丝的半径,微分为电阻丝的半径,微分后可得后可得 由材料力学可知,在弹性范围内,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,沿径金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,令向缩短,令dl/l=为金属电阻丝的轴向为金属电阻丝的轴向应变,为径向应变,那么轴向应应变,为径向应变,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为变和径向应变的关系可表示为式中,式中,为电阻丝材料的泊松比,负号为电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。表示应变方向相反。(3-5)(3-4)将式将式(3-3)
4、、式、式(3-5)代入式代入式(3-2),可得,可得或或 通常把单位应变引起的电阻值通常把单位应变引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。其物变化称为电阻丝的灵敏系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量,其表达式为对变化量,其表达式为 (3-6)(3-7)(3-8)灵敏系数灵敏系数K受两个因素影响:一受两个因素影响:一个是应变片受力后材料几何尺寸的变个是应变片受力后材料几何尺寸的变化,即化,即1+2;另一个是应变片受力后;另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化,即材料的电阻率发生的变化,即(d/)/。对金属材料来说,对金属材料来说,电阻丝灵敏系数表达式中
5、电阻丝灵敏系数表达式中1+2的值要的值要比比(d/)/大得多,所以金属电阻丝大得多,所以金属电阻丝的影响可忽略不计,即起主要作用的的影响可忽略不计,即起主要作用的是应变效应。大量实验证明,在电阻是应变效应。大量实验证明,在电阻丝拉伸极限内,电阻的相对变化与应丝拉伸极限内,电阻的相对变化与应变成正比,即变成正比,即K为常数。为常数。3.1.2 半导体电阻应变片的工作原理半导体电阻应变片的工作原理半导体电阻应变片是用半导体材半导体电阻应变片是用半导体材料制成的,其工作原理基于半导体材料制成的,其工作原理基于半导体材料的压阻效应。半导体材料的电阻率料的压阻效应。半导体材料的电阻率随作用应力的变化而发
6、生变化的现象随作用应力的变化而发生变化的现象称为压阻效应。称为压阻效应。当半导体应变片受轴向力作用时,当半导体应变片受轴向力作用时,其电阻相对变化为其电阻相对变化为式中式中d/为半导体应变片的电阻率相为半导体应变片的电阻率相对变化量,其值与半导体敏感元件在对变化量,其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关,其关系为轴向所受的应变力有关,其关系为(3-9)(3-10)式中:式中:半导体材料的压阻系数半导体材料的压阻系数;半导体材料所受的应变半导体材料所受的应变力力;E半导体材料的弹性模量半导体材料的弹性模量;半导体材料的应变。半导体材料的应变。将式将式(3-10)代入式代入式(3-9)中得中得
7、实验证明,实验证明,E比比1+2大上百倍,所大上百倍,所以以1+2可以忽略,因而引起半导体应可以忽略,因而引起半导体应变片电阻变化的主要因素是压阻效应,变片电阻变化的主要因素是压阻效应,式式(3-11)可以近似写成可以近似写成(3-11)(3-12)半导体应变片的灵敏系数比金半导体应变片的灵敏系数比金属丝式的高,但半导体材料的温度属丝式的高,但半导体材料的温度系数大,应变时非线性比较严重,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。使它的应用范围受到一定的限制。用应变片测量应变或应力时,用应变片测量应变或应力时,根据上述特点,在外力作用下,被根据上述特点,在外力作用下,被测对象
8、产生应变测对象产生应变(或应力或应力)时,应变片时,应变片随之发生相同的变化,同时应变片随之发生相同的变化,同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得的电阻值也发生相应变化。当测得的应变片电阻值变化量为应变片电阻值变化量为R时,便可时,便可得到被测对象的应变值,根据应力得到被测对象的应变值,根据应力与应变的关系,得到应力值与应变的关系,得到应力值为为 =E(3-13)由此可知,应力值由此可知,应力值正比于应正比于应变变,而试件应变,而试件应变正比于电阻值的正比于电阻值的变化,所以应力变化,所以应力正比于电阻值的变正比于电阻值的变化,这就是利用应变片测量应变的化,这就是利用应变片测量应变的基本原理。
9、基本原理。3.2 电阻应变片的结构、材料及粘贴电阻应变片的结构、材料及粘贴3.2.1 金属电阻应变片的结构金属电阻应变片的结构金属电阻应变片品种繁多,形式金属电阻应变片品种繁多,形式多样,常见的有丝式电阻应变片和箔多样,常见的有丝式电阻应变片和箔式电阻应变片。式电阻应变片。金属电阻应变片的大体结构基本金属电阻应变片的大体结构基本相同,图相同,图3-2所示是丝式金属电阻应所示是丝式金属电阻应变片的基本结构,由敏感栅、基片、变片的基本结构,由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。敏感栅是覆盖层和引线等部分组成。敏感栅是应变片的核心部分,它粘贴在绝缘的应变片的核心部分,它粘贴在绝缘的基片上,其上再粘
10、贴起保护作用的覆基片上,其上再粘贴起保护作用的覆盖层,两端焊接引出导线。盖层,两端焊接引出导线。l图3-2 金属电阻应变片的结构图图3-3是丝式电阻应变片和箔式电是丝式电阻应变片和箔式电阻应变片的几种常用形式。丝式电阻阻应变片的几种常用形式。丝式电阻应变片有回线式和短线式两种形式。应变片有回线式和短线式两种形式。回线式应变片是将电阻丝绕制成敏感回线式应变片是将电阻丝绕制成敏感栅粘贴在绝缘基层上,图栅粘贴在绝缘基层上,图3-3(a)为常为常见回线式应变片的基本形式;短线式见回线式应变片的基本形式;短线式应变片如图应变片如图3-3(b)所示,敏感栅由电所示,敏感栅由电阻丝平行排列,两端用比栅丝直径
11、大阻丝平行排列,两端用比栅丝直径大510倍的镀银丝短接构成。箔式电阻倍的镀银丝短接构成。箔式电阻应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅,其厚度一般的一种很薄的金属箔栅,其厚度一般在在0.0030.01mm之间,可制成各种之间,可制成各种形状的敏感栅形状的敏感栅(即应变花即应变花),其优点是,其优点是表面积和截面积之比大,散热条件好,表面积和截面积之比大,散热条件好,允许通过的电流较大,可制成各种所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。图需的形状,便于批量生产。图3-3中的中的(c)、(d)、(e)及及(f)为常见的箔式应变为常见的
12、箔式应变片形状。片形状。l图3-3 常用应变片的形状3.2.2 金属电阻应变片的材料金属电阻应变片的材料对电阻丝材料应有如下要求:对电阻丝材料应有如下要求:灵敏系数大,且在相当大的应灵敏系数大,且在相当大的应变范围内保持常数;变范围内保持常数;值大,即在同样长度、同样横值大,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;截面积的电阻丝中具有较大的电阻值;电阻温度系数小,否则因环境电阻温度系数小,否则因环境温度变化也会改变其阻值;温度变化也会改变其阻值;与铜线的焊接性能好,与其它与铜线的焊接性能好,与其它金属的接触电势小;金属的接触电势小;机械强度高,具有优良的机械机械强度高,具有优良的
13、机械加工性能。加工性能。表表3-1给出了常用金属电阻丝材料给出了常用金属电阻丝材料的性能数据。的性能数据。康铜是目前应用最广泛的应变丝康铜是目前应用最广泛的应变丝材料,它有很多优点:灵敏系数稳定材料,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,且稳定,当采用合适的热处理工艺时,可使电阻温度系数在可使电阻温度系数在5010-6/的范的范围内;加工性能好,易于焊接。因而围内;加工性能好,易于焊
14、接。因而国内外多以康铜作为应变丝材料。国内外多以康铜作为应变丝材料。表表3-1 常用金属电阻丝材料的性能常用金属电阻丝材料的性能 3.2.3 金属电阻应变片的粘贴金属电阻应变片的粘贴应变片是用黏结剂粘贴到被测件应变片是用黏结剂粘贴到被测件上的。黏结剂形成的胶层必须准确迅上的。黏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。速地将被测件应变传递到敏感栅上。选择黏结剂时必须考虑应变片材料和选择黏结剂时必须考虑应变片材料和被测件材料性能,不仅要求黏结力强,被测件材料性能,不仅要求黏结力强,黏结后机械性能可靠,而且黏合层要黏结后机械性能可靠,而且黏合层要有足够大的剪切弹性模量,良好的电有足够
15、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,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。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。固化时加热加压的可能性等。常用的黏结剂类型有硝化纤维素常用的黏结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙烯酸型、聚酯树脂型、环型、氰基丙烯酸型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等。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、理、贴
16、片位置确定、涂底胶、贴片、干燥固化、贴片质量检查、引线的焊干燥固化、贴片质量检查、引线的焊接与固定以及防护与屏蔽等。黏结剂接与固定以及防护与屏蔽等。黏结剂的性能及应变片的粘贴质量直接影响的性能及应变片的粘贴质量直接影响着应变片的工作特性,如零漂、蠕变、着应变片的工作特性,如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数、线性以及它们受温滞后、灵敏系数、线性以及它们受温度变化影响的程度等。可见,选择黏度变化影响的程度等。可见,选择黏结剂和正确的黏结工艺与应变片的测结剂和正确的黏结工艺与应变片的测量精度有着极重要的关系。量精度有着极重要的关系。3.3 电阻应变片的特性电阻应变片的特性3.3.1 弹性敏感元件及其基本特
17、性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。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具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。件。弹性元件在应变片测量技术中占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,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然后传递给粘贴在弹性元件上的应变片,通
18、过应变片将力、力矩或压力转片,通过应变片将力、力矩或压力转换成相应的电阻值。下面介绍弹性元换成相应的电阻值。下面介绍弹性元件的基本特性。件的基本特性。1.刚度刚度刚度是弹性元件受外力作用下刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度,其变形大小的量度,其定义是弹性元件单位变形下所需要定义是弹性元件单位变形下所需要的力,用的力,用C表示,其表示,其数学表达式为数学表达式为式中:式中:F作用在弹性元件上的外作用在弹性元件上的外力,单位为牛顿力,单位为牛顿(N);x弹性元件所产生的变形,弹性元件所产生的变形,单位为毫米单位为毫米(mm)。(3-14)图3-4 弹性特性曲线刚度也可以刚度也可以从弹性特性曲
19、线从弹性特性曲线上求得。图上求得。图3-4中中弹性特性曲线弹性特性曲线1上上A点的刚度,点的刚度,可通过在可通过在A点作点作曲线曲线1的切线,的切线,求该切线与水平求该切线与水平夹角的正切来得夹角的正切来得出,即出,即tan=dF/dx。若。若弹性元件的特性弹性元件的特性是线性的,则其是线性的,则其刚度是一个常数,刚度是一个常数,即即tan=F/x=常常数,如图数,如图3-4中的中的直线直线2所示。所示。2.灵敏度灵敏度通常用刚度的倒数来表示弹性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,元件的特性,称为弹性元件的灵敏度,一般用一般用S表示,其表达式为表示,其表达式为从式从式(
20、3-15)可以看出,灵敏度就可以看出,灵敏度就是单位力作用下弹性元件产生变形的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,大小,灵敏度大,表明弹性元件软,变形大。与刚度相似,若弹性特性是变形大。与刚度相似,若弹性特性是线性的,则灵敏度为一常数;若弹性线性的,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,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,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各处由单位力产生的变形大小是不同的。的。(3-15)通常使用的弹性元件的材料为合通常使用的弹性元件的材料为合金钢金钢(40Cr,3
21、5CrMnSiA等等)、铍青铜、铍青铜(Qbe2,QBr2.5等等)、不锈钢、不锈钢(1Cr18Ni9Ti等等)。传感器中弹性元件的输入量是力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、薄敏感元件有弹簧管、膜片、膜盒、薄壁圆桶等。壁圆桶等。3.3.2 电阻应变片的静态特性电阻应变片的静态特性应变片的电阻值是指应变片没有应变片的电
22、阻值是指应变片没有粘贴且未受应变时,在室温下测定的粘贴且未受应变时,在室温下测定的电阻值,即初始电阻值。金属电阻应电阻值,即初始电阻值。金属电阻应变片的电阻值已标准化,有一定的系变片的电阻值已标准化,有一定的系列,如列,如60、120、250、350和和1000,其中以,其中以120最为常最为常用。用。1.灵敏系数灵敏系数当具有初始电阻值当具有初始电阻值R的应变片粘的应变片粘贴于试件表面时,试件受力引起的表贴于试件表面时,试件受力引起的表面应变,将传递给应变片的敏感栅,面应变,将传递给应变片的敏感栅,使其产生电阻相对变化使其产生电阻相对变化R/R。理论和。理论和实验表明,在一定应变范围内实验表
23、明,在一定应变范围内R/R与轴向应变与轴向应变的关系满足下式:的关系满足下式:定义定义K=(R/R)/为应变片的灵敏为应变片的灵敏系数。它表示安装在被测试件上的应系数。它表示安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时,引起的变在其轴向受到单向应力时,引起的电阻相对变化电阻相对变化(R/R)与其单向应力引与其单向应力引起的试件表面轴向应变起的试件表面轴向应变()之比。之比。必须指出:应变片的灵敏系数必须指出:应变片的灵敏系数K并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数系数K0,一般情况下,一般情况下,KK0,这是因,这是因为,在单向应力产生应变时,为,在单向应力产生应
24、变时,K除受除受到敏感栅结构形状、成型工艺、黏结到敏感栅结构形状、成型工艺、黏结剂和基底性能的影响外,尤其受到栅剂和基底性能的影响外,尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。应变片端圆弧部分横向效应的影响。应变片的灵敏系数直接关系到应变测量的精的灵敏系数直接关系到应变测量的精度度(3-16)因此,因此,K值通常采用从批量生产中每值通常采用从批量生产中每批抽样,在规定条件下,通过实测来批抽样,在规定条件下,通过实测来确定,称为标称灵敏系数。上述规定确定,称为标称灵敏系数。上述规定条件是:条件是:试件材料取泊松比试件材料取泊松比0=0.285的的钢材;钢材;试件单向受力;试件单向受力;应变片轴向与主应
25、力方向一致。应变片轴向与主应力方向一致。2.横向效应横向效应当将图当将图3-5所示的应变片粘贴在所示的应变片粘贴在被测试件上时,由于其敏感栅是由被测试件上时,由于其敏感栅是由n条长度为条长度为l1的直线段和直线段端部的的直线段和直线段端部的n-1个半径为个半径为r的半圆圆弧或直线组成的半圆圆弧或直线组成的,若该应变片承受轴向应力而产生的,若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变纵向拉应变x,则各直线段的电阻将,则各直线段的电阻将增加,但在半圆弧段则受到从增加,但在半圆弧段则受到从+x到到-x之间变化的应变,其电阻的变化将之间变化的应变,其电阻的变化将小于沿轴向安放的同样长度电阻丝电小于沿轴向安放
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