应变式传感器应变式传感器是应用最广泛的传感器之课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 应变式传感器,应变式传感器是应用最广泛的传感器之一，将,电阻应变片,粘贴到各种,敏感元件,上，可构成测量位移、速度、加速度、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感器。,应变式传感器具有结构简单，使用方便，性能稳定、可靠，易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测，灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量，可以测量多种物理量等优点，已广泛应用于诸如航空、机械、电力、化工、建筑等多个领域。,应变式传感器由电阻应变片和测量电路两部分组成，工作原理是基于,电阻应变效应,。电阻应变片将被测试件上的应变变化转换成电压或电流的变化，以便显示或记录被测非电量的大小。,4.1 金属的电阻应变效应,若一金属导线长度为L，截面积为S，电阻率为,，则电阻值,R,为：,若导线沿着轴线方向受到力的作用而发生变形，则其电阻值也随之发生变化，这一效应称为金属的电阻应变效应。,将上式两边微分，得：,对于半径为r的圆形截面导线，由于S=,r,2,则有dS/S=2dr/r,称为导线的径向应变，用,y,表示。导线长度的相对变化量,dL/L称为导线的,轴向应变，简称,应变,，可用,来表示。,当导线受到拉力时，将会在轴向伸长而在径向变细，由材料力学可知，轴向应变与径向应变之间成正比关系，其比例系数为泊松比,，即,y,=-,，则,此即“电阻应变效应”的表达式，K,0,即为电阻应变敏感材料的灵敏系数。,单根导线的灵敏度系数K,0,的大小是由两个因素引起的。一是由导线几何尺寸的改变引起的，即（1+2,）项；另一个是材料的因素（导线受力后，其电阻率,发生变化）引起的，即 项。对金属材料而言，K,0,的值,主要决定于第一项，对于半导体而言，K,S,的值主要决定于第二项。,由实验得知，在弹性变形范围内，大多数金属材料的应变灵敏系数K,0,在2.2左右。,4.2电阻应变片,4.2.1 电阻应变片的结构和分类（P59）,4.2.2 电阻应变片的工作原理,用应变片测量应变或应力时，首先将应变片用粘合剂牢固地粘贴在被测试件表面上，当被测试件受到外力作用时，将产生机械变形，应变片的敏感栅也随之变形，同时，应变片电阻也发生相应的变化，测得应变片电阻变化量,R,后，根据,R/R=K,便,可得到被测试件的应变值,。,K,是应变片的灵敏系数。,根据应变和应力的关系，若已知材料的弹性模量E（Kg/mm,2,)，又可得到应力值,，即,=E,。由此可知，应力正比于应变，而试件应变又正比于电阻值的变化量,R,，所以应力正比于电阻值的变化。这就是利用应变片测量应变、应力的基本原理，通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换成应变，就可以用应变片测量上述各量，从而制成各种应变式传感器。,4.2.3 电阻应变片的主要参数和工作特性,1 电阻应变片的主要参数,（1）,电阻值,应变片的电阻值是指应变片在安装前及室温下测定的电阻值，也称为初始电阻值。应变片的电阻值是一个系列，有60、90、120、250、350、1000等，其中以120和350应用最广泛。电阻值越大，,R=K,R越大，输出信号就越增大，从而敏感栅尺寸也要随之增大。,（,2）,灵敏系数,将应变片安装在处于单向应力状态的试件表面，使其灵敏轴线与应力方向平行，应变片电阻值的相对变化与沿其轴向的应变之比值，称为应变片的灵敏系数，即,应变片的灵敏系数是一个无量纲的量，它是应变片的重要技术参数，K值的误差大小是衡量应变片质量好坏的主要依据之一，其准确性又直接影响着应变片的测量精度。,（3）,绝缘电阻,是指应变片引出线与粘贴该应变片的试件之间的电阻值。它是检查应变片粘贴质量、粘合剂是否完全干燥或固化的重要指标。绝缘电阻越高越好。,（4）,零漂,对于已安装的应变片，在温度恒定和试件不受应力作用的条件下，指示应变随时间的变化数值通常简称为零漂。主要是由于绝缘电阻过低及通过电流产生的热电势等所造成。,（5）应变片的最大工作电流(,允许电流,）,当应变片接入电路通以电流时，若电流超过某一规定值后，由于产生的热效应将使应变片温度不断升高，严重地影响其工作特性，甚至烧坏应变片敏感栅，因此需要规定允许通过应变片敏感栅而不影响其工作特性的最大电流值。这个电流值称为应变片的最大工作电流（I,max,）。它与应变片敏感栅的形状和尺寸、基底尺寸和材料、粘合剂的材料及试件的热性能有关，一般由厂家提供。最大工作电流选取的依据是使应变片的零漂不超过允许值。,（6）,应变极限,是指在一定温度条件下，应变片指示的应变值与试件的真实应变值的相对差值不超过10%时的最大真实应变值。影响应变极限大小的主要因素是粘合剂和基底材料的性能。,（7）,疲劳寿命,是指粘贴在试件表面上的应变片，在恒定幅值的交变应力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。该参数反映了应变片适应动态应变的能力。,（8）,机械滞后,应变片安装在试件上以后，在温度恒定时，增加或减少机械应变过程中在同一机械应变量的作用下指示应变的不一致程度，称为应变片的机械滞后。产生机械滞后的原因主要是敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的。为了减小滞后，除选用合适的粘合剂外，最好在新安装应变片后，做三次以上的加卸载循环后再正式测量。,（9）,蠕变,如果在一定温度下，使粘贴在试件上的应变片承受恒定的机械应变，其阻值随时间变化的特性，称为应变计的蠕变。一般蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。,蠕变和零漂都是用来衡量应变片特性相对时间的稳定性，在长时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中已包含零漂，因为零漂是不加载的情况，它是加载的特例。,2,横向效应,及横向效应系数（H）,应变片在感受被测试件的应变时，横向应变将使其电阻变化率减小，从而降低灵敏系数的现象称为应变片的横向效应。,应变片横向效应的大小用横向效应系数H表示。它的定义为：在同一单向应变作用下垂直于单向应变方向安装的应变片的指示应变与平行于单向应变方向安装的同批应变片的指示应变之比，以百分数表示。一般情况下，H都小于2%，高精度应变片的H值可达到0.2%左右。,3,温度效应,及其补偿方法,粘贴到试件上的应变片，由于环境温度变化的影响，也将引起电阻的变化，这种现象称为应变片的温度效应。由温度变化引起的应变输出称为热输出，它是虚假应变，在测量中须设法予以消除。,应变片产生热输出的原因主要有两个：一是由于敏感栅的电阻值将会随着温度的变化而改变；二是由于敏感栅材料与试件材料的线膨胀系数不同，使得应变片不能自由伸缩，只能跟随试件一起变形，从而使敏感栅产生一定的附加应变而造成的。,可以通过温度补偿消除热输出对应变测量的影响。温度补偿方法通常有桥路补偿法、应变片自补偿法和热敏电阻补偿法。,桥路补偿法,这种方法的补偿原理是用两个参数相同的应变片分别接入测量电桥的两个相邻桥臂，其中R,1,为工作应变片，R,2,为补偿应变片。测量时，R,1,粘贴在试件上，R,2,粘贴在和试件材料相同并处于同一温度的补偿块上。工作过程中，补偿块不感受应变。当温度变化时，由于补偿块与试件材料相同，且两个应变片参数相同，所以两个应变片的电阻变化,R,1,与,R,2,也相同，因此电桥仍满足平衡条件，电桥输出为零。若有应变作用时，只有工作应变片感受应变，因此电桥输出只与被测试件受力情况有关，而与温度无关，从而起到温度补偿的作用。,桥路补偿法的优点是方法简单，在常温下补偿效果较好。其缺点是上述条件有时难以保证，尤其是在温度变化梯度较大的情况下，它将影响补偿效果。,应变片自补偿法,一种类型是利用自身具有温度补偿作用的特殊应变片，当温度发生变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为选择式温度自补偿应变片，它是通过选配敏感栅材料及其结构参数来制成的.,第二种是双金属敏感栅自补偿片，它是用电阻系数不同的两种金属材料串联绕制成敏感栅。这两段敏感栅由于温度变化引起的电阻变化大小相等、符号相反，从而起到温度补偿的作用。,第三种是双金属半桥片，结构与双金属自补偿片类似，但是两种敏感栅材料的电阻（R,1、,R,2,）温度系数符号相同，即都为正或负，但大小不相等。在两种材料的连接处再焊上一条引线，就构成了温度自补偿应变片。,测量时，R,1、,R,2,分别接入测量电桥的两个相邻桥臂，R,1,作为工作栅接入工作桥臂，R,2,作为补偿栅并串接一个温度系数甚小的附加电阻R,B,后接入补偿桥臂。当温度变化时，只要电桥的工作桥臂和补偿桥臂由于温度变化引起的电阻变化相等就能达到温度自补偿的目的。,实际使用时，调节R,1,和R,2,的长度比和附加电阻R,B,的大小，使之满足下式条件:,R,1T,/,R,1,=,R,2T,/（,R,2,+R,B,）,这种补偿法的优点是通过调整R,1,值，不仅可达到补偿，而且还适用于不同线膨胀系数的试件。缺点是对附加电阻R,B,的精度要求高，而且当应变片感受应变时，补偿栅会抵消工作栅的有效应变，使电桥输出灵敏度降低。,热敏电阻补偿法,具有负电阻温度系数的热敏电阻R,T,与应变片处于相同温度条件下，当温度升高时，应变片的灵敏度将下降，同时，热敏电阻的阻值也下降，使电桥的输入电压增加，从而提高了电桥的输出电压值，补偿了应变片由温度效应而引起的输出下降。适当选择R,5,的值，可以达到最佳补偿。,4.2.4 电阻应变片的测量电路,电阻应变片的作用是将机械应变转换为应变片的电阻变化。在一般测量范围内，这个电阻变化量是很微小的。测量电路的作用就是精确地测量出这个微小的电阻变化，通常是采用电桥来测量。这里只介绍直流平衡电桥，它用在静态应变测量中；另外还有直流不平衡电桥和交流电桥，用于动态应变测量，输出量可以是电压或电流。,1.直流平衡电桥,R1,、,R,2、,R,3,和R,4,为电桥的四个臂，R1为应变片。因为应变片在工作时阻值变化很小，故可以认为电源供给的电流I在工作过程中是不变的。假定电源为电压源，内阻为零。若R,g,为检流计内阻，串联负载为R,L,(R,L,R,g,),则检流计中流过的电流I,g,和电桥各参数之间的关系为,I,g,=0时，电桥平衡，则平衡条件为,R,1,R,4,-R,2,R,3,=0,应变片阻值变化量可以用I,g,的大小来表示（偏转法），也可以用桥臂阻值的改变量（使I,g,=0）来表示（零读法）。,（1）当采用偏转法时，应变片承受应变的情况下，其阻值R,1,变为R,1,+,R,1，,将其代入上式后，就可得到I,g,与,R,1,的关系式，通过读取I,g,值，就可求得,R,1,的值。,（2）当采用零读法时，初始时电桥平衡，I,g,=0，R,1,R,4,=R,2,R,3,，在应变片承受应变时，其阻值由R,1,变为R,1,+,R,1,，从而破坏了电桥原来的平衡条件，使检流计中有电流流过，此时可调节其他桥臂的电阻值，重新使I,g,=0，即电桥重新平衡。,比如调节R,2,，使其值变为R,2,+,R,2,后电桥重新平衡，则有,（R,1,+,R,1,）R,4,=（R,2,+,R,2,）R,3,即,当R,3、,R,4,恒定时，根据,R,2,的值即可求得,R,1,。,2.电压灵敏度,应变片工作时：电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入,放大器,进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为,开路,情况。,当受应变时：若应变片电阻变化为,R,，其它桥臂固定不变，电桥输出电压,U,o0，则电桥不平衡，输出电压为,设桥臂比,n,=,R,2,/,R,1,，由于,R,1,R,1,，分母中,R,1,/,R,1,可忽略，并考虑到平衡条件,R,2,/,R,1,=,R,4,/,R,3,，则上式可写为,电桥电压灵敏度,定义为,分析：,电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择；,电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值,n,的函数，恰当地选择桥臂比,n,的值，可以保证电桥具有较高的电压灵敏度。,？