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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,*,传感器原理与应用,第3章 力学传感器,根本要求：,把握金属应变式传感器、压阻式传感器和压电式传感器的构造；,通过对电阻应变片的测量和电路分析，把握惠斯登电桥电路的构造形式及特点；,了解力学传感器的应用。,力学传感器,主要用来测力，压力，位移，应变，速度，加速度，温度，湿度等。,依据构成传感器的敏感元件的材料的不同，分为：,金属应变式传感器,压阻式传感器,压电式传感器,电阻式传感器,力学传感器,机械形变,应变,电阻的相对变化,R/R,k,力,上游,应变,材料力学,争论范畴,下游,如何测量,电阻的,相对变化量,？,传感器原理与应用,力学传感器,3.1 金属应变计,Part.1 原理,1.金属应变式传感器,物理原理,金属应变式传感器是依据电阻应变效应的原理，将测量物体的变形转换成电阻的变化。,1856年W.Thomson觉察：导体或半导体材料在外力作用下会产生气械形变，其电阻值也发生相应转变，这种现象称为电阻应变效应。,了解,应变,和,电阻相对变化量,之间的,关系,是,如何获得,的？,1.1 电阻应变效应,长度为l，截面积为S，电阻率为,的金属或半导体丝，其电阻为：,当导体或半导体发生变化，将会引起电阻值相对变化量R的变化。,设电阻丝为圆形截面，半径为r，有,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，沿径向缩短，定义,泊松系数,表示,金属受力时的,轴向应变,和,径向应变,关系,，即：,非重点，课后自行理解,带入得到：,定义,轴向应变,：,定义单位应变引起的相对电阻变化为应变片的,灵敏系数,：,非重点，课后自行理解,又由于：,：,压阻系数,，,对于,半导体,取值,(4080)x10,-11,m,2,/N,E：,杨氏模量,，取值1.87x10,11,N/m,2,可得应变片的,灵敏系数,：,非重点，课后自行理解,轴向应变,金属丝的灵敏系数k0主要受两个因素影响：,受力后的几何尺寸的变化，金属导体以此为主：,受力后材料的电阻率随应变所引起的变化，半导体以此为主。,半导体应变片的灵敏度比金属导体的灵敏度系数值大几十倍。,对金属来讲，E很小，可无视不计，,泊松系数=0.250.5之间钢=0.285。,相应的，K0=1.52.,对半导体而言，E比1+2大得多，一般状况下E=50200。故1+2可以无视不计。,非重点，课后自行理解,1.2 应变片构造原理,电阻应变式传感器的核心元件是,电阻应变计,，也称为,应变计,或,应变片,。,应变片是一种能将机械构件上的应变的变化转换为电阻变化的传感元件。,1)基片：,绝缘材料,2)网状敏感栅：,高阻金属丝，金属箔,3)粘合剂：,化学试剂,4)掩盖层：,爱护层,5)引线：,金属导线,应变片的主要构造,常用敏感栅材料的主要性能,非重点，课后自行理解,应变片是一种重要的敏感元件，,它是应变和应力测量的主要传感器。,其他诸如膜片式压力传感器、加速度计、线位移传感器等，也常常使用应变片作为基点转换元件或敏感元件。,1.3 应变片的主要特性,应变片的灵敏系数,金属电阻丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系。灵敏度系数k0,金属丝做成应变片后，电阻特性与单根金属丝将有所不同，必需重新用试验来测定。,试验方法,试验是依据规定的统一标准进展的。,受一维力单向的拉力或压力,试件被测体的材料为泊松系数0.285的钢,由于应变计被粘贴到试件上后，不能取下再用，因此只能每批产品提取肯定百分比一般为5%进展测定，取平均值作为这批产品的灵敏度系数，或称“标称灵敏度系数”,试验证明：,电阻应变计的电阻相对变化R/R与应变=l/l 之间在很大范围内实现性的。,产品应变片的灵敏度系数k恒小于电阻丝的灵敏度系数k0。,假照实际应用条件和标定条件不同，使用时误差会很大，必需修正。,横向效应,其敏感栅是由多条直线和圆弧局部组成。,将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度一样，但应变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称横向效应。,敏感栅越窄，基长越长的应变片，横向效应引起的误差越小。,非重点，课后自行理解,横向灵敏度,横向效应的大小常用横向灵敏度的百分数表示：,kx为纵向轴向的灵敏系数，表示当横向应变y=0时，单位纵向应变所引起的电阻相对变化；,ky为横向的灵敏系数，表示当纵向应变x=0时，,单位横向应变所引起的电阻相对变化；,横向灵敏度跟材料的泊松系数相关。,非重点，课后自行理解,减小横向效应,为了减小横向效应，可承受直角线栅式应变计或箔式应变计。,大的截面积,大的截面积,非重点，课后自行理解,应变片的动态特性,电阻应变片在测量变化频率较高的动态应变时，应考虑其动态响应特性。,在动态测量时，应变是以应变波的形式在材料中传播，它的传播速度与声波一样。,应力波从试件通过胶层、基片传递到敏感栅需要肯定时间一般可以无视。,沿应变计长度方向经过敏感栅需要更长的时间应当加以考虑。,非重点，课后自行理解,敏感栅电阻的变化是对某一瞬时所用于其上的应力的平均值的反响,设应变的变化为:,应变在试件中轴向(沿栅轴方向)传播，有:,代入应变表达式:,设应变的变化为:,应变在试件中轴向(沿栅轴方向)传播，有:,代入应变表达式:,设应变的变化为:,应变在试件中轴向(沿栅轴方向)传播，有:,代入应变表达式:,设应变的变化为:,应变在试件中轴向(沿栅轴方向)传播，有:,非重点，课后自行理解,基长L内测得平均应变的最大值,p,得到最大值的积分段：,平均应变的最大值,p：,x,1,x,2,得到最大值的积分段：,平均应变的最大值,p：,得到最大值的积分段：,平均应变的最大值,p：,得到最大值的积分段：,x,1,平均应变的最大值,p：,得到最大值的积分段：,x,2,x,1,平均应变的最大值,p：,得到最大值的积分段：,非重点，课后自行理解,应变波幅的相对误差,应变波幅的相对误差：,测量误差e与应变波长对基长的相比照值/l有关。,非重点，课后自行理解,阶跃应变波通过敏感栅,可测频率：,非重点，课后自行理解,其他特性参数,线性度：,试件的应变和电阻的相对变化R/R，在理论上呈线性关系。,实际上，在大应变时，会消失非线性关系。,应变计的非线性度一般要求在0.05%或1%以内。,应变极限,粘贴在试件上的应变计所能测量的最大应变值称为应变极限。,当应变计的指示应变值对真实应变值的相对误差大于10%时，认为到达破会状态，此时的真实应变值就作为该批应变计的应变极限。,非重点，课后自行理解,机械滞后,在温度恒定的条件下，应变片粘贴在试件上进展加载和卸载，对同一机械应变量，应变片卸载时的指示应变高于加载时的指示应变，这种现象称为应变片的机械滞后。,其最大差值为应变片的机械滞后值。,非重点，课后自行理解,零漂和蠕变,粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。,假设在肯定温度下，使其承受恒定的机械应变，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的蠕变。一般蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。,这两项指标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性，在长时间测量中其意义更为突出。,蠕变中已包含零漂，由于零漂是不承受载荷条件下的蠕变。,应变片在制造过程中所产生的内应力、丝材、粘合剂、基底等的变化是造成应变片零漂和蠕变的因素。,非重点，课后自行理解,疲惫寿命,对于已安装好的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产生疲惫损坏的循环次数N称为应变片的疲惫寿命。,当消失以下三种状况之一时，都认为是疲惫损坏；,应变片的敏感栅或引线发生断路；,应变片输出指示应变的幅值变化10；,应变片输出信号波形上消失穗状尖峰。疲惫寿命反映了应变片对动态应变测量的适应性。,非重点，课后自行理解,最大工作电流,是指允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值。,工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高。,但过大的工作电流会使应变片本身过热，使灵敏系数变化，零漂、蠕变增加，甚至把应变片烧毁。,通常允许电流值在静态测量时约取,25mA左右，动态时可高一些，箔式应变片可取更大一些。,非重点，课后自行理解,绝缘电阻,绝缘电阻是指应变片的引线与被测试件之间的电阻值。,通常要求,50M100M以上。,绝缘电阻过低，会造成应变片与试件之间漏电而产生测量误差。,非重点，课后自行理解,应变片的电阻值R,应变片在未经安装也不受外力状况下，于室温下测得的电阻值，是使用应变片时应当知道的一个特性参数。,目前常用的电阻系列，习惯上为60、120、200、350、500、1000等。其中以120最常用。,取电阻值大，可以加大应变片承受电压，因此输出信号大，但敏感栅尺寸也增大。,非重点，课后自行理解,
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