力及压力测量-应变片

压 力 及 力 检 测 压 力 及 力 的测 量压 力 的 概 念和 单 位 应 变 式 压 力 计压 电 式 、 压 磁 式 、电 容 式 、 霍 尔 式 应 变 效 应应 变 片应 变 片 温 度 补 偿与 粘 贴应 变 式力 与 压 力 传 感 器转 换 电 路 1、 压 力 的 表 示2、 应 变 片 测 力 的 原 理3、 各 种 类 型 的 应 变 片 及 其 特 点4、 应 变 片 的 温 度 误 差 及 其 补 偿5、 应 变 片 的 应 用 电 路 1.什 么 是 压 力 垂 直 作 用 在 单 位 面 积 上 的 力 称 压 力 。在 国 际 单 位 制 （ SI） 和 我 国 法 定 计 量 单 位中 ， 压 力 的 单 位 是 “ 帕 斯 卡 ” ， 简 称“ 帕 ” ， 符 号 为 “ Pa”。 即 1N的 力 垂 直 均 匀 作 用 在 1m2的 面 积 上 所形 成 的 压 力 值 为 1Pa。 2 1 2 2 2kgm1Pa 1N/m 1 1kgm sm s 其 他 压 力 单 位 ： “ 工 程 大 气 压 力 ” （ kgf/cm2） 、 “ 毫 米 汞 柱 ”（ mmHg） 、 “ 毫 米 水 柱 ” （ mmH2O） 、 “ 标 准大 气 压 ” （ atm） 、 “ 巴 ” （ bar） 、“ PSI” ） 、 “ PSI”（ “ 磅 力 每 平 方 英 寸 ） 1 kgf/cm2 = 0.9807 105Pa1mmH2O = 0.9807 10Pa1 mmHg = 1.332 102Pa1atm = 1.01325 105Pa1bar=105Pa 1 PSI=6.89 103Pa u绝 对 压 力 PJu大 气 压 力 PDu表 压 力 PB PB= PJ PDu真 空 度 PZ（ 负 压 ） PZ PD PJ 表 压 大 气 压 力 线负 压 绝 对压 力真 空 度10 绝 对压 力绝 对 压 力 的 零 线 12、 压 力 的 表 示 二 、 应 变 式 传 感 器我 们 可 以 做 这 样 一 个 较 简 单 的 实 验 ： 取 一 根 细 电 阻 丝 ，记 下 其 初 始 阻 值 （ 图 中 为 10.01） 。 当 我 们 用 力 将 该 电阻 丝 拉 长 时 ， 会 发 现 其 阻 值 略 有 增 加 （ 增 加 到 为10.05） 。 测 量 应 力 、 应 变 、 力 的 传 感 器 就 是 利 用 类 似的 原 理 制 作 的 。 设 有 一 长 度 为 、 截 面 积 为 A、 半 径 为 r、 电 阻 率 为的 金 属 单 丝 ， 它 的 电 阻 值 R可 表 示 为 当 沿 金 属 丝 的 长 度 方 向 作 用 均 匀 拉 力 （ 或 压 力 ） 时， 上 式 中 、 r、 l都 将 发 生 变 化 ， 从 而 导 致 电 阻 值 R发生 变 化 。 例 如（ 1） 金 属 丝 受 拉 时 ， l将 变 长 、 r变 小 ， 均 导 致 R变 大 ；（ 2） 某 些 半 导 体 受 拉 时 ,将 变 大 ， 导 致 R变 大 。 2l lR A r 实 验 证 明 ， 电 阻 丝 及 应 变 片 的 电 阻 相 对 变 化 量 R R与 材 料 力 学中 的 轴 向 应 变 x的 关 系 在 很 大 范 围 内 是 线 性 的 ， 即 xR KR K电 阻 应 变 片 的 灵 敏 度x 称 为 电 阻 丝 的 轴 向 应 变 ， 也 称 纵 向 应 变 x通 常 很 小 ， 在 应 变 测量 中 ， 也 常 将 之 称 为 微 应 变 对 于 不 同 的 金 属 材 料 ， K 略 微 不 同 ， 一 般 为 2左 右 。 而 对 半 导 体 材料 而 言 ， 由 于 其 感 受 到 应 变 时 ， 电 阻 率 会 产 生 很 大 的 变 化 ， 所 以 灵 敏度 比 金 属 材 料 大 几 十 倍 。 234 1电 阻 应 变 片 结 构 示 意 图 bl由 敏 感 栅 1、 基 底 2、 盖 片 3、 引 线 4和 粘 结 剂 等 组 成 。这 些 部 分 所 选 用 的 材 料 将 直 接 影 响 应 变 片 的 性 能 。 因此 ， 应 根 据 使 用 条 件 和 要 求 合 理 地 加 以 选 择 。 栅 长 栅 宽二 、 应 变 片 的 结 构与 材 料 （ 1） 敏 感 栅由 金 属 细 丝 绕 成 栅 形 。 电 阻 应 变 片 的 电 阻 值 为 60 、 120 、200 等 多 种 规 格 ， 以 120 最 为 常 用 。对 敏 感 栅 的 材 料 的 要 求 ： 应 变 灵 敏 系 数 大 ， 并 在 所 测 应 变 范 围 内 保 持 为 常 数 ； 电 阻 率 高 而 稳 定 ， 以 便 于 制 造 小 栅 长 的 应 变 片 ； 电 阻 温 度 系 数 要 小 ； 抗 氧 化 能 力 高 ， 耐 腐 蚀 性 能 强 ； 在 工 作 温 度 范 围 内 能 保 持 足 够 的 抗 拉 强 度 ； 加 工 性 能 良 好 ,易 于 拉 制 成 丝 或 轧 压 成 箔 材 ； 易 于 焊 接 ， 对 引 线 材 料 的 热 电 势 小 。对 应 变 片 要 求 必 须 根 据 实 际 使 用 情 况 ， 合 理 选 择 。 （ 2） 基 底 和 盖 片 基 底 用 于 保 持 敏 感 栅 、 引 线 的 几 何 形 状 和 相 对 位 置 ， 盖 片既 保 持 敏 感 栅 和 引 线 的 形 状 和 相 对 位 置 ， 还 可 保 护 敏 感 栅 。 基底 的 全 长 称 为 基 底 长 ， 其 宽 度 称 为 基 底 宽 。（ 3） 引 线 是 从 应 变 片 的 敏 感 栅 中 引 出 的 细 金 属 线 。 对 引 线 材 料 的 性能 要 求 ： 电 阻 率 低 、 电 阻 温 度 系 数 小 、 抗 氧 化 性 能 好 、 易 于 焊接 。 大 多 数 敏 感 栅 材 料 都 可 制 作 引 线 。 （ 4） 粘 结 剂 用 于 将 敏 感 栅 固 定 于 基 底 上 ， 并 将 盖 片 与 基 底 粘 贴 在 一起 。 使 用 金 属 应 变 片 时 ， 也 需 用 粘 结 剂 将 应 变 片 基 底 粘 贴 在构 件 表 面 某 个 方 向 和 位 置 上 。 以 便 将 构 件 受 力 后 的 表 面 应 变传 递 给 应 变 计 的 基 底 和 敏 感 栅 。 常 用 的 粘 结 剂 分 为 有 机 和 无 机 两 大 类 。 有 机 粘 结 剂 用 于低 温 、 常 温 和 中 温 。 常 用 的 有 聚 丙 烯 酸 酯 、 酚 醛 树 脂 、 有 机硅 树 脂 ， 聚 酰 亚 胺 等 。 无 机 粘 结 剂 用 于 高 温 ， 常 用 的 有 磷 酸盐 、 硅 酸 、 硼 酸 盐 等 。 三 、 应 变 片 的 种 类1、 金 属 应 变 片 （ 应 变 式 压 力 传 感 器 ）（ 1） 金 属 丝 式（ 2） 箔 式（ 3） 薄 膜 式2、 半 导 体 应 变 片 （ 压 阻 式 压 力 传 感 器 ） 金 属 丝 式 应 变 片 使 用 最 早 ， 有 纸 基 、 胶 基 之 分 。 由 于 金 属 丝式 应 变 片 蠕 变 较 大 ， 金 属 丝 易 脱 胶 ， 有 逐 渐 被 箔 式 所 取 代 的 趋 势。 但 其 价 格 便 宜 ， 多 用 于 应 变 、 应 力 的 大 批 量 、 一 次 性 试 验 。 箔 式 应 变 片 中 的 箔 栅 是 金 属 箔 通 过 光 刻 、 腐 蚀 等 工 艺 制 成 的。 箔 的 材 料 多 为 电 阻 率 高 、 热 稳 定 性 好 的 铜 镍 合 金 。 箔 式 应 变 片与 片 基 的 接 触 面 积 大 得 多 ， 散 热 条 件 较 好 ， 在 长 时 间 测 量 时 的 蠕变 较 小 ， 一 致 性 较 好 ， 适 合 于 大 批 量 生 产 。 还 可 以 对 金 属 箔 式 应 变 片 进 行 适 当 的 热 处 理 ， 使 其 线 胀 系 数、 电 阻 温 度 系 数 以 及 被 粘 贴 的 试 件 的 线 胀 系 数 三 者 相 互 抵 消 ， 从而 将 温 度 影 响 减 小 到 最 小 的 程 度 ， 目 前 广 泛 用 于 各 种 应 变 式 传 感器 中 。 丝 式 应 变 片 丝 式 电 阻 片 是 用 0.003mm-0.01mm的 合金 丝 绕 成 栅 状 制 成 的 ； 箔 式 应 变 片 箔 式 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 在 0.003 0.01m m 。 其 优点 是 散 热 条 件 好 , 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 。 薄 膜 应 变 片 是 采 用 真 空 蒸 发 或 真 空 沉 淀等 方 法 在 薄 的 绝 缘 基 片 上 形 成 0.1m以 下 的金 属 电 阻 薄 膜 的 敏 感 栅 , 最 后 再 加 上 保 护 层 。它 的 优 点 是 应 变 灵 敏 度 系 数 大 , 允 许 电 流 密度 大 , 工 作 范 围 广 。 半 导 体 应 变 片 是 用 半 导 体 材 料 制 成 的 , 其 工作 原 理 是 基 于 半 导 体 材 料 的 压 阻 效 应 。 所谓 压 阻 效 应 ， 是 指 半 导 体 材 料 在 某 一 轴 向受 外 力 作 用 时 , 其 电 阻 率 发 生 变 化 的 现 象 。 半 导 体 应 变 片 的 灵 敏 度 特 别 高 ， 但 是 对 温度 敏 感 . 四 、 应 变 片 的 测 量 电 路 金 属 应 变 片 的 电 阻 变化 范 围 很 小 ， 如 果 直 接 用欧 姆 表 测 量 其 电 阻 值 的 变化 将 十 分 困 难 ， 且 误 差 很大 。 常 利 用 桥 式 测 量 转 换电 路 将 R /R转 换 为 输 出电 压 U 0。 1、 桥 式 测 量 转 换 电 路 工 作 方 式 单 臂 电 桥双 臂 电 桥四 臂 全 桥 单 臂 电 桥R1为 应 变 片 ， R2 、 R3、 R4为固 定 电 阻 。 双 臂 电 桥 R1、 R2为 应 变 片 ， R3、R4为 固 定 电 阻 。 应 变片 R1 、 R2 感 受 到 的 应变 12以 及 产 生 的 电阻 增 量 正 负 号 相 间 ，可 以 使 输 出 电 压 Uo成倍 地 增 大 。 试件 四 臂 全 桥 全 桥 的 四 个 桥 臂 都 为 应 变片 ， 如 果 设 法 使 试 件 受 力 后 ，应 变 片 R1 R4产 生 的 电 阻 增 量（ 或 感 受 到 的 应 变 14） 正 负号 相 间 ， 就 可 以 使 输 出 电 压 Uo成 倍 地 增 大 。 上 述 三 种 工 作 方式 中 ， 全 桥 四 臂 工 作 方 式 的 灵敏 度 最 高 ， 双 臂 半 桥 次 之 ， 单臂 半 桥 灵 敏 度 最 低 。 采 用 全 桥（ 或 双 臂 半 桥 ） 还 能 实 现 温 度自 补 偿 。 3、 应 变 片 的 温 度 误 差 及 补 偿 a. 应 变 片 的 温 度 误 差 由 于 测 量 现 场 环 境 温 度 的 改 变 而 给 测 量 带 来 的 附 加 误 差 , 称 为 应 变 片 的 温 度 误 差 。 产 生 应 变 片 温 度 误 差 的 主 要 因 素 有 : 应 变 片 温 度 误 差 电 阻 温 度 系 数 的 影 响材 料 与 应 变 片 膨 胀 系 数 不 同 1) 电 阻 温 度 系 数 的 影 响 敏 感 栅 的 电 阻 丝 阻 值 随 温 度 变 化 的 关 系 可 用 下 式表 示 ： Rt=R0（ 1+0t） 式 中 : Rt温 度 为 t 时 的 电 阻 值 ; R0温 度 为 t 0 时 的 电 阻 值 ; 0金 属 丝 的 电 阻 温 度 系 数 ; t温 度 变 化 值 , t=t -t0。 当 温 度 变 化 t时 , 电 阻 丝 电 阻 的 变 化 值 为 Rt=Rt- R0= R00t 2) 试 件 材 料 和 电 阻 丝 材 料 的 线 膨 胀 系 数 的 影 响 当 试 件 与 电 阻 丝 材 料 的 线 膨 胀 系 数 相 同 时 , 不 论环 境 温 度 如 何 变 化 , 电 阻 丝 的 变 形 仍 和 自 由 状 态 一 样 , 不 会 产 生 附 加 变 形 。 当 试 件 和 电 阻 丝 膨 胀 系 数 不 同时 , 由 于 环 境 温 度 的 变 化 , 电 阻 丝 会 产 生 附 加 变 形 , 从而 产 生 附 加 电 阻 。 2. 电 阻 应 变 片 的 温 度 补 偿 方 法 电 阻 应 变 片 的 温 度 补 偿 方 法 通 常 有 线 路 补偿 法 和 应 变 片 自 补 偿 两 大 类 。 1) 线 路 补 偿 法 在 应 变 片 工 作 过 程 中 , 保 证 R3 =R4。 R1和 RB两 个 应 变 片 应 具 有 相 同 的 电 阻 温 度 系数 , 膨 胀 系 数 , 应 变 灵 敏 度 系 数 K和 初 始 电 阻 值 R0。 粘 贴 补 偿 片 的 补 偿 块 材 料 和 粘 贴 工 作 片 的 被测 试 件 材 料 必 须 一 样 , 两 者 线 膨 胀 系 数 相 同 。 两 应 变 片 应 处 于 同 一 温 度 场 。 若 实 现 完 全 补 偿 , 上 述 分 析 过 程 必 须 满 足 四 个 条 件 : 2) 应 变 片 自 补 偿 ， 巧 妙 的 安 装 应 变 片被 拉 伸被 压 缩 应 变 片 试 件 1. 柱 （ 筒 ） 式 力 传 感 器 被 压 缩2 环 式 力 传 感 器 2、 应 变 式 压 力 传 感 器 应 变 式 压 力 传 感 器 主 要 用 来 测 量 流 动 介 质 的 动 态 或 静 态 压力 。 如 动 力 管 道 设 备 的 进 出 口 气 体 或 液 体 的 压 力 、 发 动 机 内 部的 压 力 变 化 , 枪 管 及 炮 管 内 部 的 压 力 、 内 燃 机 管 道 压 力 等 。 应变 片 压 力 传 感 器 大 多 采 用 膜 片 式 或 筒 式 弹 性 元 件 。 应 变 式 力 传 感 器 FF FF 各 种 悬 臂 梁 F F固 定 点 固 定 点电 缆 应 变 式 荷 重 传 感 器 的外 形 及 应 变 片 的 粘 贴位 置 FR1 R2 R4 应 变 式 荷 重 传 感 器 外 形 及 受 力 位置F F 应 变 式 荷 重 传 感 器 外 形 及 受 力 位 置F F 荷 重 传 感 器 原 理 演 示 荷 重 传 感 器上 的 应 变 片在 重 力 作 用下 产 生 变 形 。轴 向 变 短 ，径 向 变 长 。 汽 车 衡 汽 车 衡 称 重 系 统 电 子 秤 磅 秤 超 市 打 印 秤远 距 离显 示 电 子 天 平电 子 天 平 的 精 度可 达 十 万 分 之 一 人 体秤 吊 钩 秤 便 携 式 应 变 式 数 显 扭 矩 扳手 可 用 于 汽 车 、 摩 托 车 、 飞 机 、 内 燃 机 、 机 械制 造 和 家 用 电 器 等 领 域 ， 准 确 控 制 紧 固 螺 纹 的装 配 扭 矩 。 量 程 2500N.m， 耗 电 量 10mA，有 公 制 /英 制 单 位 转 换 、 峰 值 保 持 、 自 动 断 电等 功 能 。 3.4.4 应 变 式 加 速 度 传 感 器用 于 物 体 加 速 度 的 测 量 。依 据 ： a=F/m。 3 2 1 4 1等强度梁； 2质量块； 3壳体； 4电阻应变敏感元体图 3-17 电 阻 应 变 式 加 速 度 传 感 器 结 构 图 测 量 原 理 ： 将 传 感 器 壳 体 与 被 测 对 象 刚 性 连 接 ， 当 被测 物 体 以 加 速 度 a 运 动 时 ， 质 量 块 受 到 一 个 与 加 速 度 方 向相 反 的 惯 性 力 作 用 ， 使 悬 臂 梁 变 形 ， 该 变 形 被 粘 贴 在 悬 臂梁 上 的 应 变 片 感 受 到 并 随 之 产 生 应 变 ， 从 而 使 应 变 片 的 电阻 发 生 变 化 。 电 阻 的 变 化 引 起 应 变 片 组 成 的 桥 路 出 现 不 平衡 ， 从 而 输 出 电 压 ， 即 可 得 出 加 速 度 a值 的 大 小 。 适 用 范 围 ： 不 适 用 于 频 率 较 高 的 振 动 和 冲 击 场 合 ， 一般 适 用 频 率 为 1060 Hz范 围 。 BA C DF 1、 应 变 片 测 量 力 的 原 理 是 什 么 ？2、 应 变 片 有 哪 几 种 类 型 ？3、 单 臂 、 半 桥 和 全 桥 电 路 的 灵 敏 度 有 怎 样 的 倍 数 关 系 ？ 谁 的 灵敏 度 最 大 ？4、 如 右 下 图 是 一 个 圆 柱 体 弹 性 元 件 ， A、 B、 C、 D是 四 个 应 变片 ， 观 察 他 们 粘 贴 的 位 置 后 判 断 四 个 应 变 片 在 电 桥 中 应 怎 样 连 接 ？画 出 电 桥 电 路 来 说 明 .5、 如 左 下 图 所 示 ， 如 需 测 量 弯 曲 力 和 拉 伸 力 ， 那 么 应 变 片 应 该怎 样 连 接 在 电 桥 电 路 中 ， 分 别 画 出 测 量 弯 曲 力 和 拉 伸 力 的 测 量 电桥 电 路 。 题 5图 题 4图 任 务 ： 自 制 电 子 秤 用 现 有 的 试 验 器 件 测 出 某 一物 体 的 质 量 ， 比 如 ： 手 机 ， 硬 币 ，一 串 钥 匙 等 等 。 步 骤 ： 1.连 接 一 个 全 桥 电 路 ， 4V供 电 ， 输 出 接 毫 伏 表 。 这 是 ， 如果 对 弹 性 悬 臂 施 加 一 定 的 力 ， 毫伏 表 的 数 值 应 有 相 应 的 变 化 。 2.在 标 准 砝 码 的 辅 助 下 ，得 到 被 侧 物 体 的 质 量 。 某 些 物 质 沿 某 一 方 向 受 到 外 力 作 用 时 ， 会 产 生变 形 ， 同 时 其 内 部 产 生 极 化 现 象 ， 此 时 在 这 种材 料 的 两 个 表 面 产 生 符 号 相 反 的 电 荷 ， 当 外 力去 掉 后 ， 它 又 重 新 恢 复 到 不 带 电 的 状 态 ， 这 种现 象 被 称 为 压 电 效 应 。 当 作 用 力 方 向 改 变 时 ，电 荷 极 性 也 随 之 改 变 。 这 种 机 械 能 转 化 为 电 能的 现 象 称 为 “ 正 压 电 效 应 ” 或 “ 顺 压 电 效 应 ” 。 反 之 ， 当 在 某 些 物 质 的 极 化 方 向 上 施 加 电场 ， 这 些 材 料 在 某 一 方 向 上 产 生 机 械 变 形或 机 械 压 力 ； 当 外 加 电 场 撤 去 时 ， 这 些 变形 或 应 力 也 随 之 消 失 。 这 种 电 能 转 化 为 机械 能 的 现 象 称 为 “ 逆 压 电 效 应 ” 或 “ 电 致伸 缩 效 应 ” 。 压 电 单 晶 体 有 石 英 (包 括 天 然 石 英 和 人 造石 英 )、 水 溶 性 压 电 晶 体 (包 括 酒 石 酸 钾 钠 、酒 石 酸 乙 烯 二 铵 、 酒 石 酸 二 钾 、 硫 酸 锤 等 )；多 晶 体 压 电 陶 瓷 有 钛 酸 钡 压 电 陶 瓷 、 锆 钛酸 铅 系 压 电 陶 瓷 、 铌 酸 盐 系 压 电 陶 瓷 和 铌镁 酸 铅 压 电 陶 瓷 等 。 如 图 所 示 为 天然 石 英 晶 体 ，其 结 构 形 状 为一 个 六 角 形 晶柱 ， 两 端 为 一对 称 棱 锥 。 如 果 从 石 英 晶 体 中 切 下 一 个 平 行 六 面 体 并 使 其 晶 面 分 别平 行 于 Z-Z、 Y-Y、 X-X轴 线 。 通 常 把 沿 电 轴 (X轴 )方 向 的作 用 力 产 生 的 压 电 效 应 称 为 “ 纵 向 压 电 效 应 ” ， 把 沿 机械 轴 (Y轴 )方 向 的 作 用 力 产 生 的 压 电 效 应 称 为 “ 横 向 压 电效 应 ” ， 沿 光 轴 (Z轴 )方 向 的 作 用 力 不 产 生 压 电 效 应 。 沿相 对 两 棱 加 力 时 ， 则 产 生 切 向 效 应 。 压 电 式 传 感 器 主 要是 利 用 纵 向 压 电 效 应 。