02电阻应变计式传感器.doc
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1、第一节 应变式传感器的基本原理和结构(Principle and Structure of Strain Gages)电阻式传感器的基本原理将被测量的变化转换成传感器元件电阻值的变化,再经过转换电路变成电信号输出。其类型很多,常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等,是目前使用最广泛的传感器之一。电阻式传感器中的传感元件有应变片、半导体膜片、电位器等。由它们分别制成了应变式传感器、压阻式传感器、电位器式传感器等。本节是重点。应变式传感器基本上是利用金属的电阻应变效应将被测量转换为电量输出的一种传感器。这类传感器结构简单,尺寸小,重量轻,使用方便,性能稳定可靠,分辨率高,灵敏度高,价格又便
2、宜,工艺较成熟。因此在航空航天、机械、化工、建筑、医学、汽车工业等领域有很广的应用。一.工作原理 (理解、掌握)(一)金属的电阻应变效应当金属丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值将发生变化,这种效应称为电阻应变效应。设有一段长为l,截面积为A,电阻率为的导体(如金属丝),它具有的电阻为: (2-1) 当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时,其l、A和均发生变化,如图2-1所示,因而导体的电阻随之发生变化。通过对式(2-1)两边取对数后再作微分,即可求得其电阻相对变化: (2-2)图2.1 导体受拉伸后的参数变化式中 材料的轴向线应变,常用单位(1=110-6mm/mm);而 。其中 r导体的半
3、径,受拉时r缩小;导体材料的泊松比。代入式(2-2)可得: (2-3)对于金属导体或半导体,上式中右末项电阻率相对变化的受力效应是不一样的,分别讨论如下:1.金属材料的应变电阻效应勃底特兹明()通过实验研究发现,金属材料的电阻率相对变化与其体积相对变化之间有如下关系: (2-4)式中 C由一定的材料和加工方式决定的常数; 代入式(2-3),并考虑到实际上R/R,故可得 (2-5)式中 金属丝材的应变灵敏系数(简称灵敏系数)。 上式表明:金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。 对于金属材料,。可见它由两部分组成:前部分为受力后金属丝几何尺寸变化所致,一般金属0.3
4、,因此(1+2)1.6;后部分为电阻率随应变而变的部分。以康铜为例,C1,C(1-2)0.4,所以此时K0=Km2.0。显然,金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。对其他金属或合金, Km=1.84.8。 2.半导体材料的应变电阻效应史密兹(C.S.Smith)等学者很早发现,锗、硅等单晶半导体材料具有压阻效应(piezoresistive effect)(详见第11章): (2-6)式中 作用于材料的轴向应力;半导体材料在受力方向的压阻系数;E半导体材料的弹性模量。同样,将式(2-6)代入式(2-3),并写成增量形式可得: (2-7)式中 半导体材料的应变灵敏系数。综合式(2-5)和式(
5、2-7)可得导电丝材的应变电阻效应为: (2-8)式中K0导电丝材的灵敏系数。对于半导体材料K0=Ks =(1+2)+E。它也由两部分组成:前部分同样为尺寸变化所致;后部分为半导体材料的压阻效应所致,而且E(1+2),因此半导体丝材的K0=KsE。可见,半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。通常Ks=(5080)Km。二 应变片的基本结构和测量原理 (理解、掌握)1.应变计的结构电阻丝应变片是用直径为0.025mm具有高电阻率的电阻丝制成的。为了获得高的阻值,将电阻丝排列成栅网状,称为敏感栅,并粘贴在绝缘的基片上,电阻丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层。如图:图2.2 典型应
6、变计的结构及组成(a)丝式 (b)箔式 (c)半导体1敏感栅 2基底 3引线 4盖层 5粘结剂 6电极应变计的结构型式很多,但其主要组成部分基本相同。图2.2示出了丝式、箔式和半导体三种典型应变计的结构型式及其组成。(1)敏感栅应变计中实现应变-电阻转换的敏感元件。它通常由直径为0.0150.05mm的金属丝绕成栅状,或用金属箔腐蚀成栅状。图中l表示栅长,b表示栅宽。其电阻值一般在100以上。(2)基底为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置,通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。应变计工作时,基底起着把试件应变准确地传递给敏感栅的作用。为此,基底必须很薄,一般为0.020.04mm。有用专门的
7、薄纸制成的基片称为纸基。有用粘结剂和有机树脂薄膜制成的胶基。 (3)引线它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。通常取直径约0.10.15mm的低阻镀锡铜线,并用钎焊与敏感栅端连接。(4)盖层用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层;起着防潮、防蚀、防损等作用。(5)粘结剂在制造应变计时,用它分别把盖层和敏感栅固结于基底;在使用应变计时,用它把应变计基底再粘贴在试件表面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。2.测量原理用应变片测量时,将其粘贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时,应变片的敏感栅也随同变形,其电阻值发生相应变化,通过转换电路转换为电压或电流的变化,从而实现应变的测量。通过弹
8、性敏感元件,将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变,则可用应变片测量上述各量,做成各种应变式传感器。应变片有如下的优点:.测量应变的灵敏度和精度高,性能稳定、可靠,可测12,误差小于1。.应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布基本上无影响。既可用于静态测量,又可用于动态测量.测量范围大。既可测量弹性变形,也可测量塑性变形。变形范围可从12。.适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。.便于多点测量、远距离测量和遥测。.价格便宜,品种多,工艺较成熟,便于选择和使用,可以测量各种物理量。三.应变片的类型、材
9、料及粘贴 (基本概念掌握、细节参数不要死记)(一)应变片的类型和材料1.金属丝式应变片金属丝式应变片有回线式和短接式二种,如图2.3所示。但回线式最为常用,制作简单,性能稳定,成本低,易粘贴,但其应变横向效应较大。短接式应变片两端用直径比栅线直径大510倍的镀银丝短接。优点是克服了横向效应,但制造工艺复杂。 图2.3 应变片 a、c回线式b、d短接式常用材料:康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。 2.金属箔式应变片它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.0030.01mm的金属箔片制成所需图形的敏感栅,也称为应变花。如图2.4。优点:.可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅,其栅长l可做到
10、0.2mm,以适应不同的测量要求;.与被测件粘贴结面积大; .散热条件好,允许电流大,提高了输出灵敏度; .横向效应小。 .蠕变和机械滞后小,疲劳寿命长。 图2.4 金属箔式应变片缺点:电阻值的分散性比金属丝的大,有的相差几十欧姆,需做阻值调整。在常温下,金属箔式应变片已逐步取代了金属丝式应变片。3.金属薄膜应变片它是薄膜技术发展的产物。采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅,最后再加上保护层。优点:应变灵敏系数大,允许电流密度大,工作范围广,达197317缺点:难于控制电阻与温度和时间的变化关系。(二)应变片的粘贴应变片是用粘结剂粘贴到被
11、测件上的。粘结剂形成的胶层必须迅速地将被测件的应变传递到敏感栅上。粘结剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应变片的工作特性,如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数等。可见选择粘结剂和正确的粘结工艺与应变片的测量精度有着极其重要的关系。1.粘结剂的选择粘结剂的主要功能是要在切向准确传递试件的应变。因此,它应具备: (1)与试件表面有很高的粘结强度,一般抗剪强度应大于9.8106Pa; (2)弹性模量大,蠕变、滞后小,温度和力学性能参数要尽量与试件匹配; (3)抗腐蚀,涂刷性好,固化工艺简单,变形小,使用简便,可长期贮存; (4)电绝缘性能、耐老化与耐温耐湿性能均良好。一般情况下,粘贴与制作应变计的粘结剂是可
12、以通用的。但是,粘贴应变计时受到现场加温、加压条件的限制。通常在室温工作的应变计多采用常温、指压固化条件的粘结剂;非金属基应变计若用在高温工作时,可将其先粘贴在金属基底上,然后再焊接在试件上。2.应变计的粘贴(1)准备:试件在粘贴部位的表面,用砂布在与轴向成45的方向交叉打磨至Ra为6.3m清洗净打磨面划线,确定贴片坐标线均匀涂一薄层粘结剂作底;应变计外表和阻值检查刻划轴向标记清洗。(2)涂胶:在准备好的试件表面和应变计基底上均匀涂一薄层粘结剂。(3)贴片:将涂好胶的应变计与试件,按坐标线对准贴上用手指顺轴向滚压,去除气泡和多余胶液按固化条件固化处理。(4)复查:贴片偏差应在许可范围内;阻值变
13、化应在测量仪器预调平范围内;引线和试件间的绝缘电阻应大于200M。(5)接线:根据工作条件选择好导线,然后通过中介接线片(柱)把应变计引线和导线焊接,并加以固定。(6)防护:在安装好的应变计和引线上涂以中性凡士林油、石蜡(短期防潮);或石蜡松香黄油的混合剂(长期防潮);或环氧树脂、氯丁橡胶、清漆等(防机械划伤)作防护用,以保证应变计工作性能稳定可靠。常用的粘结剂类型:硝化纤维素型、氰基丙稀酸型、聚酯树脂型、环氧树脂类和酚醛树脂类等。粘贴工艺:被测件粘贴表面处理,贴片位置的确定、贴片、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。第二节 电阻应变片的主要特性 (Resistive
14、Strain Gages Characteristics)一.静态特性(Static Characteristics)1.灵敏系数(K) (gage factor)当具有初始电阻值R的应变计粘贴于试件表面时,试件受力引起的表面应变,将传递给应变计的敏感栅,使其产生电阻相对变化R/R 。实验证明,在一定的应变范围内,有下列关系: (2-9)式中 x应变计轴向应变;K=(R/R)/x应变计的灵敏系数。它表示:安装在被测试件上的应变计,在其轴向受到单向应力时引起的电阻相对变化(R/R),与此单向应力引起的试件表面轴向应变(x)之比。必须指出,应变计的灵敏系数K并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数K0
15、,一般情况下,KK0。这是因为,在单向应力产生双向应变的情况下,K除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结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。应变计的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。因此,K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确定即应变计的标定;故K又称标定灵敏系数。上述规定条件是:试件材料取泊松比0=0.285的钢;试件单向受力;应变计轴向与主应力方向一致。2.横向效应及横向效应系数(H) (transverse sensitivity)金属应变计的敏感栅通常都呈栅状。它由轴向纵栅和圆弧横栅两部分组成,如图2.5(a)所示。由于试件承受单向应力时,其表面处
16、于平面应变状态中,即轴向拉伸x和横向收缩y。粘贴在试件表面上的应变计,其纵栅和横栅各自主要分别敏感x和y如图2.5(b),从而引起总的电阻相对变化为:图2.5(a)应变计敏感栅的组成;(b)横向效应 (2-10)式中: Kx纵向灵敏系数,它表示当my0时,单位轴向应变x引起的电阻相对变化;Ky横向灵敏系数,它表示当x0时,单位横向应变y引起的电阻相对变化;双向应变比;双向应变灵敏系数比。式(2-10)为一般情况下应变-电阻转换公式。它表明:(1)在标定条件下,有,则: (2-11)式中: 由式(2-11)可见,在单位应力、双向应变情况下,横向应变总是起着抵消纵向应变的作用。应变计这种既敏感纵向
17、应变,又同时受横向应变影响而使灵敏系数及相对电阻比都减小的现象,称为横向效应。其大小用横向效应系数H(百分数)来表示,即: (2-12) (2)由于横向效应的存在,在非标定条件下(即试件取泊松比0.285的一般材料;主应力与应变计轴向不一致,由此引起的应变场为任意的x和y),倘若仍用标定灵敏系数K的应变计进行测试,将会产生较大误差;其相对误差为: (2-13) 若单向应力与应变计轴向一致,则有a=-,则式(2-13)变成: (2-14)由此可见,要消减横向效应产生的误差,有效的办法是减小横向效应系数H。理论分析和实验表明:对丝绕式应变计,纵栅l0愈长,横栅r愈小,则H愈小。因此,采用短接式或直
18、角式横栅见图2.3(b)、(d),可有效地克服横向效应的影响。箔式应变计(花)见图2.4就是据此设计的。 3.机械滞后(Zj) (mechanical hysteresis) (了解)实用中,由于敏感栅基底和粘结剂材料性能,或使用中的过载,过热,都会使应变计产生残余变形,导致应变计输出的不重合。这种不重合性用机械滞后(Zj)来衡量。它是指粘贴在试件上的应变计,在恒温条件下增(加载)、减(卸载)试件应变的过程中,对应同一机械应变所指示应变量(输出)之差值,见图2.6所示。通常在室温条件下,要求机械滞后Zj310。实测中,可在测试前通过多次重复预加、卸载,来减小机械滞后产生的误差。4.蠕变()和零
19、漂(P0)(creep and drift) (了解)粘贴在试件上的应变计,在恒温恒载条件下,指示应变量随时间单向变化的特性称为蠕变。如图2.7中所示。 图2.6 应变计的机械滞后特性 图2.7 应变计的蠕变和零漂特性当试件初始空载时,应变计示值仍会随时间变化的现象称为零漂。如图2.7中的P0所示。蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性,通常要求315s。引起蠕变的主要原因是,制作应变计时内部产生的内应力和工作中出现的剪应力,使丝栅、基底,尤其是胶层之间产生的“滑移”所致。选用弹性模量较大的粘结剂和基底材料,适当减薄胶层和基底,并使之充分固化,有利于蠕变性能的改善。5.应变极限(lim)
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