第2章电阻应变计式传感器.ppt
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1、第2章 电阻应变计式 传感器,电阻应变计的应用,1.2,第2章 电阻应变计式传感器,测量电路,2.4,电阻应变计式传感器,2.5,2.6,电阻应变计的温度效应及其补偿,电阻应变计的基本原理与结构,2.1电阻应变计的基本原理结构和应用,一、导电材料的应变电阻效应 电阻应变式传感器是目前用于测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数最广泛的传感器之一。 电阻应变式传感器是利用应变效应制造的一种测量微小变化量(机械)的理想传感器。 电阻应变片的工作原理是基于应变效应,即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时,其电阻值发生变化, 这种现象称为“应变效应”。,3,4,5,2.1电阻应变计的基本原理结
2、构和应用,(2-2),当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长dl,横截面积相应减小dA,电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了d,从而引起电阻值相对变化量为:,一根长l,截面积为A的金属电阻丝,在其未受力时,原始电阻值为:,(2-1),6,2.1电阻应变计的基本原理结构和应用,dr/r为金属丝半径的相对变化,即径向应变为r,由材料力学知:,r= ,A=r2,dA/A=2dr/r,式中 材料的轴向线应变,用表示,常用单位(1=110-6mm/mm); 圆形电阻丝的截面积相对变化量,设r为电阻丝的半径: 其中 导体材料的泊松比。,7,2.1电阻应变计的基本原理结构和应用,可得: 通常把单位应变能引起
3、的电阻值变化称为电阻丝的应变灵敏系数(简称灵敏系数)。 其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量,其表达式为:,(2-3),(2-4),8,2.1电阻应变计的基本原理结构和应用,灵敏系数K受两个因素影响:材料几何尺寸的变化, 即1+2;材料的电阻率发生的变化, 即(d/)/。大量实验证明,在电阻丝拉伸极限内,电阻的相对变化与应变成正比,即K为常数。 1.金属材料的应变电阻效应 对金属材料来说,电阻丝灵敏度系数表达式中1+2的值要比(d/)/大得多,显然,金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。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。对金属或合金, 一般Km=1
4、.84.8。,9,2.1电阻应变计的基本原理结构和应用,2.半导体材料的压阻效应 压阻效应是指半导体材料,当某一轴向受外力作用时, 其电阻率发生变化的现象。 式中:半导体材料的压阻系数; 半导体材料的所受应变力; E半导体材料的弹性模量;,(2-5),10,2.1电阻应变计的基本原理结构和应用,2.半导体材料的压阻效应 则: 由于E(1+2),因此半导体丝材的灵敏系数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。,(2-6),11,金属-半导体应变片特性小结: 灵敏度 金属电阻丝: Km=1+2 m, m为金属材料的泊松系数, m =0.30.5 半导体材
5、料: Ks=(5080)Km, 可测微小应变(600微应变,长度相对变化量为10-6为1微应变) 线性度 金属电阻丝:非线性误差小,在较大测量范围内应变片灵敏系数基本不变。 半导体材料:非线性误差严重,测量范围小。 动态特性 金属电阻丝:响应速度在低频时较好,但随频率提高,响应速度有可能跟不上而导致失真 半导体材料:因体积小,保证响应速度良好的频率范围较宽。,2.1电阻应变计的基本原理结构和应用,13,利用应变片测量的基本原理: 应力值正比于应变,而应变又正比于电阻值的变化,所以应力正比于电阻值的变化。,2.1电阻应变计的基本原理结构和应用,14,2.1电阻应变计的基本原理结构和应用,2.1电
6、阻应变计的基本原理结构和应用,二、电阻应变计的结构与类型 图 典型应变计的结构及组成 (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,15,2.1电阻应变计的基本原理结构和应用,二、电阻应变计的结构与类型 结构: (1)敏感栅:实现试件表面应变电阻转换的敏感元件。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。 (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。基底必须很薄,一般为0.020.04mm。 (3)引线: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0.10.15
7、mm的低阻镀锡铜线,并用钎焊与敏感栅端连接。,16,二、电阻应变计的结构与类型 (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:制造应变计时,用它分别把盖层和敏感栅固结于基底;使用应变计时,用它把应变计基底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。 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。,2.1电阻应变计的基本原理结构和应用,17,二、电阻应变计的结构与类型 1.金属丝式应变片 主要有丝绕式(回线式)和短接
8、式二种。回线式最为常用,制作简单,性能稳定,成本低,易粘贴,但横向效应较大。 短接式应变计的最大优点是横向效应系数很小 (0.1),但由于它的焊点多,焊点处截面变化剧烈,因而疲劳寿命短。,2.1电阻应变计的基本原理结构和应用,18,2.金属箔式应变片 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。 箔栅的表面积比丝栅的要大,散热性好,允许通过较大的电流,因而可以输出较强的信号,提高测量灵敏度; 敏感栅的横向端部为较宽的栅条,故横向效应较小; 蠕变小、疲劳寿命长; 制造工艺自动化,可成批生产,生产效率高。,2.1电阻应变计的基本原理结构和应用,1
9、9,2.1电阻应变计的基本原理结构和应用,2.金属箔式应变片,3.半导体应变片 由单晶半导体经切型、切条、光刻腐蚀成形,然后粘贴在薄的绝缘基片,最后再加上保护层。 但重复性、温度及时间稳定性差。 灵敏系数大,比丝栅式、箔片式大几十倍,因而输出的信号大; 横向效应系数小; 机械滞后小; 本身的体积小,便于制作小型传感器。,2.1电阻应变计的基本原理结构和应用,21,第2章 电阻应变计式传感器,应变计多为一次性使用,应变计的特性是按规定的条件,从大批量生产中按比例抽样实测而得。 静态特性 灵敏系数K , 应变计的轴向应变 一般KK0,第二节 电阻应变计的主要特性,第2章 电阻应变计式传感器,横向效
10、应及横向效应系数H 由于传感器是多线的,线与线之间连接部分不在测量方向上,引起横向效应 计算公式: H双向灵敏系数比 标定情况下: 可见,横向效应使传感器的灵敏度系数下降,必须使H减小 丝绕式应变计的长度要长、横栅要小。 对横向效应分析结果的应用结果之一是箔式应变计,第2章 电阻应变计式传感器,机械滞后(回差) 原因:基底材料、粘结剂的材料、残余变形 通常要求:,卸载,加载,真实应变,指示应变,0,第2章 电阻应变计式传感器,蠕变 与零漂 零漂和蠕变反映传感器的长期稳定性 应变极限 应变计的线性范围,是衡量应变计测量范围和过载能力的指标,一般 8000,真实应变,指示应变,第2章 电阻应变计式
11、传感器,动态特性 机械应变以声波的形式和速度在材料中传播的。当它依次通过一定厚度的基底、胶层并引起应变计的响应时,会有时间的迟后。响应迟后对动态(高频)应变测量,尤会产生误差。 动态特性就是指其感受随时间变化的应变时之响应特性。,第2章 电阻应变计式传感器,对正弦信号的响应 一频率为f,幅值为0的正弦波,以速度v沿着应变计纵向x方向传播时,在某一瞬时t:应变计中点xt的瞬时应变为 而栅长l范围xt(l/2)内的平均应变为 相对误差为: 上式表明,当频率增加时,误差增大,因此应使:,第2章 电阻应变计式传感器,疲劳寿命 应变计的疲劳寿命是指:在恒定幅值的交变应力作用下,应变计连续工作,直至产生疲
12、劳损坏时的循环次数。 当应变计出现以下三种情形之一者,即可认为是疲劳损坏:(1)敏感栅或引线发生断路;(2)应变计输出幅值变化 10%;(3)应变计输出波形上出现穗状尖峰。,2.3电阻应变计的温度效应及其补偿,一、温度效应及其热输出 1、温度效应设工作温度变化为t,则引起粘贴在试件上的应变计电阻的相对变化为: 式中 t敏感栅材料的电阻温度系数;K应变计的灵敏系数;s、t分别为试件和敏感栅材料的线膨胀系数。,(2-7),29,2.3电阻应变计的温度效应及其补偿,2、热输出 相对的热输出为: 应变计的温度效应及其热输出由两部分组成:前部分为热阻效应所造成;后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。在工
13、作温度变化较大时,这种热输出干扰必须加以补偿。,(2-8),30,虚假 应变,2.3电阻应变计的温度效应及其补偿,二、热输出补偿方法 1、温度自补偿法 精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿 。 (1)单丝自补偿应变计 在研制和选用应变计时,若选择敏感栅的合金材料,其t 、t能与试件材料的s相匹配,即满足 ,达到温度自补偿的目的。,(2-9),31,2.3电阻应变计的温度效应及其补偿,1、温度自补偿法 (2)双丝自补偿应变计 敏感栅由电阻温度系数 一正一负的两种合金丝串接 而成。当工作温度变化时, 若Ra栅产生正的热输出a 与Rb栅产生负的热输出b 相等或相近,就可达到 自补偿的目的,即
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