《应变片传感器》PPT课件.ppt

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1、第2章 应变片式传感器内容提要和小结内容提要和小结2.3 2.3 温度误差及补偿温度误差及补偿2.1 2.1 电阻应变片电阻应变片2.2 2.2 电阻应变片的特性电阻应变片的特性2.4 2.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路2.5 2.5 应变式传感器应用举例应变式传感器应用举例1l 电阻式传感器是把电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化被测量转换为电阻变化的一种传感器的一种传感器l 按工作的原理可分为：按工作的原理可分为：电阻应变式、变阻器式、热敏式、光敏式、电电阻应变式、变阻器式、热敏式、光敏式、电电阻应变式、变阻器式、热敏式、光敏式、电电阻应变式、变阻器式、热敏式、光敏式、电敏式

2、敏式敏式敏式.电阻应变式电阻应变式电阻应变式电阻应变式、变阻器式、热敏式、光敏式、电、变阻器式、热敏式、光敏式、电、变阻器式、热敏式、光敏式、电、变阻器式、热敏式、光敏式、电敏式敏式敏式敏式.部分实物部分实物部分实物部分实物2电阻应变仪电阻应变仪下图所示的静态应变仪测量范围：下图所示的静态应变仪测量范围：19999；分辨率：分辨率：1；电桥电压：直流；电桥电压：直流；应变片：应变片：120或其他阻值；或其他阻值；测量点数：测量点数：8/16点；点；32.1 2.1 电阻应变片电阻应变片2.1.1 2.1.1 应变效应应变效应2.1.2 2.1.2 应变片的分类应变片的分类2.1.3 2.1.3

3、 应变片的粘贴技术应变片的粘贴技术42.1.1 2.1.1 应变效应应变效应 导体或半导体材料在外界力的作用下，会导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为这种现象称为应变效应应变效应。主要由主要由电阻应变片电阻应变片及及测量电路测量电路等组成。等组成。l 定义：定义：l 组成：组成：电阻应变片是核心元件，它可将试件上的应力电阻应变片是核心元件，它可将试件上的应力变化转换成电阻变化。变化转换成电阻变化。一、应变效应一、应变效应5金属丝受拉时，金属丝受拉时，金属丝受拉时，金属丝受拉时，l l l l、r r r

4、 r和和和和R R R R将如何变化？将如何变化？将如何变化？将如何变化？提出问题提出问题提出问题提出问题6结论：结论：结论：结论：金属丝受拉时，金属丝受拉时，金属丝受拉时，金属丝受拉时，l l l l变长、变长、变长、变长、r r r r变小，导致变小，导致变小，导致变小，导致R R R R变大变大变大变大 。7二、电阻应变片二、电阻应变片1.1.工作原理工作原理 设有一长度为设有一长度为l l、截面积为、截面积为A A、半径为、半径为r r、电、电阻率为阻率为 的金属丝，它的电阻值的金属丝，它的电阻值R R可表示为：可表示为：当当电电阻阻丝丝受受到到拉拉力力F F作作用用时时,将将伸伸长长

5、dldl,横横截截面面积积相相应应减减小小dAdA,电电阻阻率率将将因因晶晶格格发发生生变变形形等等因因素素而而改改变变d d,故故引引起起电电阻阻值值相相对对变变化化量为：量为：（2-2）（2-1）8l l l ld d d dl l l ld d d dr r r rr r r rF F F F式中式中式中式中：若电阻丝是圆形的，则若电阻丝是圆形的，则若电阻丝是圆形的，则若电阻丝是圆形的，则A A=r r,对对对对r r 微分得微分得微分得微分得d dA A=2=2r r d dr r，则：，则：，则：，则：为圆形电阻丝的截面积相对变化量为圆形电阻丝的截面积相对变化量为圆形电阻丝的截面积相

6、对变化量为圆形电阻丝的截面积相对变化量 （2-3）是长度相对变化量是长度相对变化量是长度相对变化量是长度相对变化量9 由由材材料料力力学学可可知知,在在弹弹性性范范围围内内,金金属属丝丝受受拉拉力力时时,沿沿轴轴向向伸伸长长,沿沿径径向向缩缩短短,那那么么轴轴向向应应变和径向应变的关系可表示为变和径向应变的关系可表示为:电阻丝材料的泊松比电阻丝材料的泊松比电阻丝材料的泊松比电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。负号表示应变方向相反。负号表示应变方向相反。负号表示应变方向相反。令令 称为电阻丝称为电阻丝轴向轴向应变应变 称为电阻丝称为电阻丝径向径向应变应变 （2-4）10由由 及材料力学知识

7、及材料力学知识:：形变效应部分形变效应部分形变效应部分形变效应部分，为电阻丝，为电阻丝，为电阻丝，为电阻丝几何尺寸几何尺寸几何尺寸几何尺寸改变引起改变引起改变引起改变引起：压压压压阻阻阻阻效效效效应应应应部部部部分分分分，为为为为电电电电阻阻阻阻丝丝丝丝的的的的电电电电阻阻阻阻率率率率随随随随应应应应变变变变的的的的改改改改变变变变所所所所引引引引起起起起；对对对对大大大大多多多多数数数数金金金金属属属属电电电电阻阻阻阻丝丝丝丝，其其其其值值值值为为为为常常常常数，可以忽略。数，可以忽略。数，可以忽略。数，可以忽略。式中：式中：（2-5）11一般金属丝一般金属丝K K=1.7-3.6=1.7-

8、3.6 金属电阻应变片上主要为金属电阻应变片上主要为电阻丝几何尺寸电阻丝几何尺寸变化而引起的电阻变化变化而引起的电阻变化。结论：结论：实验证明：实验证明：K K电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度12 强调：强调：n 对半导体材料而言，灵敏度比金属材料对半导体材料而言，灵敏度比金属材料大几十大几十倍倍。n 对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于向应变最好不要大于1 1 1010-3-3，即，即10001000 m/mm/m，否，否则有可能则有可能超过材料的极限强度而导致断裂超过材料的极限强度而导致断裂。即：要求其机械应变小即：要求其机械应

9、变小13应力应力-应变应变关系：关系：应变片测试原理应变片测试原理应应变变-电阻电阻关系：关系：14半导体半导体应变片应变片金属电阻金属电阻应变片应变片金属丝金属丝式应变片式应变片箔式箔式应变片应变片金属薄膜金属薄膜应变片应变片2.1.2 2.1.2 应变片的分类应变片的分类15 金属丝式应变片金属丝式应变片使用最早，但由于金属使用最早，但由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐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，多渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于要求不高的应变、应力的大批量、一次用于要求不高的应变、应力的大批量、一次性试验。性试验。一、金

10、属丝式应变片一、金属丝式应变片16（2 2 2 2）材料：）材料：）材料：）材料：电阻率电阻率电阻率电阻率大而电阻温度系数大而电阻温度系数大而电阻温度系数大而电阻温度系数小的材料。小的材料。小的材料。小的材料。（1 1 1 1）制作：）制作：）制作：）制作：由金属丝绕制而成。由金属丝绕制而成。由金属丝绕制而成。由金属丝绕制而成。（4 4 4 4）阻值范围：）阻值范围：）阻值范围：）阻值范围：一般在一般在一般在一般在505050501 0001 0001 0001 000范围内，常用的为范围内，常用的为范围内，常用的为范围内，常用的为120 120 120 120。（3 3 3 3）表示方式：）

11、表示方式：）表示方式：）表示方式：一般以使用面积（一般以使用面积（一般以使用面积（一般以使用面积（）和敏感栅的电阻值来表示。）和敏感栅的电阻值来表示。）和敏感栅的电阻值来表示。）和敏感栅的电阻值来表示。引线引线引线引线覆盖层覆盖层覆盖层覆盖层基片基片基片基片敏感栅敏感栅敏感栅敏感栅图图图图2-1 2-1 金属丝式应变片金属丝式应变片金属丝式应变片金属丝式应变片17 箔式应变片箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条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，件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，能将温度影响减小到最小的程度，适合于大批量生能将温度影响减小

12、到最小的程度，适合于大批量生产，目前已用于各种应变式传感器的制造中。产，目前已用于各种应变式传感器的制造中。应用较多应用较多图图2-2 箔式应变片箔式应变片二、箔式应变片二、箔式应变片18 金属薄膜应变片金属薄膜应变片主要是采用真空蒸主要是采用真空蒸镀技术，在薄的绝缘基片上蒸镀上金属镀技术，在薄的绝缘基片上蒸镀上金属材料薄膜，最后加保护层形成，它是近材料薄膜，最后加保护层形成，它是近年来薄膜技术发展的产物。年来薄膜技术发展的产物。三、金属薄膜应变片三、金属薄膜应变片19 半导体应变片是用半导体材料作敏感栅而半导体应变片是用半导体材料作敏感栅而制成的。当它受力时，电阻率随应力的变化而制成的。当它

13、受力时，电阻率随应力的变化而变化。它的主要优点是灵敏度高，主要缺点是变化。它的主要优点是灵敏度高，主要缺点是灵敏度的一致性差、温漂大、电阻与应变间非灵敏度的一致性差、温漂大、电阻与应变间非线性严重，使用时需采用温度补偿和非线性补线性严重，使用时需采用温度补偿和非线性补偿措施。偿措施。四、半导体应变片四、半导体应变片20半半导导体体应应变变片片的的工工作作原原理理是是基基于于半半导导体体材材料料的的压压阻阻效效应应而而制制成成的的一一种种纯纯电电阻阻性性元元件件 。当当半半导导体体材材料料某某一一轴轴向向受受外外力力作作用用时时，其其电电阻阻率率会会发发生变化。生变化。当半导体应变片受轴向力作用

14、时，其电阻相对当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为变化为 :（2-6）21式中式中式中式中 为半导体应变片的电阻率的相对变化，为半导体应变片的电阻率的相对变化，为半导体应变片的电阻率的相对变化，为半导体应变片的电阻率的相对变化，其值与半导体敏感条在轴向所受的应力之比为一常其值与半导体敏感条在轴向所受的应力之比为一常其值与半导体敏感条在轴向所受的应力之比为一常其值与半导体敏感条在轴向所受的应力之比为一常数。即数。即数。即数。即:代入（代入（代入（代入（2-72-7）式，得：）式，得：）式，得：）式，得：（2-82-8）式式式式中中中中1+21+2 项项项项随随随随几几几几何何何何形形形

15、形状状状状而而而而变变变变化化化化，L LE E项项项项为为为为压压压压阻效应，随电阻率而变化。阻效应，随电阻率而变化。阻效应，随电阻率而变化。阻效应，随电阻率而变化。（2-7）（2-8）22实实验验证证明明L LE E比比1+21+2大大近近百百倍倍，所所以以1+21+2可可以以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为：忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为：半半导导体体应应变变片片的的突突出出优优点点是是体体积积小小，灵灵敏敏度度高高，频频率率响响应应范范围围宽宽，输输出出幅幅值值大大，可可直直接接与与记记录录仪仪连接。但其温度系数大，应变时非线性较严重。连接。但其温度系数大，应变时非线性较严重。（

16、2-9）23应变片主要性能指标举例应变片主要性能指标举例 上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？是什么？241 1、去污：、去污：采用手持砂轮工采用手持砂轮工具除去构件表面的具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘磨出细纹以增加粘贴力贴力 ，用浸有酒精，用浸有酒精或丙酮的纱布片或或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。脱脂棉球擦洗。2.1.3 2.1.3 电阻应变片的粘贴技术电阻应变片的粘贴技术252 2、贴片：、贴片：在应变片的表在应变片的表面和处理过的粘贴面和处理过的粘贴表面上，各涂一层表面上，

17、各涂一层均匀的粘贴胶均匀的粘贴胶 ，用，用镊子将应变片放上镊子将应变片放上去，并调好位置，去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，用手指揉和滚压，排出下面的气泡排出下面的气泡 。26 3 3、测量、测量 ：从分开的端子从分开的端子处，预先用万用处，预先用万用表测量应变片的表测量应变片的电阻，发现端子电阻，发现端子折断和坏的应变折断和坏的应变片。片。274 4、焊接：、焊接：将引线和端子将引线和端子用烙铁焊接起来，用烙铁焊接起来，注意不要把端子注意不要把端子扯断。扯断。285 5、固定：、固定：焊接后用焊接后用胶布将引线和胶布将引线和被测对象固定被测对象固定在一起，防

18、止在一起，防止损坏引线和应损坏引线和应变片。变片。292.2 2.2 电阻应变片的特性电阻应变片的特性2.2.1 2.2.1 基本特性基本特性2.2.2 2.2.2 灵敏度系数灵敏度系数2.2.3 2.2.3 横向效应横向效应2.2.4 2.2.4 动态特性动态特性30 1.1.应变片的电阻值应变片的电阻值(R(R0 0)应变片不受外力作用情况下应变片不受外力作用情况下,于室温条件于室温条件测定的电阻值测定的电阻值(原始电阻值原始电阻值),),已标准化已标准化.主要主要有有60,120,350,600,100060,120,350,600,1000 等各种规格，其中等各种规格，其中120 12

19、0 为最常使用。为最常使用。2.2.绝缘电阻绝缘电阻 敏感栅与基底之间电阻值敏感栅与基底之间电阻值,一般应大于一般应大于101010 10 。2.2.1 2.2.1 基本特性基本特性31 金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数有线性关系，用灵敏度系数K KS S表示。当金属丝做成应变片后，表示。当金属丝做成应变片后，其电阻其电阻应变特性与应变特性与金属单丝金属单丝情况不同。实验表明，金属情况不同。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变应变片的电阻相对变化与应变在很宽的范围内均为线性在很宽的范围内均为线性关系。即关系

20、。即:K K为金属应变片的灵敏系数。为金属应变片的灵敏系数。测测量量结结果果表表明明，应应变变片片的的灵灵敏敏系系数数K K恒恒小小于于线线材材的的灵灵敏敏系系数数K KS S。原因主要是胶层传递变形失真及横向效应。原因主要是胶层传递变形失真及横向效应。2.2.2 2.2.2 灵敏度系数灵敏度系数32 如如果果将将100100电电阻阻应应变变片片贴贴在在弹弹性性试试件件上上，试试 件件 受受 力力 横横 截截 面面 积积S S=0.510=0.510-4-4m m2 2，弹弹 性性 模模 量量E E=210=2101111N/mN/m2 2,若若有有F F=510=5104 4N N的的拉拉力

21、力引引起起应应变变片片电电阻阻变变化为化为1 1 。试求该应变片的灵敏系数。试求该应变片的灵敏系数。例例2-1由题意得应变片电阻相对变化量由题意得应变片电阻相对变化量:解：解：根据材料力学理论可知：应变根据材料力学理论可知：应变（）故应变故应变:应变片的灵敏数应变片的灵敏数33 将金属丝绕成敏感栅构成应变片后，在轴向单将金属丝绕成敏感栅构成应变片后，在轴向单向应力作用下，由于敏感栅向应力作用下，由于敏感栅“横栅段横栅段”（圆弧或（圆弧或直线）上的应变状态不同于敏感栅直线）上的应变状态不同于敏感栅“直线段直线段”上上的应变，使应变片敏感栅的电阻变化较相同长度的应变，使应变片敏感栅的电阻变化较相同

22、长度直线金属丝在单向应力作用下的电阻变化小，因直线金属丝在单向应力作用下的电阻变化小，因此，灵敏系数有所降低，这种现象称为应变片的此，灵敏系数有所降低，这种现象称为应变片的横向效应横向效应。如图。如图2-3所示。所示。图图2-3 横向效应横向效应 2.2.3 2.2.3 横向效应横向效应34 将应变片粘贴在受单向拉伸应力试件时，其电阻相对变化将应变片粘贴在受单向拉伸应力试件时，其电阻相对变化可表示为可表示为 (2-10)当当 y=0时，可得轴向灵敏系数时，可得轴向灵敏系数 (2-11)当当 x=0时，可得横向灵敏系数时，可得横向灵敏系数 (2-12)横向灵敏系数与轴向灵敏系数的比值称为横向灵敏

23、系数与轴向灵敏系数的比值称为横向效应系数横向效应系数H，H=Ky/Kx由此式（由此式（3-10）可写为）可写为 (2-13)35 应当指出，制造厂商在标定应变片的灵敏系数应当指出，制造厂商在标定应变片的灵敏系数K K时，是按规定的特定应变场（时，是按规定的特定应变场（单向应力场，单向应力场，）下）下进行的，标定出的进行的，标定出的K K值实际上也将横向效应的影响值实际上也将横向效应的影响包括在内，只要应变片在实际使用时，符合特定包括在内，只要应变片在实际使用时，符合特定条件（如平面应力状态，或试件的条件（如平面应力状态，或试件的），则会引），则会引起一定的横向效应误差，需进行修正。起一定的横向

24、效应误差，需进行修正。36 应变测试中，应变片的应变测试中，应变片的指示应变指示应变是敏是敏感栅覆盖面积下的轴向感栅覆盖面积下的轴向平均应变平均应变。静态测试时，应变片能正确反映它所静态测试时，应变片能正确反映它所处受力试件内各点的应变；处受力试件内各点的应变；动态测试时，应变是以应变波的形式动态测试时，应变是以应变波的形式沿应变片的敏感栅的长度方向传播，因沿应变片的敏感栅的长度方向传播，因而应变片反映的平均应变与瞬时应变有而应变片反映的平均应变与瞬时应变有一定差异，产生一定差异，产生动态误差动态误差。2.2.4 2.2.4 动态特性动态特性37一、受力试件内的受力试件内的应变波为阶跃变化应变

25、波为阶跃变化时时(图图2-4(a)，应变片对其响应如图应变片对其响应如图2-4(b)（理论响应）和图（理论响应）和图2-4(c)（实际响应）所示。（实际响应）所示。响应特性用上升时间响应特性用上升时间t r表示表示 t rl/v 图图2-4 应变片对阶跃应变的响应特性应变片对阶跃应变的响应特性 38二、二、受力试件内的受力试件内的应变波为正弦变化应变波为正弦变化时，考虑应变时，考虑应变波峰值处应变片波峰值处应变片(红色，长度红色，长度l0)的响应情况如图的响应情况如图2-5所示。所示。图图2-5 应变片对正弦应变波的响应特性与误差曲线应变片对正弦应变波的响应特性与误差曲线 0 01 1l lx

26、 xt tx x39 100100/l l0 0303010100 02020101020203030图图2-6 应变片对正弦应变波的误差曲线应变片对正弦应变波的误差曲线 40 利用频率利用频率f、波长、波长 和波速和波速v的关系的关系 v/f和和n=/l0，可得到应变波的频率与应变片基长的关系：可得到应变波的频率与应变片基长的关系：fv/nl0 当当n=/l0=1020时，时，=1.6%0.4%-力力-位移位移 -应变片应变片-电阻电阻101第第2章章 内容提要和小结内容提要和小结 1 1掌握金属电阻应变片的结构、原理（电阻掌握金属电阻应变片的结构、原理（电阻-应变效应，应变效应，K=(R/

27、R)/）及特性：及特性：2 2掌握电阻应变式传感器测量线路（直流惠掌握电阻应变式传感器测量线路（直流惠斯通电桥）的结构形式（特别是差动结构）及特点，斯通电桥）的结构形式（特别是差动结构）及特点，一般情况下，电桥输出电压为一般情况下，电桥输出电压为:102第第3章章 内容提要和小结内容提要和小结 3.3.掌握电阻应变式传感器的组成、应用及其掌握电阻应变式传感器的组成、应用及其分析方法；分析方法；弹性敏感元件弹性敏感元件 +电阻应变片电阻应变片 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 弹性敏感元件的应变弹性敏感元件的应变-应力关系：应力关系：=/E；弹性敏感元件的泊松比弹性敏感元件的泊松比：d/d=l/l=。4.掌握压阻效应，了解半导体应变片的结构；掌握压阻效应，了解半导体应变片的结构；了解压阻传感器的应用。了解压阻传感器的应用。103