传感器技术课件2.1g.ppt

第二章?? 力传感器 ;金属应变片式传感器 金属丝式应变片 金属箔式应变片 测量电路 应变式传感器应用 压阻式传感器 压阻效应 晶向、晶面的表示方法 压阻系数 固态压阻器件 ; 横截面为A的物体(金属丝)受到外力F的作用并处于平衡状态时，物体在单位面积上引起的内力称为应力σ，即:;优点： ①精度高，测量范围广。测力量程从零点几牛顿至几十万牛顿，精度可达到0.05%FS；测压量程从几十Pa至1011Pa，精度可达0.1%FS; ②频率响应特性较好。一般电阻应变计响应时间为10-7s,半导体应变计为10-11s； ③结构简单，尺寸小，重量轻 ④可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作 ⑤易于实现小型化、固态化 ⑥价格低廉，品种多样，便于选择;缺点： ①具有非线性； ②输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施； ③只能测量一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等； ;(一) 金属丝式应变片 1、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，这种现象称为金属的电阻应变效应。 设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，其电阻R为 ; 等式两边取微分，得 ——电阻的相对变化； ——电阻率的相对变化； ——金属丝长度相对变化，用ε表示，称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变； ——截面积的相对变化。;dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr。;物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。 KS由两部分组成： 前一部分是（1+2μ），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6； 后一部分为 ，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。 对金属材料，以前者为主，则KS≈ 1+2μ； 对半导体， KS值主要由电阻率相对变化所决定。 实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常KS在1.8～3.6范围内。; 2 ;（1） 敏感栅 由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。;（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。厚度一般为0.02~0.05mm。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。;（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。;3、应变片的主要特性 （1） 灵敏度系数 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KS表示。当金属丝做成应变片后，其电阻—应变特性，与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻—应变特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系。即 K为金属应变片的灵敏系数。注意，K是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的钢材时测得的。测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS。原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。 ;丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分; 若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴向应变ε作用下，全部纵栅的变形视为ΔL1 半圆弧横栅同时受到ε和εr的作用，在任一微小段长度d l = r dθ上的应变εθ可由材料力学公式求得 每个圆弧形横栅的变形量Δl为 纵栅为n根的应变片共有