传感器原理及其应用第3章.ppt

3.3.4 横向效应 当将图3-5所示的应变片粘贴在被测试件上时，由于其敏感栅是由n条长度为l1的直线段和直线段端部的n-1个半径为r的半圆圆弧或直线组成，若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变εx时， 则各直线段的电阻将增加，但在半圆弧段则受到从+εx到-μεx之间变化的应变，其电阻的变化将小于沿轴向安放的同样长度电阻丝电阻的变化。  综上所述，将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，但由于应变片敏感栅的电阻变化减小，因而其灵敏系数K较整长电阻丝的灵敏系数K0小，这种现象称为应变片的横向效应。  为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片。 3.3.5 绝缘电阻和最大工作电流 应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值Rm。通常要求Rm在50~100 MΩ以上。绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误差。Rm取决于粘结剂及基底材料的种类及固化工艺。在常温使用条件下要采取必要的防潮措施，而在中温或高温条件下，要注意选取电绝缘性能良好的粘结剂和基底材料。 最大工作电流是指已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流Imax。工作电流大，输出信号也大，灵敏度就高。 但工作电流过大会使应变片过热，灵敏系数产生变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。工作电流的选取要根据试件的导热性能及敏感栅形状和尺寸来决定。通常静态测量时取25mA左右。 动态测量时可取75～100mA。箔式应变片散热条件好，电流可取得更大一些。在测量塑料、玻璃、陶瓷等导热性差的材料时，电流可取得小一些。 3.3.6 应变片的动态响应特性 电阻应变片在测量频率较高的动态应变时，应变是以应变波的形式在材料中传播的，它的传播速度与声波相同，对于钢材v≈5000 m/s。应变波由试件材料表面，经粘合层、基片传播到敏感栅，所需的时间是非常短暂的，如应变波在粘合层和基片中的传播速度为1000m/s，粘合层和基片的总厚度为0.05mm, 则所需时间约为5×10-8 s, 因此可以忽略不计。但是由于应变片的敏感栅相对较长，当应变波在纵栅长度方向上传播时，只有在应变波通过敏感栅全部长度后，应变片所反映的波形经过一定时间的延迟，才能达到最大值。图3 -6所示为应变片对阶跃应变的响应特性。 图3-6 应变片对阶跃应变的响应特性 (a) 应变波为阶跃波； (b) 理论响应特性； (c) 实际响应特性 由图可以看出上升时间tk（应变输出从10%上升到90%的最大值所需时间）可表示为 ? 式中： l0——应变片基长；  v——应变波速。  若取l0=20mm， v=5000 m/s，则tk=3.2×10-6 s。 (3-17) 当测量按正弦规律变化的应变波时，由于应变片反映出来的应变波是应变片纵栅长度内所感受应变量的平均值，因此应变片所反映的波幅将低于真实应变波，从而带来一定的测量误差。 显然这种误差将随应变片基长的增加而加大。图3-7表示应变片正处于应变波达到最大幅值时的瞬时情况， 此时 图3-7 应变片对正弦应变波的响应特性 应变片长度为l0，测得基长l0内的平均应变εp达到最大值，其值为 (3-18) 因而应变波幅测量的相对误差e为 由上式可以看出，测量误差e与比值n=λ/l0有关。n值愈大，误差e愈小。一般可取n=10～20, 其误差小于1.6%～0.4%。 3.3.7 应变片的温度误差及补偿 1. 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下述两个方面。  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+α0Δt) (3-20) 式中: Rt——温度为t时的电阻值；  R0——温度为t0时的电阻值；  α0——温度为t0时金属丝的电阻温度系数；  Δt——温度变化值，Δt=t-t0。 当温度变化Δt时，电阻丝电阻的变化值为：  ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt （3-21） 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。 当试件与电阻