传感器第2章 力传感器 2.1.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 压阻器件;优点： ①精度高，测量范围广 ②频率响应特性较好 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;(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 两边取对数，得 等式两边取微分，得 ;dr/r为金属丝半径的相对变化，即径???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（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 ：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。;电阻应变片结构示意图;（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。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。;3、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。 ;（2） 横向效应及横向效应因数 金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变ε使敏感栅电阻发生变化，其横向应变εr也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化(除了ε起作用外)，应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。; 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n-1个半圆弧横栅，全部横栅的变形量为 ;应变片敏感栅的总变形为 敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则电阻相对变化为 令 则 可见，敏感栅电阻的相对变化分别是ε和εr作用的结果。;当εr=0时，可得轴向灵敏度系数 同样，当ε=0时，可得横向灵敏度系数 横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应因数H。即 可见，r愈小，l愈大，则H愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。;（3） 机械滞后 应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。 产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。;（4） 零点漂移和蠕变 对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特