第3章_电阻应变式传感器.doc

第3章　?电阻应变式传感器 3.1?电阻应变片的工作原理 应变：在力的作用下，物体的尺寸发生相对变化。 电阻的应变效应：金属或半导体材料的电阻值随着其所受机械变形的大小而改变的现象。 金属丝的电阻值： 全微分式： （因为A=πr2，所以 dA=2πr dr） 定义： 泊松系数（横向变形系数）：μ＝－Δr╱r　╱Δl╱l　＝－εr╱ε ε＝Δl╱l为轴向应变，εr＝Δr╱r为横向应变。（常用单位：微应变10-6 mm / mm） 整理得： 对于金属材料K0为常数。 K0为金属材料的应变灵敏系数。 物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。 3.2 电阻应变片的结构、类型及参数 3.2.1 结构 基底：固定与绝缘（厚度为0.03mm） 电阻丝：敏感栅（栅长l、栅宽a） 引出线：电路连接（直径为0.1－0.3mm） 覆盖层：保护、绝缘 3.2.2分类 丝式应变片（栅丝直径为0.01－0.05mm） 回线式：简单可靠、横向效应大。 短接式：横向效应小，制造复杂，可靠性差。 箔式应变片（厚度为0.003－0.01mm） 薄膜式应变片（厚度为0.001－1μm） 半导体式应变片（敏感栅由半导体材料做成。主要是dρ/ρ很大，因而灵敏度很高，但温度特性较差）。 3.2.3 金属应变片的参数 几何尺寸：基长为0.2－300mm 应变片的电阻值（R0）：未安装时、室温条件下栅的电阻。通常60－1000Ω。 灵敏系数（K0）：单位应变引起的电阻相对变化。 绝缘电阻：基底决定。＞1010Ω 最大工作电流。 横向效应：在敏感栅的横向段，由于试件的横向变形，使得产生的ΔRy与ΔRx相反，从而使应变片灵敏度降低的现象。 机械滞后：在应变变化的正程与逆程之间，电阻变化的不重合性。 蠕变与零点漂移 蠕变：定温，定拉力，长时间作用，输出电阻随时间变化的现象。 零点漂移：定温，无力，长时间作用，输出电阻随时间变化的现象。 3.2.4 应变片的粘贴技术（略） 3.3 应变片的动态响应特性 3.3.1 应变波的传播过程 应变波在试件材料中的传播 应变波在几种材料中的传播速度 应变波在粘接层和应变片基片中的传播 传播时间忽略不计 应变波在应变片栅长度内的传播 应变片测得的应变是被测构件在基长内的平均应变值。 3.3.2 应变片的极限工作频率估算 应变波为正弦波 应变片对正弦波的响应 不同基长应变片的最高工作频率 应变波为阶跃波 应变片对阶跃波的响应 应变波通过应变片全长所需时间为L/v。所以上升时间为： 0.35来自于幅频特性，以保证测量精度。1/tr为固有频率。 3.4　测量电路 3.4.1 直流电桥 电压源单臂电桥 用直流电压源对电桥供电。 电路：电桥的一个臂上为应变片，其他3个为固定电阻。 平衡条件 输出电压： 电桥平衡时：Uo ＝0，则R1R4=R2R3。 有应变时，设R1变化为R1 +ΔR1，则有： 由平衡条件： 电桥的电压灵敏度（输出电压与应变片电阻值相对变化之比） Kv与电桥的供电电压UE成正比。 Kv的最大值处于n＝1，此时： 非线性误差 由5－24 即： 半桥差动电桥与全桥差动电桥 半桥差动电桥 电路：电桥的相邻两个臂上分别为应变方向相反的应变片，另外两个臂上为固定电阻。 输出电压： 电桥的电压灵敏度 Kv ＝ UE/2 是单臂电桥电压灵敏度的二倍。 非线性误差 无非线性误差。有温度补偿作用。 全桥差动电桥： 电路：电桥的四个臂上全部为应变片，相邻两个臂上应变方向相反。 输出电压： 电桥的电压灵敏度 Kv ＝ UE 是单臂电桥电压灵敏度的四倍。 非线性误差 无非线性误差。 3.4.2 交流电桥 电桥由正弦交流电源供电，桥臂不是纯电阻。 等效电路 结论与直流电桥情况相似。 3.5 电阻应变式传感器的温度误差及其补偿 3.5.1 温度误差及其产生的原因 1．温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变 2．试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变 3.5.2 温度补偿方法 1．桥路补偿法 结构：补偿应变片粘贴于补偿块上（与试件相同的材料），补偿块不受应力。 电路：测量片与补偿片构成半桥（全桥）差动电路。 原理：温度变化引起的应变片电阻变化为相同方向，通过电桥消除影响。 2．应变片自补偿法 方法一 结构：特殊材料构成应变片。 原理：使温度与线膨胀产生的附加应变相互抵消或减小。 条件： 缺点：局限性大。一种应变片只能用于一种试件材料。 方法二 结构：用两种不同材料构成应变片。 原理：两种不同材料的温度系数不同，选择适当的材料，使电阻变化减小或消除。 条件： 3.6 应变式传感器的结构设计及应用 应变式传感器的结构 3.6.1 应变式