《应变片1工作原理》PPT课件

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1、第3章应变式传感器3.1工作原理3.2应变片的种类、材料及粘贴3.3电阻应变片的特点3.4电阻应变片的测量电路3.5应变片传感器的应用3.1工作原理应变效应：导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化。一根金属电阻丝，未受力时，原始电阻值为图3-1金属电阻丝应变效应当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了dρ，从而引起电阻值相对变化量为dl/l——长度相对变化量，称为应变μ为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。dl/l

2、=ε为金属电阻丝的轴向应变，轴向应变和径向应变的关系为单位应变所引起的电阻相对变化量称为电阻丝的灵敏系数。K受两个因素影响：一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ；另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（dρ/ρ）/ε。对金属材料，1+2μ的值要比(dρ/ρ)/ε大得多，而半导体材料的(dρ/ρ)/ε项的值比1+2μ大得多。在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应：当半导体材料受到某一轴向外力

3、作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。当半导体应变片受轴向力作用时，π——半导体材料的压阻系数；σ——半导体材料所受应变力;E——半导体材料的弹性模量;ε——半导体材料的应变。对于半导体应变片，πE比1+2μ大上百倍，1+2μ可以忽略。半导体应变片的K比金属丝式高50～80倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的应用范围受到一定的限制。应力与应变的关系：σ=E·ε3.2应变片的种类、材料及粘贴3.2.1金属电阻应变片的种类敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的

4、覆盖层，两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅的形式：丝式和箔式，丝式敏感栅的直径0.01～0.05mm，平行排列而成。箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的很薄的金属箔栅，其厚度为0.003~0.01mm，可制成各种形状的敏感栅（即应变花）。箔式应变片的优点：表面积和截面积之比大，散热性能好，允许通过的电流较大，可制成各种形状，便于批量生产。覆盖层与基片将敏感栅紧密地粘贴在中间，对敏感栅起几何形状的固定和绝缘、保护作用。基片将被测体的应变准确地传递到敏感栅上，基片很薄，0.03～0.06mm,基片与被测体及

5、敏感栅能牢固地粘合在一起。基片要求有良好的性能：绝缘性能抗潮性能耐热性能。基片和覆盖层的材料：胶膜纸玻璃纤维布等。3.2.2金属电阻应变片的材料对电阻丝材料的要求：①灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数；②ρ值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；③电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；④与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小；⑤机械强度高，具有优良的机械加工性能。表3-1常用金属电阻丝材料的性能康铜（镍Ni：45％；铜Cu：55％）是目前应用最广泛的应变丝材料。镍：近

6、似银白色、硬而有延展性并具有铁磁性的金属元素,它能够高度磨光和抗腐蚀。康铜的特性：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数，进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；康铜的电阻温度系数较小且稳定，采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在±50×10—6/℃的范围内；康铜的加工性能好，易于焊接，国内外多以康铜作为应变丝材料。3.2.3金属电阻应变片的粘贴应变片用粘结剂粘贴到被测件上。粘结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测件的应变传递到敏感栅上。选择粘结剂时必须考虑应变片材料和被测件材料性能，粘接力强，机械

7、性能可靠，粘合层要有足够大的剪切弹性模量，良好的电绝缘性，蠕变和滞后小，耐湿，耐油，耐老化。蠕变：在温度一定时，应变片承受一恒定的机械应变时，指示应变随时间变化。还要考虑应变片的工作条件，如温度、相对湿度、稳定性要求以及贴片固化时加热加压的可能性等。粘结剂类型：硝化纤维素型氰基丙稀酸型聚酯树脂型环氧树脂型酚醛树脂型等。3.3电阻应变片的特性3.3.1弹性敏感元件及其基本特性物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象称为变形，而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体

8、称为弹性元件。弹性元件首先把力、力矩或压力变换成应变或位移，然后传递给粘贴在弹性元件上的应变片，通过应变片将力、力矩或压力转换成相应的电阻值。弹性元件的基本特性：1.刚度刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，其定义是弹性元件单位变形时所需要的力。F——外力，牛顿（N）；x—变形，毫米（mm）。刚度可以从弹性特性曲线上求得。图3-4弹性特性曲线2.灵敏度S是单位力作用下弹性元件产生