《力传感器》PPT课件

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1、第二章  力传感器应变式传感器电感式传感器电容式传感器压电式传感器力传感器指对力学量敏感的一类器件或装置。1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第一节  应变式传感器2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、金属应变片式传感器核心元件：金属应变片作用：将试件上的应变变化转换成电阻变化。缺点：具有非线性，输出信号微弱

2、，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；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；不能用于过高温度场合下的测量。3各种电子秤广泛应用于4高精度电子汽车衡动态电子秤电子天平5机械秤包装机吊秤6(一)金属丝式应变片1、应变效应定义：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。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7dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr。S=πr2dS/S=2·dr/rεr=–με由材料力学知将微分dR、dρ改写成增量ΔR、Δρ，则金属丝电阻

3、的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。8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。9电阻应变片结构示意图2、应变片的结构与材料bl栅长栅宽组成：敏感栅、基底、盖片、引线和粘结剂。10

4、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。3、主要特性（1）灵敏度系数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。即原因：胶层传递变形失真，横向效应。K为金属应变片的灵敏系数11横向效应：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

5、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。（2）横向效应12定义：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。ΔεΔε1机械应变ε卸载加载指示应变εi应变片的机械滞后机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。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

6、形或者粘结剂固化不充分。（3）机械滞后13产生原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。（4）零点漂移和蠕变零点漂移：对于粘贴好的应变片，当温度恒定且不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性。产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。蠕变：在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。这两项指标是衡量应变片特性对时间的稳定性。14应变片在一定温度下和规定范围（一般为10%）内的最大真实应变值。εlim真实应变εz指示应变εi应变片的应变极限

7、±10%主要因素：粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的安装质量；制造与安装应变片时，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料；基底和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获得较高的应变极限。（5）应变极限154、温度误差及其补偿（1）温度误差环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：★应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；★电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。16βe—试件材料线膨胀系数；βg—敏感栅材料线膨胀系数

8、。K——应