第2章应变式传感器.ppt

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1、第2章应变式传感器教学内容本章阐述应变式传感器的工作原理；应变片的种类；应变片的特性；应变片的温度误差及补偿；应变片的测量电路；应变式传感器的应用。教学重点1.应变片的工作原理及基本特性；2.应变片的温度误差形成及补偿；3.应变式传感器测量电路的结构形式及特点；4.了解应变式传感器的基本应用。应用:测量应变及其他物理量，如测量力、压力、位移、力矩、重量和加速度等物理量。电阻应变式传感器特点:结构简单、体积小、测量范围广、频率响应特性好、适合动态和静态测量、使用寿命长、性能稳定可靠等特点，是目前应用最广泛的传感器之一。原理：应变式

2、传感器是以应变片(简称应变片)为转换元件的传感器。应变变化------电阻变化应变片类型(根据材料不同)金属应变片应变效应半导体应变片压阻效应§2.1金属电阻应变式传感器●金属应变式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。●应用时将应变片用粘结剂牢固地粘贴在被测试件表面上，当试件受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，引起应变片电阻值变化，通过测量电路将其转换为电压或电流信号输出。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

3、及核辐射和化学腐蚀等恶劣环境条件下正常工作；5.易于实现小型化、固态化；价格低廉、品种多样，便于选择。●应变式传感器已成为目前非电量电测技术中非常重要的检测手段，广泛地应用于工程测量和科学实验中，主要是由于它具有以下几个特点：dFFLL+△Ld-△dll+dl2r2(r-dr)F2.1.1金属丝式应变效应和工作原理变化上式，得等式两边微分，则得设有一根长度为、截面积为S、电阻率为　　的金属丝，其电阻R为为电阻率的相对变化称为金属丝长度方向的应变或轴向应变为截面积的相对变化上式三项分别为:为金属丝半径的相对变化，金属材料电阻率相对

4、变化与其体积相对变化之间有下关系：由有即面积的相对变化变为半径的相对变化μ为电阻丝材料的泊松比由此得K为金属材料的应变灵敏度系数电阻率变为几何参数再联系应变和固有参数电阻率变化形变电阻的变化由两部分组成:一是应变片受力后材料由形变引起的变化，即1+2μ二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（∆ρ/ρ）/ε。对金属材料：1+2μ＞＞(∆ρ/ρ)/ε对半导体材料：(∆ρ/ρ)/ε＞＞1+2μ大量实验证明，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。2.1.2应变片的基本结构一、金属电阻应变片引线--连接测量导线

5、之用盖层基底与面胶—中间介质和绝缘作用电阻丝(敏感栅)—转换元件下图为电阻应变片的典型结构图。它由敏感栅、基底、盖片、引线和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。基片覆盖层金属丝引线二、应变片的结构与材料1.敏感栅它是应变片最重要的组成部分，由某种金属细丝绕成栅形。一般用于制造应变片的金属细丝直径为0.015～0.05mm。电阻应变片的电阻值为60、120、200等各种规格，以120最为常用。敏感栅在纵轴方向的长度称为栅长。在与应变片轴线垂直的方向上，敏感栅外

6、侧之间的距离称为栅宽。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小实际上是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。栅长有10、20mm等规格，分别适应于不同的用途。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。最早的基底和盖片多用专门的薄纸制成。基底厚度一般为0.02～0.04mm，基底的全长称为基底长,其宽度称为基底宽。3.粘结剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时,也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个

7、方向和位置上，以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸盐、硼酸盐等。4.引线它是从应变片的敏感栅中引出的金属线。常用直径约0.8～0.15mm的镀锡铜线，或扁带形的其它金属材料制成。对引线材料的性能要求为电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。金属箔式应变片箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感原件不

8、是金属丝栅，而是通过光刻技术、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片。金属箔的厚度一般为0.003～0.010mm，它的基片和盖片多为胶质膜，基片厚度一般为0.03～0.05mm。●箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，因而可以输出较大信号，提高