力敏传感器及检测课件-金属应变片和半导体应变片.ppt

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1、第3章力敏传感器及检测3.1力学传感器中的弹性元件3.2电阻应变式传感器3.3压阻式压力传感器3.4压电式传感器3.5电容式传感器3.1力学传感器中的弹性元件3.1.1名词概念1.变形物体在外力作用下而改变尺寸或形状的现象。2.弹性变形当外力去掉后能完全恢复原来的尺寸和形状的变形。3.弹性元件具有弹性变形特性的物体。把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移，再由转换元件变换成电量。4、应力截面积为S的物体受到外力F的作用并处于平衡状态时，物体在单位面积上引起的内力称为应力，记作σ(a)正应力；(b)剪切应力应力可分解为垂直于截面的分量

2、，称为“正应力”或“法向应力”；相切于截面的分量称为“剪切应力”.5.应变应变是物体受外力作用时产生的相对变形，它是一个无量纲的物理量。设物体原长度为l，受力后产生Δl的变形。若Δl＞0，则表示物体被拉伸；Δl＜0，则表示物体被压缩。其应变ε定义为:6.虎克定律与弹性模量虎克定律：当应力未超过某一限值时，应力与应变成正比，其数学表达式为σ=Eε3.1.2变换力的弹性元件(a)实心圆柱形;(b)空心圆柱形;(c)等截面圆环形;(d)变截面圆环形;(e)等截面薄板;(f)等截面悬臂梁;(g)等强度悬臂梁;(h)扭转轴1、弹性圆柱（实

3、心、空心）()轴线的夹角。截面—圆柱的横截面积；—A材料的泊松系数；—材料的—E轴线方向上的作用力；—Fsincos22与弹性模量amamae-=AEF2、悬臂梁（等截面）3.1.2变换压力的弹性元件(a)弹簧管(b)波纹管(c)圆形膜片(d)波纹膜片(e)薄壁圆筒圆形膜片电阻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。3.2电阻应变式传感器3.2.1电阻应变片的工作原理电阻应变效应：当金属电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属电阻丝应变效应。在其未受力时，原始电阻值为：

4、设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝。当它受到轴向力时,其l、S、ρ均发生变化，三者的变化均会引起电阻R的变化。三因素各自的增量所引起的电阻变化可由多元函数微分推导而得。：电阻的相对变化；：电阻率相对变化；：金属丝长度相对变化，用ε表示，ε=称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；：截面积的相对变化。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KS称为金属丝的应变灵敏系数。KS由两部分组成：

5、前一部分是（1+2μ），表示由于金属丝受拉伸力作用后,材料的几何尺寸发生变化而引起的，一般金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；后一部分为，表示由于材料发生变形时,其自由电子的活动能力和数量均发生了变化而引起的。对金属材料，以前者为主，则KS≈1+2μ；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1.6～3.6范围内。2341电阻应变片结构示意图bl栅长栅宽1、应变片结构由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4组成3.2.2应变片的结构、类型及特性A、敏感栅由金属细丝绕成栅形。金属丝栅两头焊有引出线，作连

6、接测量导线用．丝栅长度为l，称为栅长，宽度为b，称为栅宽。L＊b称为使用面积。其规格以使用面积表示。电阻应变片的电阻值有60Ω、120Ω、200Ω等，以120Ω最为常用。对敏感栅的材料的要求：①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；③电阻温度系数要小；④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；⑦易于焊接。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。B、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

7、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。C、引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：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。D、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试件表面某个方向和位置上。以便将试件受力后的表面应变传递给应变片的基底和敏感栅。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。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰

8、亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。金属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角,如图所示。弯曲部分作成圆弧（U）形和锐角是最早常用的形式,制作简单但横向效应较大。直角（H）形两端用较粗的镀银铜线焊接,横向效应相对较小