傳感器技術(shù)第章 應(yīng)變式傳感器

《傳感器技術(shù)第章 應(yīng)變式傳感器》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《傳感器技術(shù)第章 應(yīng)變式傳感器（181頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、第2章 應(yīng)變式傳感器2.1 電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)2.2 應(yīng)變計(jì)的主要特性應(yīng)變計(jì)的主要特性2.3 應(yīng)變計(jì)的粘貼應(yīng)變計(jì)的粘貼2.4 電橋原理及電阻應(yīng)變計(jì)橋路電橋原理及電阻應(yīng)變計(jì)橋路2.5 溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差及其補(bǔ)償2.6 電阻應(yīng)變儀電阻應(yīng)變儀 2.7 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 2.8 幾種新型的微應(yīng)變式傳感器幾種新型的微應(yīng)變式傳感器 第第2章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器第2章 應(yīng)變式傳感器2.1 電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng) 應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變效應(yīng)做成的傳感器,是常用的傳感器之一。應(yīng)變式傳感器的核心元件是電阻應(yīng)變計(jì),本章將先以較大篇幅對(duì)其加以介紹,然后再介紹應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變計(jì),

2、也稱應(yīng)變計(jì)或應(yīng)變片,是一種能將機(jī)械構(gòu)件上的應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感元件。圖2.1為其構(gòu)造簡圖。排列成網(wǎng)狀的高阻金屬絲、柵狀金屬箔或半導(dǎo)體片構(gòu)成的敏感柵1,用粘合劑貼在絕緣的基片2上。敏感柵上貼有蓋片（即保護(hù)片）3。第2章 應(yīng)變式傳感器 電阻絲較細(xì),一般在0.0150.06 mm,其兩端焊有較粗的低阻鍍錫銅絲（0.10.2mm）4作為引線,以便與測量電路連接。圖2.1中,l稱為應(yīng)變計(jì)的標(biāo)距,也稱（基）柵長,a稱為（基）柵寬,la稱為應(yīng)變計(jì)的使用面積。第2章 應(yīng)變式傳感器圖 2.1 電阻應(yīng)變計(jì)構(gòu)造簡圖4312al第2章 應(yīng)變式傳感器 2.1.1 電阻應(yīng)變效應(yīng)長為l、截面積為A、電阻率為的金屬

3、或半導(dǎo)體絲,電阻 若導(dǎo)電絲在軸向受到應(yīng)力的作用,其長度變化l,截面積變化A,電阻率變化,而引起電阻變化R,則設(shè)電阻絲為圓形截面,直徑為d,因lRARlARlA24dA第2章 應(yīng)變式傳感器 則ddAA2/d dl l 有0(12)RllkRll式中0/12/R Rp pkl ll l 第2章 應(yīng)變式傳感器 為單根導(dǎo)電絲的靈敏系數(shù),表示當(dāng)發(fā)生應(yīng)變時(shí),其電阻變化率與其應(yīng)變的比值。k0的大小由兩個(gè)因素引起,一項(xiàng)是由于導(dǎo)電絲的幾何尺寸的改變所引起,由（1+2）項(xiàng)表示,另一項(xiàng)是導(dǎo)電絲受力后,材料的電阻率發(fā)生變化而引起,由(/)/(l/l)項(xiàng)表示。引用Tpp式中,應(yīng)力 其中,表示壓阻系數(shù),=l/l為應(yīng)變。則

4、有l(wèi)lEET第2章 應(yīng)變式傳感器 對(duì)金屬來說,E很小,可忽略不計(jì),=0.250.5,故k0=1+21.52。對(duì)半導(dǎo)體而言,E比1+2大得多,壓阻系數(shù)=(40-50)10-11m2/N,楊氏模量E=1.671011Pa,則E50100,故（1+2）可以忽略不計(jì)?？梢?半導(dǎo)體靈敏度要比金屬大50100倍。0/12R RkE 第2章 應(yīng)變式傳感器2.1.2 應(yīng)變計(jì)的分類 應(yīng)變計(jì)有很多品種系列:從尺寸上講,長的有幾百mm,短的僅0.2 mm;由結(jié)構(gòu)形式上看,有單片、雙片、應(yīng)變花和各種特殊形狀的圖案;就使用環(huán)境上說,有高溫、低溫、水、核輻射、高壓、磁場等;而安裝形式,有粘貼、非粘貼、焊接、火焰噴涂等。主

5、要的分類方法是根據(jù)敏感元件材料的不同,將應(yīng)變計(jì)分為金屬式和半導(dǎo)體式兩大類。從敏感元件的形態(tài)又可進(jìn)一步分類如下:第2章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變計(jì)金屬屬性半導(dǎo)體式體形薄膜型絲式箔式紙基膠基體型薄模型擴(kuò)散型外延型Pn結(jié)及其它形式第2章 應(yīng)變式傳感器 半導(dǎo)體式體型薄膜型、擴(kuò)散型、外延型、PN結(jié)及其他形式 金屬電阻應(yīng)變計(jì)常見的形式有絲式、箔式、薄膜式等。絲式應(yīng)變計(jì)是最早應(yīng)用的品種。金屬絲彎曲部分可作成圓弧、銳角或直角,如圖2.2所示。彎曲部分作成圓?。║）形是最早常用的一種形式,制作簡單但橫向效應(yīng)較大。直角（H）形兩端用較粗的鍍銀銅線焊接,橫向效應(yīng)相對(duì)較小,但制作工藝復(fù)雜,將逐漸被橫向效應(yīng)小、其他方面性能更優(yōu)

6、越的箔式應(yīng)變計(jì)所代替。第2章 應(yīng)變式傳感器(a)(b)(c)圖 2.2第2章 應(yīng)變式傳感器 箔式應(yīng)變計(jì)的線柵是通過光刻、腐蝕等工藝制成很薄的金屬薄柵（厚度一般在0.0030.01mm）。與絲式應(yīng)變計(jì)相比有如下優(yōu)點(diǎn):(1)工藝上能保證線柵的尺寸正確、線條均勻,大批量生產(chǎn)時(shí),阻值離散程度小。(2)可根據(jù)需要制成任意形狀的箔式應(yīng)變計(jì)和微型小基長（如基長為0.1 mm）的應(yīng)變計(jì)。第2章 應(yīng)變式傳感器 (3)敏感柵截面積為矩形,表面積大,散熱好,在相同截面情況下能通過較大電流。(4)厚度薄,因此具有較好的可撓性,它的扁平狀箔柵有利于形變的傳遞。(5)蠕變小,疲勞壽命高。(6)橫向效應(yīng)小。(7)便于批量生

7、產(chǎn),生產(chǎn)效率高。圖2.3畫出了幾種箔式應(yīng)變計(jì)。第2章 應(yīng)變式傳感器圖2.3 幾種箔式應(yīng)變計(jì)(a)(b)(c)(d)(e)(f)第2章 應(yīng)變式傳感器 薄膜式應(yīng)變計(jì)是采用真空濺射或真空沉積技術(shù),在薄的絕緣基片上蒸鍍金屬電阻薄膜（厚度在零點(diǎn)幾納米到幾百納米）,再加上保護(hù)層制成。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高,允許通過的電流密度大,工作溫度范圍廣,可工作于-197317C,也可用于核輻射等特殊情況下。第2章 應(yīng)變式傳感器 制作應(yīng)變計(jì)敏感元件的金屬材料應(yīng)有如下要求:(1)k0大,并在盡可能大的范圍內(nèi)保持常數(shù)。(2)電阻率大。這樣,在一定電阻值要求下,同樣線徑,所需電阻絲長度短。(3)電阻溫度系數(shù)小。高溫使用時(shí),還要求

8、耐高溫氧化性能好。(4)具有良好的加工焊接性能。第2章 應(yīng)變式傳感器 常用的敏感元件材料是康銅（銅鎳合金）、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金等。常溫下使用的應(yīng)變計(jì)多由康銅制成。半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)應(yīng)用較普遍的有體型、薄膜型、擴(kuò)散型、外延型等。體型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)是將晶片按一定取向切片、研磨、再切割成細(xì)條,粘貼于基片上制作而成。幾種體型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)示意圖如圖2.4所示。第2章 應(yīng)變式傳感器圖2.4 體型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)示意圖基片晶片帶狀引線P-SiN-Si第2章 應(yīng)變式傳感器 薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積于絕緣體或藍(lán)寶石基片上制成的。擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)是將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到高阻的N型硅基片上

9、,形成一層極薄的敏感層制成的。外延型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)是在多晶硅或藍(lán)寶石基片上外延一層單晶硅制成的。半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)有如下優(yōu)點(diǎn):第2章 應(yīng)變式傳感器 (1)靈敏度高。比金屬應(yīng)變計(jì)的靈敏度約大50100倍。工作時(shí),可不必用放大器就可用電壓表或示波器等簡單儀器記錄測量結(jié)果。(2)體積小,耗電省。(3)由于具有正、負(fù)兩種符號(hào)的應(yīng)力效應(yīng)（即在拉伸時(shí)P型硅應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)為正值;而N型硅應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)為負(fù)值。(4)機(jī)械滯后小,可測量靜態(tài)應(yīng)變、低頻應(yīng)變等。第2章 應(yīng)變式傳感器 2.1.3 應(yīng)變計(jì)型號(hào)命名規(guī)則應(yīng)變計(jì)型號(hào)命名規(guī)則 應(yīng)變計(jì)類別:B 箔式 T 特殊用途 基底材料類別:F 酚醛類 H環(huán)氧類 A聚酰亞胺

10、B玻璃纖維浸膠 標(biāo)稱電阻（）:120 175 350 500 700 1000 1500 應(yīng)變計(jì)柵長（mm）:3等第2章 應(yīng)變式傳感器 敏感柵結(jié)構(gòu)形狀:AA單軸片 HA45雙聯(lián)片 GB半橋片 FG全橋片 KA圓片 材料線膨脹系數(shù):銅Cu11 鋁Al23 不銹鋼16 第2章 應(yīng)變式傳感器可自補(bǔ)償蠕變標(biāo)號(hào):T5 T3 T1 T8 T6 T4 T2 T0 N2 N4 N6 N8 N0 N1 N3 N5 N7 N9 蠕變由負(fù)到正。舉例:B F 350-3 AA 23 T0（箔式,酚醛類基底材料,標(biāo)稱電阻350,應(yīng)變計(jì)柵長 3 mm,單軸片,材料線膨脹系數(shù)鋁Al23,可自補(bǔ)償蠕變標(biāo)號(hào)T0。）第2章 應(yīng)變

11、式傳感器2.2 應(yīng)變計(jì)的主要特性應(yīng)變計(jì)的主要特性應(yīng)變計(jì)是一種重要的敏感元件。首先,它在實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析中是測量應(yīng)變和應(yīng)力的主要傳感元件;其次,某些其他類型的傳感器,如膜片式壓力傳感器、加速度計(jì)、線位移傳感器等,也經(jīng)常使用應(yīng)變計(jì)作為機(jī)電轉(zhuǎn)換元件或敏感元件,廣泛地應(yīng)用于工程測量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。第2章 應(yīng)變式傳感器 應(yīng)變計(jì)之所以成為重要的敏感元件,主要由于具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)測量應(yīng)變的靈敏度和精確度高。能測12微應(yīng)變（110-6 mm/mm）的應(yīng)變。誤差一般可小于1%。精度可達(dá) 0.015%FS（普通精度可達(dá) 0.05%FS）。(2)測量范圍大。從彈性變形一直可測至塑性變形。變形范圍從1%20%。第2章

12、應(yīng)變式傳感器 (3)尺寸小（超小型應(yīng)變計(jì)的敏感柵尺寸為 0.2mm2.5 mm）,重量輕,對(duì)試件工作狀態(tài)和應(yīng)力分布影響很小。既可用于靜態(tài)測量,又可用于動(dòng)態(tài)測量,且具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（可測幾十甚至上百赫的動(dòng)態(tài)過程）。(4)能適應(yīng)各種環(huán)境。可以在高溫、超低壓、高壓、水下、強(qiáng)磁場以及輻射等惡劣環(huán)境下使用。第2章 應(yīng)變式傳感器 (5)價(jià)格低廉、品種多樣,便于選擇和大量使用。應(yīng)變計(jì)有如下缺點(diǎn):在大應(yīng)變下具有較大的非線性,半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的非線性更為明顯;輸出信號(hào)較微弱,故抗干擾能力較差。應(yīng)變式傳感器的性能在很大程度上取決于應(yīng)變計(jì)的性能。下面就來討論應(yīng)變計(jì)的主要特性。第2章 應(yīng)變式傳感器2.2.1 應(yīng)變計(jì)的靈

13、敏度系數(shù)金屬電阻絲的電阻相對(duì)變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系,2.1.1節(jié)中已用靈敏度系數(shù)k0表示這種關(guān)系。金屬絲做成應(yīng)變計(jì)后,由于基片、粘合劑以及敏感柵的橫向效應(yīng),電阻應(yīng)變特性與單根金屬絲將有所不同,必須重新用實(shí)驗(yàn)來測定。實(shí)驗(yàn)是按規(guī)定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。電阻應(yīng)變計(jì)貼在一維力作用下的試件上,例如受軸向拉壓的直桿、純彎梁等。第2章 應(yīng)變式傳感器 試件材料用泊松系數(shù) =0.285的鋼。用精密電阻電橋或其他儀器測出應(yīng)變計(jì)相對(duì)電阻變化,再用其他測應(yīng)變的儀器測定試件的應(yīng)變,得出電阻應(yīng)變計(jì)的電阻應(yīng)變特性。實(shí)驗(yàn)證明,電阻應(yīng)變計(jì)的電阻相對(duì)變化R/R與應(yīng)變l/l=之間在很大范圍內(nèi)是線性的,即KRRRRK/第2

14、章 應(yīng)變式傳感器 式中,k為電阻應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)。因一般應(yīng)變計(jì)粘貼到試件上后不能取下再用,只能在每批產(chǎn)品中提取一定百分比（如 5%）的產(chǎn)品進(jìn)行測定,取其平均值作為這一批產(chǎn)品的靈敏度系數(shù)。這就是產(chǎn)品包裝盒上注明的靈敏度系數(shù),或稱“標(biāo)稱靈敏度系數(shù)”。第2章 應(yīng)變式傳感器2.2.2 橫向效應(yīng) 實(shí)驗(yàn)表明,應(yīng)變計(jì)的靈敏度k恒小于金屬線材的靈敏度系數(shù)k0。其原因除了粘合劑、基片傳遞變形失真外,主要是由于存在橫向效應(yīng)。敏感柵由許多直線及圓角組成,如圖2.5所示。拉伸被測試件時(shí),粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì),被沿應(yīng)變計(jì)長度方向拉伸,產(chǎn)生縱向拉伸應(yīng)變x,應(yīng)變計(jì)直線段電阻將增加。但是在圓弧段上,沿各微段（圓弧的切向）的

15、應(yīng)變并不是x,與直線段上同樣長的微段所產(chǎn)生的電阻變化不同。第2章 應(yīng)變式傳感器lxy 圖 2.5第2章 應(yīng)變式傳感器 最明顯的是在=/2 垂直方向的微段,按泊松比關(guān)系產(chǎn)生壓應(yīng)變-y。該微段電阻不僅不增加,反而減少。在圓弧的其他各微段上,感受的應(yīng)變是由+x變化到-y的。這樣,圓弧段的電阻變化,顯然將小于同樣長度沿x方向的直線段的電阻變化。第2章 應(yīng)變式傳感器 因此,將同樣長的金屬線材做成敏感柵后,對(duì)同樣應(yīng)變,應(yīng)變計(jì)敏感柵的電阻變化較小,靈敏度有所降低。這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變計(jì)的橫向效應(yīng)。下面計(jì)算橫向效應(yīng)引起的誤差。由彈性力學(xué)知,對(duì)平面問題,如果已知任一點(diǎn)P處三個(gè)應(yīng)變分量x,y,xy,則任何斜向微小線段

16、的正應(yīng)變 式中,l、m 為斜向小線段的方向余弦。如圖 2.6 所示,22Nxyxylmlm第2章 應(yīng)變式傳感器圖 2.6 斜向小線段的方向余弦dxyyrdl rdxO第2章 應(yīng)變式傳感器則 采用半角公式22cos,cos()sin2cossinsincosNxyxylm221cos21cos2cos,sin,2sincossin222則xyyxyxN2sin212cos22第2章 應(yīng)變式傳感器 當(dāng)電阻絲受到x,y,xy作用時(shí),半圓部分的伸長為0001cos2sin222222rsNNxyxyxyxyxysldlrdrdrl 式中,ls為半圓弧長,r為圓半徑。設(shè)應(yīng)變計(jì)一個(gè)直線段的伸長為 l1=x

17、l1 (l1為直線段長度)若有n 個(gè)直線段,而半圓弧共有(n-1)個(gè),那么全長為 L=n l1+(n-1)ls第2章 應(yīng)變式傳感器 整個(gè)應(yīng)變計(jì)電阻絲受x,y,xy作用后的總伸長為 因電阻的變化與電阻絲之伸長有如下關(guān)系11(1)(1)2xysxsLn lnln lnl LLkRR0 則得2)1(010yxsxLlnkLlnkRR1002(1)2(1)22ssXynlnlnlkkLL第2章 應(yīng)變式傳感器 設(shè)1002(1)(1),22ssxynlnlnlkk kkLL 可寫成對(duì)其他型式應(yīng)變計(jì)也適用的一般形式xxyyRkkR()xxyRkHR 式中,kx為對(duì)軸向應(yīng)變的靈敏度系數(shù),它代表y=0 時(shí),敏感

18、柵電阻相對(duì)變化與x之比,ky為對(duì)橫向應(yīng)變的靈敏度系數(shù),它代表x=0 時(shí),敏感柵電阻相對(duì)變化與y之比。因?yàn)?yx 第2章 應(yīng)變式傳感器xxxkHukRR)1(稱為橫向效應(yīng)系數(shù)?？梢妉s（r）愈小,l1愈大,H愈小。即敏感柵愈窄,基長愈長的應(yīng)變計(jì),其橫向效應(yīng)引起的誤差越小。00(1)(1)()xxkkHkHkk因?yàn)榈?章 應(yīng)變式傳感器2.2.3 應(yīng)變計(jì)的動(dòng)態(tài)特性應(yīng)變計(jì)的動(dòng)態(tài)特性 在測量頻率較高的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí),應(yīng)考慮到它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。在動(dòng)態(tài)情況下,應(yīng)變以波動(dòng)形式在材料中傳播,傳播速度為聲速。應(yīng)力波從試件通過膠層、基片傳到敏感柵需要一定時(shí)間。沿應(yīng)變計(jì)長度方向經(jīng)過敏感柵需要更長一些的時(shí)間。敏感柵電阻的變

19、化是對(duì)某一瞬時(shí)作用于其上應(yīng)力的平均值的反應(yīng)。鋼材聲速為5000m/s,膠層聲速為1000m/s。膠層和基片的總厚度約為0.05mm,由試件經(jīng)過膠層和基片傳到敏感柵的時(shí)間約為 510-8s,可以忽略不計(jì)。然而,當(dāng)應(yīng)變波沿敏感柵長度方向傳播的影響,應(yīng)加以考慮。第2章 應(yīng)變式傳感器 圖2.7(a)的階躍波沿敏感柵軸向傳播時(shí),由于應(yīng)變波通過敏感柵需要一定時(shí)間,當(dāng)階躍波的躍起部分通過敏感柵全部長度后,電阻變化才達(dá)到最大值。應(yīng)變計(jì)的理論響應(yīng)特性如圖2.7(b)所示。由于應(yīng)變計(jì)粘合層對(duì)應(yīng)變中高次諧波的衰減作用,實(shí)際波形如圖2.7(c)所示。如以輸出從最大值的10%上升到90%的這段時(shí)間為上升時(shí)間,則vLtk

20、8.0可測頻率 0.35,kft,44.08.035.0LvLvf第2章 應(yīng)變式傳感器圖 2.7 階躍應(yīng)變波通過敏感柵及其波形圖 90%100%tk10%tk0.8Lts(a)(b)(c)L第2章 應(yīng)變式傳感器 實(shí)際上tk值是很小的。例如,應(yīng)變計(jì)基長L=20mm,應(yīng)變 波速v=5000m/s時(shí),tk=3.210-6s,f=110 kHz。當(dāng)測量按正弦規(guī)律變化的應(yīng)變波時(shí),由于應(yīng)變計(jì)反映的應(yīng)變波形,是應(yīng)變計(jì)線柵長度內(nèi)所感受應(yīng)變量的平均值,因此應(yīng)變計(jì)反應(yīng)的波幅將低于真實(shí)應(yīng)變波,從而帶來一定誤差。顯然,這種誤差將隨應(yīng)變計(jì)基長的增加而加大。當(dāng)基片一定時(shí)將隨頻率的增加而加大。圖2.8 表示應(yīng)變計(jì)正處于應(yīng)變

21、波達(dá)到最大值時(shí)的瞬時(shí)情況。應(yīng)變波的波長為,應(yīng)變計(jì)的基長為L,兩端點(diǎn)的坐標(biāo)為x1和x2,而 此時(shí)應(yīng)變計(jì)在其基長L內(nèi)測得的平均應(yīng)變p達(dá)到最大值。其值為1,42Lx,242Lx第2章 應(yīng)變式傳感器Lx1x20 x0sin2x圖 2.8第2章 應(yīng)變式傳感器210021212sin22(coscos)2xxpxdxxxxxL 0sinsinLLLL 設(shè)=,因而應(yīng)變波幅測量的相對(duì)誤差e為L2020sin11()66pLe 因?yàn)?elvffv6,所以第2章 應(yīng)變式傳感器 對(duì)于鋼材 v=5000m/s,若要e=1%時(shí),對(duì)L=1mm的應(yīng)變計(jì),其允許的最高工作頻率為 由上式可知,測量誤差e與應(yīng)變波長對(duì)基長的相對(duì)比

22、值n=/L有關(guān),其關(guān)系曲線如圖2.9所示。/L愈大,誤差e愈小。一般可取/L=1020,其誤差 e小于1.60.4%。又有f=v/(nL)。即 n愈大,工作頻率愈高。65 1060.013901fkHz第2章 應(yīng)變式傳感器05101520510152025e%L 圖 2.9第2章 應(yīng)變式傳感器2.2.4 其他特性參數(shù) 1.線性度 試件的應(yīng)變和電阻的相對(duì)變化R/R,在理論上呈線性關(guān)系。但實(shí)際上,在大應(yīng)變時(shí),會(huì)出現(xiàn)非線性關(guān)系。應(yīng)變計(jì)的非線性度一般要求在0.05%或1%以內(nèi)。2.應(yīng)變極限 粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)所能測量的最大應(yīng)變值稱為應(yīng)變極限。在一定的溫度(室溫或極限使用溫度)下,對(duì)試件緩慢地施加均勻

23、的拉伸載荷,當(dāng)應(yīng)變計(jì)的指示應(yīng)變值對(duì)真實(shí)應(yīng)變值的相對(duì)誤差大于10%時(shí),就認(rèn)為應(yīng)變計(jì)已達(dá)到破壞狀態(tài),此時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值就作為該批應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變極限。第2章 應(yīng)變式傳感器 3.機(jī)械滯后和熱滯后 貼有應(yīng)變計(jì)的試件進(jìn)行加載和卸載時(shí),其R/R-特性曲線不重合。把加載和卸載特性曲線的最大差值（如圖2.10所示）稱為應(yīng)變計(jì)的機(jī)械滯后值。4.零漂和蠕變 恒定溫度下,粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì),在不承受載荷的條件下,電阻隨時(shí)間變化的特性稱為應(yīng)變計(jì)的零漂。零漂的主要原因是,敏感柵通過工作電流后的溫度效應(yīng),應(yīng)變計(jì)的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化,粘接劑固化不充分等。第2章 應(yīng)變式傳感器圖 2.10 應(yīng)變計(jì)的機(jī)械滯后RRO第2章 應(yīng)變式傳感器

24、5.疲勞壽命 已安裝的應(yīng)變計(jì),在恒定幅值的交變應(yīng)力作用下,可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)。所謂疲勞損壞是指應(yīng)變計(jì)指示應(yīng)變的變化超過規(guī)定誤差,或者應(yīng)變計(jì)的輸出波形上出現(xiàn)毛刺,或者應(yīng)變計(jì)完全損壞而無法工作。疲勞壽命反映應(yīng)變計(jì)對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變的適應(yīng)能力。應(yīng)變計(jì)的疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)一般可達(dá)106次。第2章 應(yīng)變式傳感器 6.最大工作電流 最大工作電流是指允許通過應(yīng)變計(jì)而不影響其工作的最大電流值。工作電流大,應(yīng)變計(jì)輸出信號(hào)就大,因而靈敏度高。但過大的工作電流會(huì)使應(yīng)變計(jì)本身過熱,使靈敏系數(shù)變化,零漂、蠕變增加,甚至燒壞應(yīng)變計(jì)。工作電流的選取,要根據(jù)散熱條件而定,主要取決于敏感柵的幾何形狀和尺寸、截面的形

25、狀和大小、基底的尺寸和材料、粘合劑的材料和厚度以及試件的散熱性能等。通常允許電流值在靜態(tài)測量時(shí)約取25 mA左右,動(dòng)態(tài)測量時(shí)可高一些,箔式應(yīng)變計(jì)可取更大些。在測量塑料、玻璃、陶瓷等導(dǎo)熱性差的材料時(shí),工作電流要取小些。第2章 應(yīng)變式傳感器 7.絕緣電阻 絕緣電阻是指應(yīng)變計(jì)的引線與被測試件之間的電阻值,一般以兆歐計(jì)。絕緣電阻過低,會(huì)造成應(yīng)變計(jì)與試件之間漏電而產(chǎn)生測量誤差。8.應(yīng)變計(jì)電阻值R 應(yīng)變計(jì)在未安裝也不受外力的情況下,于室溫時(shí)測得的電阻值。這是使用應(yīng)變計(jì)時(shí)應(yīng)知道的一個(gè)參數(shù)。國內(nèi)應(yīng)變計(jì)系列習(xí)慣上選用120、175、350、500、1000、1500。9.幾何尺寸 圓弧敏感柵應(yīng)變計(jì)敏感柵基長L從

26、圓弧頂部算起,箔式應(yīng)變計(jì)則從橫向粗線的內(nèi)沿算起。通常應(yīng)變計(jì)L 約為230mm,箔式應(yīng)變計(jì)最小可達(dá)0.2mm,長的達(dá)100mm或更長。第2章 應(yīng)變式傳感器2.3 應(yīng)變計(jì)的粘貼應(yīng)變計(jì)的粘貼 應(yīng)變計(jì)的粘貼工藝對(duì)于傳感器的精度起著關(guān)鍵作用。應(yīng)變計(jì)通常是用粘合劑貼到試件上的,在做應(yīng)變測量時(shí),是通過粘合劑所形成的膠層將試件上的應(yīng)變準(zhǔn)確無誤地傳遞到應(yīng)變計(jì)的敏感柵上去的。因此,粘合劑的選擇和粘貼質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到應(yīng)變計(jì)的工作情況,影響測量結(jié)果的正確性。所以,應(yīng)變計(jì)粘合劑不但要求粘接力強(qiáng),而且要求粘合層的剪切彈性模量大,能真實(shí)地傳遞試件的應(yīng)變。另外,粘合層應(yīng)有高的絕緣電阻、良好的防潮性防油性能以及使用簡便等特

27、點(diǎn)。第2章 應(yīng)變式傳感器對(duì)粘合劑有如下要求對(duì)粘合劑有如下要求:(1)有一定的粘結(jié)強(qiáng)度。(2)能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變。(3)蠕變小。(4)機(jī)械滯后小。(5)耐疲勞性能好。(6)具有足夠的穩(wěn)定性能。(7)對(duì)彈性元件和應(yīng)變計(jì)不產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用。(8)有適當(dāng)?shù)膬?chǔ)存期。(9)應(yīng)有較大的溫度使用范圍。第2章 應(yīng)變式傳感器2.4 電橋原理及電阻應(yīng)變計(jì)橋路電橋原理及電阻應(yīng)變計(jì)橋路2.4.1 直流電橋的特性方程及平衡條件 圖2.11為由橋臂R1、R2、R3、R4組成的直流電橋。直流電橋的特性方程是指電橋?qū)嵌素?fù)載電流If與各橋臂參數(shù)和電源電壓的關(guān)系式。利用等效電源定理,ab兩端的開路電壓和內(nèi)阻分別為)(21433214

28、RRRRRRRRUe123443121234()()()()R R RRR R RRRRRRR第2章 應(yīng)變式傳感器圖 2.11R1R3R4R2bUcdaIfRf第2章 應(yīng)變式傳感器很易求得)()()(2143432143213241RRRRRRRRRRRRRRRRRUIff電喬平衡時(shí)If=0,有R1R4 -R2R3=0 或4321RRRR 上式稱為直流電橋平衡條件,它說明欲使電橋達(dá)到平衡,其相鄰兩臂的比值應(yīng)相等。第2章 應(yīng)變式傳感器2.4.2 直流電橋的電壓靈敏度 電阻應(yīng)變計(jì)工作時(shí),其電阻變化很微小。例如,1片k=2,初始電阻120的應(yīng)變計(jì),受到1000微應(yīng)變時(shí),其電阻變化僅0.24。引起的不

29、平衡電壓極小,不能用它來直接推動(dòng)指示儀表,故需加以放大。這時(shí)感興趣的是電橋輸出電壓。一般放大器的輸入阻抗較電橋的內(nèi)阻要高得多,可認(rèn)為電橋輸出端處于開路狀態(tài)。設(shè)R1為電橋工作臂,受應(yīng)變時(shí),其電阻變化為R1,R2、R3、R4均為固定橋臂。在起始時(shí),電橋處于平衡狀態(tài),此時(shí)Usc=0。當(dāng)有R1時(shí),電橋輸出電壓為（如圖 2.12所示）。第2章 應(yīng)變式傳感器R1 R1R3R4R2bUcda放大器Usc圖 2.12第2章 應(yīng)變式傳感器4131124113(1)(1)scRRRRUURRRRRR 設(shè)n=,考慮到起始平衡條件 ,并略去分母中的 項(xiàng),得12RR3412RRRR11RR121(1)scnRUUnR2

30、11)1(nnURRUKscu(2.6)(2.7)第2章 應(yīng)變式傳感器 Ku稱為電橋的電壓靈敏度。Ku愈大,說明應(yīng)變計(jì)電阻相對(duì)變化相同的情況下,電橋輸出電壓愈大,電橋愈靈敏。由上式知,欲提高Ku,必須提高電源電壓,但它受應(yīng)變計(jì)允許功耗的限制。另外就是選擇適當(dāng)?shù)臉虮郾萵。下面來分析,電橋電壓U一定時(shí),n 應(yīng)取何值,電橋靈敏度最高。當(dāng)d Ku/dn=0 即 0)1()1(42nn第2章 應(yīng)變式傳感器 亦即n=1 時(shí),Ku 為最大。這就是說,在電橋電壓一定,當(dāng)R1=R2,R3=R4時(shí),電橋的電壓靈敏度最高。通常這種情況稱為電橋的第一種對(duì)稱形式。而R1=R3,R2=R4則稱為電橋的第二種對(duì)稱形式。第一

31、種對(duì)稱形式有較高的靈敏度,第二種對(duì)稱形式線性較好。等臂電橋是其中的一個(gè)特例,這時(shí)(2.5)(2.7)式成為第2章 應(yīng)變式傳感器1111114(1)2scRUURRR114scRUURUKu41 由以上三式可知,當(dāng)電源電壓及電阻相對(duì)變化一定時(shí),電橋的輸出電壓及其電壓靈敏度將與各橋臂阻值的大小無關(guān)。第2章 應(yīng)變式傳感器2.4.3 交流電橋的平衡條件和電壓輸出 當(dāng)采用交流供橋載波放大時(shí),應(yīng)變電橋也需交流電源供電。應(yīng)變電橋各臂一般是由應(yīng)變計(jì)或無感精密電阻組成,是純電阻電橋。但在交流電源供電時(shí),需要考慮分布電容的影響,這相當(dāng)于應(yīng)變計(jì)并聯(lián)一個(gè)電容(如圖2.13(a)所示)。此時(shí)橋臂已不是純電阻性的,這就需

32、要分析各橋臂均為復(fù)阻抗時(shí)一般形式的交流電橋。交流電橋的一般形式如圖2.13(b)所示,其中Z1,Z2,Z3,Z4為復(fù)阻抗。其電源電壓,輸出電壓均應(yīng)用復(fù)數(shù)表示。輸出電壓的特性方程為第2章 應(yīng)變式傳感器14231234()()scZ ZZ ZUUZZZZ 所以平衡條件為 或 設(shè)電橋臂阻抗為03241ZZZZ4321ZZZZ12341111222233334444jjjjZrjXz eZrjXz eZrjXz eZrjXz e第2章 應(yīng)變式傳感器 將復(fù)數(shù)表達(dá)式代入,可得另一種表達(dá)式為 r1r4+r2r3=X1X4-X2X3 r1X4+r4X1=r2X3+r3X2 上列各式說明:交流電橋的平衡條件與直

33、流電橋的不同,需要滿足兩個(gè)方程式,即必須不僅各橋臂復(fù)阻抗的模滿足一定的比例關(guān)系,而且相對(duì)橋臂的幅角和必須相等?，F(xiàn)在來討論圖2.13(b)中所示電橋的輸出電壓。設(shè)電橋起始處于平衡狀態(tài),有 。由于工作應(yīng)變計(jì)變化了R1后使Z1變化了Z1,則由(2.8)式可得13241423zzzz1324ZZZZ第2章 應(yīng)變式傳感器R3R4R2UC1R1C2Usc.(a)Z3Z4UZ1Usc.(b)Z2圖 2.13第2章 應(yīng)變式傳感器4131214113(1)(1)scZZZZUUZZZZZZ 考慮到電橋的起始平衡條件并略去分母中含Z1項(xiàng),得1114scZUUZ11111RZj RC11211(1)RZj RC第2

34、章 應(yīng)變式傳感器 由于一般情況下,分布電容很小,電源頻率也不太高,滿足r1c11。例如,電源頻率為1000Hz,R1=120,C1=1000 pF,則R1C17.510-4 1,因此Z1R1,Z1R1,則上式成為 電橋輸出電壓為與供橋電壓同頻同相的交流電壓,其幅值關(guān)系為 對(duì)圖2.13(a)中所示交流應(yīng)變電橋,按(2.9)式應(yīng)滿足下列平衡條件1114scRUUR1114scRUUR第2章 應(yīng)變式傳感器 R1R4=R2R3 或4321RRRR1221CCRR R2C2=R1C1 如果采用第一種對(duì)稱形式,平衡條件為 R1=R2,R3=R4,C1=C2 或第2章 應(yīng)變式傳感器2.5 溫度誤差及其補(bǔ)償溫

35、度誤差及其補(bǔ)償2.5.1 溫度誤差產(chǎn)生的原因 把應(yīng)變計(jì)安裝在自由膨脹的試件上,即使試件不受任何外力作用,如果環(huán)境溫度發(fā)生變化,應(yīng)變計(jì)的電阻也將發(fā)生變化。這種變化疊加在測量結(jié)果中將產(chǎn)生很大誤差。這種由于環(huán)境溫度改變而帶來的誤差,稱為應(yīng)變計(jì)的溫度誤差,又稱熱輸出。產(chǎn)生溫度誤差的原因有二:(1)敏感柵金屬絲電阻本身隨溫度發(fā)生變化。電阻與溫度的關(guān)系可由下式表示:第2章 應(yīng)變式傳感器 式中,Rt為溫度t 時(shí)的電阻值;R0為溫度T0時(shí)的電阻值;t為溫度的變化值;Rt為溫度變化t時(shí)的電阻變化;為應(yīng)變絲的電阻溫度系數(shù),表示溫度改變 1C時(shí)電阻的相對(duì)變化。(2)試件材料與應(yīng)變絲材料的線膨脹系數(shù)不一,使應(yīng)變絲產(chǎn)生

36、附加變形而造成的電阻變化。當(dāng)溫度改變t 時(shí),l0長的應(yīng)變絲受熱膨脹至lst,而應(yīng)變絲下的l0長的構(gòu)件伸長至lgt,其長度與溫度關(guān)系如下:第2章 應(yīng)變式傳感器 lst=l0(1+st)=l0+l0s t ls=lst-l0=sl0t lst=l0(1+gt)=l0+l0g t lg=l0gt 式中,l0為溫度為t0時(shí)的應(yīng)變絲長度;lst為溫度為t 時(shí)應(yīng)變絲的自由膨脹后長度;lst為溫度為t時(shí)應(yīng)變絲下構(gòu)件的自由膨脹后長度;s、g 為應(yīng)變絲與構(gòu)件材料的線膨脹系數(shù),即溫度改變 1 時(shí)長度的相對(duì)變化;ls、lg為應(yīng)變絲與構(gòu)件的膨脹量。由上式知,如果s和g不相等,則 ls和 ls就不等。第2章 應(yīng)變式傳感

37、器 由于應(yīng)變絲與構(gòu)件是粘接在一起的,因而應(yīng)變絲被迫從ls拉長至lg,使應(yīng)變絲產(chǎn)生附加變形l（相應(yīng)的附加應(yīng)變）,而產(chǎn)生電阻變化Rt:tllllsgsg0)(tllsg)(0 Rt=R t+R t=R0t+R0k(g-s)t tktaRRsg)(04因此由于溫度變化而引起的總的電阻變化Rt為00()tgsRR kR kt第2章 應(yīng)變式傳感器 也稱為視應(yīng)變。由上式可知,因環(huán)境溫度改變而引起的附加電阻變化或者造成的視應(yīng)變,除與環(huán)境溫度變化有關(guān)外,還與應(yīng)變計(jì)本身的性能參數(shù)k、s以及被測構(gòu)件的線膨脹系數(shù)g有關(guān)。0/()ttgsRRttkk第2章 應(yīng)變式傳感器2.5.2 溫度補(bǔ)償方法1.電橋補(bǔ)償法 這是一種

38、常用和效果較好的補(bǔ)償法。在被測試件上安裝一工作應(yīng)變計(jì),在另外一個(gè)與被測試件的材料相同,但不受力的補(bǔ)償件上安裝一補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)。補(bǔ)償件與被測試件處于完全相同的溫度場內(nèi)。測量時(shí),使兩者接入電橋的相鄰臂上,如圖2.14 所示。由于補(bǔ)償片RB是與工作片R1完全相同的,且都貼在同樣材料的試件上,并處于同樣溫度下,這樣,由于溫度變化使工作片產(chǎn)生的電阻變化R1t補(bǔ)償片的電阻變化RBt相等,因此,電橋輸出Usc與溫度無關(guān),從而補(bǔ)償了應(yīng)變計(jì)的溫度誤差。第2章 應(yīng)變式傳感器 有時(shí)根據(jù)被測試件的應(yīng)變情況,亦可不專門設(shè)補(bǔ)償件,而將補(bǔ)償片亦貼在被測試件上,使其既能起到溫度補(bǔ)償作用,又能提高靈敏度。例如,構(gòu)件作純彎曲形變時(shí),

39、構(gòu)件面上部的應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變,下部為壓應(yīng)變,且兩者絕對(duì)值相等符號(hào)相反。測量時(shí)可將R貼在被測試件的下面（如圖2.15所示）,接入圖2.14 的電橋中。由于在外力矩M作用下,RB與R1的變化值大小相等符號(hào)相反,電橋的輸出電壓增加一倍。此時(shí)RB既起到了溫度補(bǔ)償作用,又提高了靈敏度,而且可補(bǔ)償非線性誤差。第2章 應(yīng)變式傳感器圖 2.14RRUR1UscRBR1FFRB第2章 應(yīng)變式傳感器 圖 2.15R1RBMM第2章 應(yīng)變式傳感器 2.輔助測溫元件微型計(jì)算機(jī)補(bǔ)償法 該方法的基本思想是在傳感器內(nèi)靠近敏感測量元件處安裝一個(gè)測溫元件,用以檢測傳感器所在環(huán)境的溫度。常用的測溫元件有半導(dǎo)體熱敏電阻以及PN結(jié)二極管

40、等等。測溫元件的輸出經(jīng)放大及A/D轉(zhuǎn)換送到計(jì)算機(jī),如圖2.16所示。第2章 應(yīng)變式傳感器圖 2.16 輔助測溫元件微型計(jì)算機(jī)補(bǔ)償法 傳感器測溫元件開關(guān)多路A/DI/OCPU放大器第2章 應(yīng)變式傳感器 圖中傳感器把非電量轉(zhuǎn)變成電量,并經(jīng)放大,轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一信號(hào)。測溫元件的變化經(jīng)放大也轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一信號(hào)。然后經(jīng)過多路開關(guān),A/D轉(zhuǎn)換,分別把模擬量變成數(shù)字量,并經(jīng)I/O接口讀入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)在處理傳感器數(shù)據(jù)時(shí),即可把此測溫元件溫度變化對(duì)傳感器的影響加以補(bǔ)償,以達(dá)到提高測量精度的目的。例如,可以采用較簡單的溫度誤差修正模型 Yc=Y(1+0 t)+1 t 第2章 應(yīng)變式傳感器 3.應(yīng)變計(jì)自補(bǔ)償法應(yīng)變計(jì)自補(bǔ)償法

41、 自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)是一種特殊的應(yīng)變計(jì),當(dāng)溫度變化時(shí),產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?。用自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ń袘?yīng)變計(jì)自補(bǔ)償法。下面介紹兩種自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)。1)選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì) 由(2.10)式知,實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)臈l件為 t+k(g-s)t=0 則 =-k(g-s)(2.11)第2章 應(yīng)變式傳感器 2)雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)(1)敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì) 這種應(yīng)變計(jì)也稱組合式自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)。它是利用兩種電阻絲材料的電阻溫度系數(shù)符號(hào)不同(一個(gè)為正,一個(gè)為負(fù))的特性,將二者串聯(lián)繞制成敏感柵,如圖2.17所示。若兩段敏感柵R1和R2由于溫度變化而產(chǎn)生的電阻變化為R1t和R2t,大小相等而符號(hào)相反,就可以實(shí)現(xiàn)

42、溫度補(bǔ)償。R1與R2的關(guān)系可由下式?jīng)Q定112221/RRRRRRtt第2章 應(yīng)變式傳感器 圖 2.17焊點(diǎn)R1R2第2章 應(yīng)變式傳感器 其中 R1t=-R2t 這種補(bǔ)償效果較前者好,在工作溫度范圍內(nèi)通?？蛇_(dá)到0.14/C。3)雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)(2)這種自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)的敏感柵也由兩種合金絲材制成,但形成的兩個(gè)電阻分別接入電橋相鄰的兩臂上。如圖2.18 所示,R1是工作臂,R2與外接串聯(lián)電阻RB組成補(bǔ)償臂。兩種絲材電阻溫度系數(shù)的符號(hào)相同(例如都為正),適當(dāng)調(diào)節(jié)它們之間的長度比和外接電阻RB的數(shù)值,使第2章 應(yīng)變式傳感器圖2.18 電阻溫度系數(shù)符號(hào)相同的雙金敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)R1R2abcR3

43、R4UR1UscR2abRBc第2章 應(yīng)變式傳感器BttRRRRR2211 就可使兩橋臂由于溫度引起的電阻變化相等或接近,實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。補(bǔ)償柵R2用溫度變化產(chǎn)生的R2t去補(bǔ)償工作柵R1的R1t,但同時(shí)也把工作柵靈敏系數(shù)抵消一部分。因此補(bǔ)償柵材料通常選用電阻溫度系數(shù)大且電阻率小的鉑或鉑合金,這樣只要幾歐的鉑電阻就能達(dá)到溫度補(bǔ)償,使應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)少損失一些。第2章 應(yīng)變式傳感器 這種補(bǔ)償方法只要適當(dāng)調(diào)節(jié)RB,就可以在不同線膨脹系數(shù)的試件上實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償,所以比較通用,這是它的優(yōu)點(diǎn)。但使用它時(shí),必須每片都接成半橋線路,并要外接一個(gè)高精度電阻RB,在測量點(diǎn)很多的情況下,使用較麻煩。敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變

44、計(jì) 第2章 應(yīng)變式傳感器 4.熱敏電阻補(bǔ)償法熱敏電阻補(bǔ)償法 圖2.19中的熱敏電阻Rk處在與應(yīng)變計(jì)相同溫度條件下,當(dāng)應(yīng)變計(jì)的靈敏度隨溫度升高而下降時(shí),熱敏電阻Rk的值也下降,使電橋的輸入電壓隨溫度升高而增加,從而提高電橋的輸出,補(bǔ)償因應(yīng)變計(jì)引起的輸出下降。選擇分流電阻R5的值,可以得到良好的補(bǔ)償。第2章 應(yīng)變式傳感器圖 2.19 熱敏電阻補(bǔ)償法R1R3R2R4R5Rk第2章 應(yīng)變式傳感器2.6 電阻應(yīng)變儀電阻應(yīng)變儀 電阻應(yīng)變儀是最早應(yīng)用的,以應(yīng)變計(jì)作為傳感元件的測量應(yīng)力的專用儀器。電阻應(yīng)變儀將電橋的微小輸出電壓放大、記錄和處理,從而得到待測應(yīng)變值。其種類和型號(hào)很多,但基本原理相似,通常包括測量

45、電橋、讀數(shù)電橋、放大器、相敏檢波器、濾波器、顯示器、穩(wěn)壓電源及振蕩器等部分。其方框圖如圖2.20所示。第2章 應(yīng)變式傳感器圖2.20 電阻應(yīng)變儀方框圖bRRbaaK1K2讀數(shù)電橋測量電橋放大器相敏檢波器濾波器電源振蕩器a a b b(a)(b)(c)(d)(e)檢流計(jì)第2章 應(yīng)變式傳感器 在測量靜態(tài)應(yīng)變時(shí),不是將由相敏檢波器檢波后的信號(hào)直接記錄、處理或顯示,而是采用一個(gè)讀數(shù)電橋來測定應(yīng)變。讀數(shù)電橋與測量電橋都由同一振蕩器來供電,它們的輸出端反向串聯(lián)起來輸入到放大器的輸入變壓器的初級(jí)。第2章 應(yīng)變式傳感器 當(dāng)測量電橋感受應(yīng)變,使電橋不平衡而有一輸出電壓e1時(shí),適當(dāng)改變讀數(shù)電橋的橋臂電阻值,使其失

46、去平衡輸出一個(gè)幅值大小與測量電橋輸出電壓相等而相位相反的輸出電壓e2。當(dāng)e1-e2=0時(shí),檢流計(jì)指示為零;當(dāng)e1e2時(shí),放大器立即將它放大,引起檢流計(jì)很大偏轉(zhuǎn),從而能夠很精確地調(diào)整讀數(shù)電橋的橋臂阻值使e1很精確地等于e2。第2章 應(yīng)變式傳感器 由于測量電橋與讀數(shù)電橋均由同一振蕩器供電,因此電源電壓的波動(dòng),將對(duì)e1、e2產(chǎn)生同樣比例的影響,所以不會(huì)影響應(yīng)變讀數(shù)。另外,在這種情況下,放大器以及檢流計(jì)只起平衡指示作用,只要放大器放大系數(shù)足夠大,檢流計(jì)比較靈敏就夠了。對(duì)放大系數(shù)的穩(wěn)定性和檢流計(jì)的精度要求就可以大為降低。零值法的優(yōu)點(diǎn)是,測量精度主要取決于讀數(shù)電橋的精度,而不受電橋供電電壓波動(dòng)以及放大器放

47、大系數(shù)波動(dòng)等的影響,因此測量精度較高。但由于需要進(jìn)行手調(diào)平衡,故一般用于靜態(tài)測量。第2章 應(yīng)變式傳感器 通常的靜、動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的測量電路有交流供橋載波放大和直流供橋直流放大兩種類型。交流供橋載波放大具有靈敏度高,穩(wěn)定性好,受外界干擾和電源影響小及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。但存在工作頻率上限較低,導(dǎo)線分布電容影響大等缺點(diǎn)。而直流放大器等則相反,工作頻帶寬,能解決分布電容等問題。但它需配用精密電源供橋和穩(wěn)定的直流放大器,造價(jià)較高。第2章 應(yīng)變式傳感器 在數(shù)字應(yīng)變儀、超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀中已逐漸采用由參考穩(wěn)壓電源和運(yùn)算放大電路組成的直流電橋電路。當(dāng)然,直流放大器原理上的缺點(diǎn)并未徹底克服,實(shí)際運(yùn)用時(shí),需采取各種輔助技術(shù)

48、。由于直流電橋輸出的穩(wěn)定性和供橋直流電壓的穩(wěn)定性密切相關(guān),因此,直流電橋必須有一個(gè)穩(wěn)定的直流供橋電壓。采用集成的參考穩(wěn)壓電源和運(yùn)算放大電路可以得到穩(wěn)定的供橋直流電壓,如圖2.21所示。第2章 應(yīng)變式傳感器圖2.21 基本電橋驅(qū)動(dòng)電路 采樣線電流擴(kuò)展器運(yùn)算放大器AD741Us參考電壓10 VAD58110 V40 mA250 電橋第2章 應(yīng)變式傳感器 圖2.22為專用的傳感器電源模塊作為穩(wěn)定的直流供橋電壓源。圖中(a)為基本電路,圖(b)為電源模塊。因?yàn)殡姌蚬ぷ髟诜橇爿敵鰻顟B(tài),其激勵(lì)電壓發(fā)生變化會(huì)直接影響到電橋輸出的變化,對(duì)于低阻值電橋(應(yīng)變計(jì)使用低阻值應(yīng)變計(jì)時(shí))連接到電橋激勵(lì)端的導(dǎo)線上的電壓降

49、可能明顯地改變電橋激勵(lì)電壓,從而產(chǎn)生誤差。第2章 應(yīng)變式傳感器驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線導(dǎo)線電阻UsKUB電橋電源UrIB導(dǎo)線電阻驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線IBI0高阻抗采樣線電橋輸出(a)UB圖 2.22第2章 應(yīng)變式傳感器圖 2.2234910121468輸出調(diào)節(jié)至儀器裝置電路電橋輸出572B35K交流(b)12第2章 應(yīng)變式傳感器 為了校正此誤差,常采用四線法(凱爾文法)連接電橋。兩根導(dǎo)線傳送給電橋電流,另兩根導(dǎo)線感受在電橋兩端的實(shí)際電壓,此實(shí)際電壓反饋回來與參考電壓相比較,以調(diào)整供橋電源的輸出電壓維持在所要求的電橋電壓值上。高增益的反饋回路使輸給電橋的電壓必定是比較器輸入為零(Ur-kUB=0)時(shí),所需電壓,因此UB=U

50、r/k,如圖2.22(a)所示。第2章 應(yīng)變式傳感器2.7 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變絲、片,除直接用來測定試件的應(yīng)變和應(yīng)力外,還廣泛用作傳感元研制成各種應(yīng)變式傳感器,用來測定其他物理量,如力、壓力、扭矩、加速度等。應(yīng)變式傳感器的基本構(gòu)成通常可分為兩部分,彈性敏感元件和應(yīng)變計(jì)(絲)。彈性敏感元件在被測物理量的作用下,產(chǎn)生一個(gè)與它成正比的應(yīng)變,然后用應(yīng)變計(jì)(絲)作為轉(zhuǎn)換元件將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化。應(yīng)變式傳感器與其他類型傳感器相比具有如下特點(diǎn):第2章 應(yīng)變式傳感器 (1)測量范圍廣、精度高。測力傳感器,可測 10-2107N的力,精度達(dá)到0.05%FS以上;壓力傳感器,可測10-1107Pa

51、的壓力,精度可達(dá)0.1%FS。(2)性能穩(wěn)定可靠,使用壽命長。對(duì)于稱重而言,機(jī)械杠桿稱由于杠桿、刀口等部分相互摩擦產(chǎn)生損耗和變形,欲長期保持其精度是相當(dāng)困難的。若采用電阻應(yīng)變式稱重傳感器制成的電子秤、汽車衡、軌道衡等,只要傳感器設(shè)計(jì)合理,應(yīng)變計(jì)選擇確當(dāng),粘貼、防潮、密封可靠,就能長期保持性能穩(wěn)定可靠。應(yīng)變式壓力傳感器也是這樣。第2章 應(yīng)變式傳感器 (3)頻率響應(yīng)特性較好。一般電阻式應(yīng)變計(jì)響應(yīng)時(shí)間約為10-7 s,半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)可達(dá)10-11 s。若能在彈性元件上采取措施,則由它們構(gòu)成的應(yīng)變式傳感器可測幾十千赫甚至上百千赫的動(dòng)態(tài)過程。(4)能在惡劣的環(huán)境條件下工作。只要進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選用合適

52、的材料,應(yīng)變式傳感器可在高(低)溫、高速、高壓、強(qiáng)烈振動(dòng)、強(qiáng)磁場及核輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣的環(huán)境條件下正常工作。第2章 應(yīng)變式傳感器 (5)易于實(shí)現(xiàn)小型化、整體化。隨著大規(guī)模集成電路工藝的發(fā)展,已可將電路甚至A/D轉(zhuǎn)換與傳感器組成一個(gè)整體,傳感器可直接接入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。第2章 應(yīng)變式傳感器 2.7.1 彈性敏感元件 不僅對(duì)于應(yīng)變式傳感器,對(duì)其他某些類型的傳感器,彈性敏感元件在傳感器技術(shù)中也占有極為重要的地位。在傳感器工作過程中,一般是由彈性敏感元件把各種形式的物理量轉(zhuǎn)換成形變,再由轉(zhuǎn)換元件(例如電阻應(yīng)變計(jì))轉(zhuǎn)換成電量。所以在傳感器中彈性元件是應(yīng)用最廣泛的元件之一。其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響傳感器

53、的性能及精度,有時(shí)還是傳感器的核心部分。第2章 應(yīng)變式傳感器 通常要求彈性敏感元件具有以下性能:(1)彈性儲(chǔ)能(應(yīng)變能)高。彈性儲(chǔ)能是材料在開始塑性變形以前單位體積所儲(chǔ)存的彈性能。它表示彈性材料儲(chǔ)存變形功而不發(fā)生永久變形的能力。其大小為21122eeeTUT SE (2)具有較強(qiáng)的抗壓(或抗拉)強(qiáng)度,以便在高載荷下有足夠的安全性能。(3)受溫度影響小。第2章 應(yīng)變式傳感器 彈性模量溫度系數(shù)小而穩(wěn)定,熱膨脹系數(shù)小。(4)具有良好的機(jī)械加工和熱處理性能,易于機(jī)械加工及熱處理。(5)具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。(6)熱處理后應(yīng)有均勻穩(wěn)定的組織,且各向同性。(7)具有高的抗氧化、抗腐蝕性能。彈性敏感元件

54、的材料主要是合金結(jié)構(gòu)鋼。例如,中碳鉻鎳鉬鋼,中碳鉻錳硅鋼,析出硬化型不銹鋼,高速工具鋼和彈簧鋼等。第2章 應(yīng)變式傳感器 2.7.2 應(yīng)變式測力與稱重傳感器 應(yīng)變式測力傳感器由彈性體、應(yīng)變計(jì)和外殼組成。彈性體是測力傳感器的基礎(chǔ),應(yīng)變計(jì)是傳感器的核心。根據(jù)彈性體的結(jié)構(gòu)形式的不同可分為:柱式、輪輻式、梁式、環(huán)式等。1.柱式傳感器 柱式傳感器是稱重(或測力)傳感器應(yīng)用較普遍的一種形式。它分為圓筒形和柱形兩種。圖2.23畫出了傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖和外形。其結(jié)構(gòu)是在圓筒或圓柱上按一定方式貼上應(yīng)變計(jì)。圓筒或圓柱在外力F作用下產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)門FEAE第2章 應(yīng)變式傳感器 圖2.23 柱式傳感器 (a)圓柱;(b)

55、圓筒;(c)外形(a)(b)(c)第2章 應(yīng)變式傳感器 一般將應(yīng)變計(jì)對(duì)稱地貼在應(yīng)力均勻的圓柱表面的中間部分,如圖2.24(a)所示,并連接成圖(b)所示的橋路:T1和T3,T2和T4分別串聯(lián),放在相對(duì)臂內(nèi)。當(dāng)一方受拉時(shí),則另一方受壓。由此引起的電阻應(yīng)變計(jì)阻值的變化大小相等符號(hào)相反,從而減小彎矩的影響。橫向粘貼的應(yīng)變計(jì)作為溫度補(bǔ)償片。電橋輸出電壓為1212342121234()()scR RRRRRUURRRRRR12341423(1)2scRRRRRRRRRRRRUUR 第2章 應(yīng)變式傳感器圖2.24 柱式傳感器應(yīng)變計(jì)粘貼和橋路連接T2T4C2C4T1T3C1C3U(a)(b)T1C1T4C4

56、T2C2Usc第2章 應(yīng)變式傳感器 由上式可知,橫向粘貼的應(yīng)變計(jì)既作為溫度補(bǔ)償,也起到提高靈敏度的作用。柱式的不足是截面積隨載荷改變所導(dǎo)致的非線性,但對(duì)此可以進(jìn)行補(bǔ)償。筒式結(jié)構(gòu)可使分散在端面的載荷集中到筒的表面上來,改善了應(yīng)力線分布;在筒壁上還能開孔,如圖2.25(c)所示,形成許多條應(yīng)力線,從而與載荷在端面的分布無關(guān),并可減少偏心載荷、非均布載荷的影響,使引起的誤差更小。第2章 應(yīng)變式傳感器圖2.25 柱式傳感器彈性體的不同剖面(a)(b)(c)第2章 應(yīng)變式傳感器 2.輪輻式傳感器 輪輻式傳感器是一種剪切力傳感器。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.26所示,由輪轱1、輪圈2、輪輻條3、承壓應(yīng)變計(jì)4和拉伸

57、應(yīng)變計(jì)5等組成。輪輻條成對(duì)地連接在輪圈和輪轱之間,可為四根或八根(圖中為四根)。采用鋼球傳遞重力,因?yàn)閳A球壓頭有自動(dòng)定中心的功能。測量橋路如圖2.27所示。當(dāng)外力F作用在輪轱的上端面和輪圈下端面時(shí),使矩形輻條產(chǎn)生平行四邊形的變形,如圖2.28所示。當(dāng)兩個(gè)輪輻條互相垂直時(shí),其最大剪應(yīng)力及剪應(yīng)變分別為第2章 應(yīng)變式傳感器maxmax3838FbhFbhG式中,b為輪輻寬度，h為輪輻高度，G為剪切模量,2(1)EG其中,E為楊氏模量，為泊松系數(shù)。第2章 應(yīng)變式傳感器 圖2.26 輪輻式傳感器(a)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)外形F1425T4C2T2C3T3C4T1C13(a)(b)第2章 應(yīng)變式傳感器圖2.

58、27 輪輻式傳感器測量橋路 T2T1C3C4T4T3C1C2UUsc第2章 應(yīng)變式傳感器圖2.28 矩形輻條產(chǎn)生平行四邊形的變形 Fhbasdl45c第2章 應(yīng)變式傳感器 在傳感器中實(shí)測的不是剪應(yīng)變,而是在剪切力作用下,輪輻對(duì)角線方向的線應(yīng)變。這時(shí),將應(yīng)變計(jì)在與輻條水平中心軸線成45角的方向上粘貼。八片應(yīng)變計(jì)分別貼在四根輻條的正反兩面,并組成全橋電路,以檢測線應(yīng)變。在矩形條幅面上取一正方形面元,在剪切力作用下發(fā)生形變而成平行四邊形,如圖2.28右方所示。由圖可得線應(yīng)變max3()cos45 sin45216oolFbchbhG第2章 應(yīng)變式傳感器 當(dāng)考慮到應(yīng)變計(jì)具有一定尺寸(長lj,寬bj)和

59、切應(yīng)力的拋物線分布規(guī)律,則平均應(yīng)變?yōu)?2223(1)166jjplbFbhGh 八片應(yīng)變計(jì)的連接方法如圖2.26、圖2.27所示。當(dāng)受外力作用時(shí),使輻條對(duì)角線縮短方向粘貼的應(yīng)變計(jì)C受壓,對(duì)角線伸長方向粘貼的應(yīng)變計(jì)T受拉。每對(duì)輪輻的受拉片和受拉片串聯(lián)成一臂,受壓片和受壓片串聯(lián)組成相鄰臂。第2章 應(yīng)變式傳感器 這樣有助于消除載荷偏心對(duì)輸出的影響。加在輪轱和輪圈上的側(cè)向力,若使一根輪輻受拉,其相對(duì)的一根則受壓。由于兩輪輻截面是相等的,其上應(yīng)變計(jì)阻值變化大小相等、方向相反,每個(gè)臂的總阻值無變化,對(duì)輸出無影響。全橋電路的輸出為 2223(1)(1)166jjsclbKFUUbhGh式中,U為供橋電壓,K

60、為應(yīng)變計(jì)靈敏度系數(shù)。第2章 應(yīng)變式傳感器 3.懸臂梁式傳感器 懸臂梁式傳感器是一種低外形、高精度、抗偏、抗側(cè)性能優(yōu)越的稱重測力傳感器。采用彈性梁及電阻應(yīng)變計(jì)作敏感轉(zhuǎn)換元件,組成全橋電路。當(dāng)垂直正壓力或拉力作用在彈性梁上時(shí),電阻應(yīng)變計(jì)隨金屬彈性梁一起變形,其應(yīng)變使電阻應(yīng)變計(jì)的阻值變化,因而應(yīng)變電橋輸出與拉力(或壓力)成正比的電壓信號(hào)。配以相應(yīng)的應(yīng)變儀,數(shù)字電壓表或其他二次儀表,即可顯示或記錄重量(或力)。第2章 應(yīng)變式傳感器 懸臂梁有兩種,一種為等截面梁,另一種為等強(qiáng)度梁。等截面梁就是懸臂梁的橫截面處處相等的梁,如圖2.29(a)所示。當(dāng)外力F作用在梁的自由端時(shí),在固定端產(chǎn)生的應(yīng)變最大,粘結(jié)應(yīng)變

61、計(jì)處的應(yīng)變?yōu)?0266Flh E第2章 應(yīng)變式傳感器 圖2.29 懸臂梁(a)等截面梁;(b)等強(qiáng)度梁 R1R4l0lFbhblR4R1Fh(a)(b)第2章 應(yīng)變式傳感器 因此在距固定端較近的表面順著梁的長度方向分別貼上R1、R2和R3、R4(R2、R3在底部,圖中未畫出)四個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)。若R1、R4受拉力,則R2、R3將受到壓力,兩者應(yīng)變相等,但極性相反。將它們組成差動(dòng)全橋,則電橋的靈敏度為單臂工作時(shí)的4倍。等強(qiáng)度梁的結(jié)構(gòu)如圖2.29(b)所示,是一種特殊形式的懸臂梁。其特點(diǎn)是:沿梁長度方向的截面按一定規(guī)律變化,當(dāng)集中力F作用在自由端時(shí),距作用點(diǎn)任何距離截面上的應(yīng)力相等。第2章 應(yīng)變式傳感

62、器 在自由端有力F作用時(shí),在梁表面整個(gè)長度方向上產(chǎn)生大小相等的應(yīng)變。應(yīng)變大小可由下式計(jì)算266Flh E(2.12)這種梁的優(yōu)點(diǎn)是在長度方向上粘貼應(yīng)變計(jì)的要求不嚴(yán)格。除等截面梁和等強(qiáng)度梁傳感器外,還有剪切梁式傳感器,兩端固定梁傳感器等等。圖2.30為幾種梁式傳感器外形。第2章 應(yīng)變式傳感器圖2.30 幾種梁式傳感器外形 第2章 應(yīng)變式傳感器 懸臂梁式傳感器一般可測0.5kg以下的載荷,最小可測幾十克重。懸臂梁式傳感器也可達(dá) 到很大的量程,如鋼制工字懸臂梁結(jié)構(gòu)傳感器量程為0.230t,精度可達(dá)0.02%FS。懸臂梁式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)變計(jì)容易粘貼,靈敏度高等特點(diǎn)。第2章 應(yīng)變式傳感器 4.環(huán)

63、式傳感器 圓環(huán)式傳感器彈性元件的結(jié)構(gòu),如圖2.31所示。其中,(a)為拉力環(huán),(b)為壓力環(huán)。環(huán)式常用于測幾十千克以上的大載荷,與柱式相比,它的特點(diǎn)是應(yīng)力分布變化大,且有正有負(fù),便于接成差動(dòng)電橋。第2章 應(yīng)變式傳感器圖2.31 圓環(huán)式傳感器彈性元件結(jié)構(gòu)R1R2R3R4R1R2R3R4(a)(b)第2章 應(yīng)變式傳感器表2.1 幾種應(yīng)變式測力與稱重傳感器的性能 第2章 應(yīng)變式傳感器 2.7.3 應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器由電阻應(yīng)變計(jì)、彈性元件、外殼及補(bǔ)償電阻組成。一般用于測量較大的壓力。它廣泛用于測量管道內(nèi)部壓力,內(nèi)燃機(jī)燃?xì)獾膲毫?壓差和噴射壓力,發(fā)動(dòng)機(jī)和導(dǎo)彈試驗(yàn)中的脈動(dòng)壓力,以及各種領(lǐng)域

64、中的流體壓力等。1.筒式壓力傳感器 筒式壓力傳感器的彈性元件如圖2.32所示,一端肓孔,另一端有法蘭與被測系統(tǒng)連接。當(dāng)應(yīng)變管內(nèi)腔與被測壓力相通時(shí),圓筒部分周向應(yīng)變?yōu)榈?章 應(yīng)變式傳感器 式中,p為被測壓力,D為圓筒外徑,d為圓筒內(nèi)徑。在薄壁筒上貼有兩片應(yīng)變計(jì)作為工作片,實(shí)心部分貼有兩片應(yīng)變計(jì)作為溫度補(bǔ)償片。22(2)(1)pDEd第2章 應(yīng)變式傳感器圖2.32 筒式壓力傳感器的彈性元件工作片補(bǔ)償片p第2章 應(yīng)變式傳感器 2.膜片式壓力傳感器 該類傳感器的彈性敏感元件為一周邊固定的圓形金屬平膜片,如圖2.33(a)所示。當(dāng)膜片一面受壓力p作用時(shí),膜片的另一面(應(yīng)變計(jì)粘貼面)上的徑向應(yīng)變r(jià)和切向應(yīng)

65、變t為222222223(1)(3)83(1)()8rtpRxEhpRxEh 式中,R為平膜片工作部分半徑，h為平膜片厚度，E為膜片的彈性模量，為膜片的泊松系數(shù)，x為任意點(diǎn)離圓心的徑向距離。第2章 應(yīng)變式傳感器圖2.33 膜片受力時(shí)的應(yīng)變分布和應(yīng)變計(jì)粘貼R1R2R3R4r00.58r0(a)(b)prt第2章 應(yīng)變式傳感器 在膜片中心即x=0處,r和t均達(dá)到正的最大值,即22maxmax23(1)8rtpREh 而在膜片邊緣,即x=R處,t=0,而r達(dá)到負(fù)的最大值(最小值)。22min23(1)4rpREh 第2章 應(yīng)變式傳感器圖2.34 膜片式壓力傳感器一種敏感元件結(jié)構(gòu) 第2章 應(yīng)變式傳感器

66、 3.組合式壓力傳感器 組合式壓力傳感器,如圖2.35所示,通常用于測量小壓力。波紋膜片、膜盒、波紋管等彈性敏感元件感受壓力后,推動(dòng)推桿使梁變形。電阻應(yīng)變計(jì)粘貼于梁的根部感受應(yīng)變。因?yàn)閼冶哿簞傂暂^大,所以這種組合可以克服穩(wěn)定性較差,滯后較大的缺點(diǎn)。第2章 應(yīng)變式傳感器 圖2.35 組合式壓力傳感器 ppp應(yīng)變片第2章 應(yīng)變式傳感器 2.7.4 應(yīng)變式加速度傳感器 應(yīng)變式加速度傳感器如圖2.36所示。在一懸臂梁1的自由端固定一質(zhì)量塊3。當(dāng)殼體4與待測物一起作加速運(yùn)動(dòng)時(shí),梁在質(zhì)量塊慣性力的作用下發(fā)生形變,使粘貼于其上的應(yīng)變計(jì)2阻值變化。檢測阻值的變化可求得待測物的加速度。圖中,5為電引線,6為運(yùn)動(dòng)方向。第2章 應(yīng)變式傳感器 圖2.36 應(yīng)變式加速度傳感器2146352143第2章 應(yīng)變式傳感器 假設(shè)懸臂梁為如圖2.29所示的等強(qiáng)度梁,作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)梁根部的應(yīng)變?yōu)?6()6WG glh E 其中,W為慣性塊質(zhì)量;G為等強(qiáng)度梁折算到自由端的等效質(zhì)量,一般為梁質(zhì)量的1/6,其余尺寸如圖2.29所示。加速度傳感器的靈敏度M表示加速度為1g時(shí)梁上下兩個(gè)應(yīng)變計(jì)應(yīng)變量。若梁的上下各貼一應(yīng)變計(jì),組成半橋,則