【正文】 第二章 電阻式傳感器 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)： ? 測量應(yīng)變的靈敏度和精確度高，性能穩(wěn)定、可靠，可測1～ 2με ，誤差小于 1％。4引線 1 2 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 應(yīng)變片的測量原理： ? 直接用應(yīng)變片測量 受力應(yīng)變 時(shí)，將應(yīng)變片粘貼于被測對象表面上。 參數(shù) ： l—基長， b—基寬， l b—使用面積 規(guī)格 ：以使用面積和電阻值表示，例如 3 10mm2， 120Ω 。 （ 2－ 2） ?????????SSllRR山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 用橫向、徑向應(yīng)變、泊松系數(shù)帶入后電阻變化率為： 受力后材料幾何尺寸變化（ 1+2μ ）；材料電阻率的變化（ Δρ/ρ ） /ε 。 ? 本章主要研究的內(nèi)容 ：應(yīng)變式傳感器和壓阻式傳感器。 ? 電阻材料 ：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、電解質(zhì)溶液等。 ? 物理學(xué)原理：導(dǎo)體、半導(dǎo)體的長度或內(nèi)應(yīng)力變化、溫度變化導(dǎo)致電阻變化。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器 定義 ：應(yīng)變式傳感器是利用金屬的 電阻應(yīng)變效應(yīng) ，將被測物變形 轉(zhuǎn)換成 電阻變化 的傳感器。 對于金屬材料而言，以前者為主，則 k0≈1+2 μ ，對半導(dǎo)體， k0值主要是由電阻率相對變化所決定。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 圖 221 電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 1敏感柵 。在外力作用下，被測對象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形時(shí)，應(yīng)變片敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化 ΔR 。 ? 應(yīng)變片尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、響應(yīng)速度快。既可測量彈性變形，也可測量塑性變形。 ? 便于多點(diǎn)測量、遠(yuǎn)距離測量和遙測。 回線式主要特點(diǎn) ：因制作簡單，性能穩(wěn)定，成本低，易粘貼，所以最為常用。 ?金屬絲 常用的材料有康銅、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金以及貴金屬（鉑、鉑鎢合金）等。散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 金屬薄膜應(yīng)變片 制作工藝： 采用 真空蒸發(fā) 或 真空沉積 等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在 以下的金屬電阻材料 薄膜敏感柵 ，最后再加上保護(hù)層，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。 常用的粘合劑類型有硝化纖維素粘合劑、氰基丙烯酸脂粘合劑、有機(jī)硅粘合劑等。 公式： 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 說明： ? 應(yīng)變片的電阻 —應(yīng)變特性與 金屬單絲 時(shí)不同，因此須用實(shí)驗(yàn)方法對應(yīng)變片的靈敏系數(shù) k進(jìn)行測定。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 橫向效應(yīng) 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 ? 敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成。這種現(xiàn)象稱橫向效應(yīng)。加載特性曲線與卸載特性曲線的最大差值 Δε m稱應(yīng)變片的滯后。 蠕變： 如果在一定溫度下，使其承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間而變化的特性，稱為應(yīng)變片的蠕變。 應(yīng)變片在制造過程中所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力、絲材、粘合劑、基底等的變化是造成應(yīng)變片零漂和蠕變的因素。 疲勞壽命反映了應(yīng)變片對動態(tài)應(yīng)變測量的適應(yīng)性 。 實(shí)際選擇情況： 通常允許電流值在靜態(tài)測量時(shí)約取 25mA左右，動態(tài)時(shí)可高一些，箔式應(yīng)變片可取更大一些。 幾點(diǎn)說明 ： ? 絕緣電阻過低，會造成應(yīng)變片與試件之間漏電而產(chǎn)生測量誤差； ? 如果應(yīng)變片受潮，絕緣電阻大大降低； ? 應(yīng)變片絕緣電阻取決于 粘合劑及基底材料的種類以及它們的固化工藝 ； ? 基底與膠層愈厚，絕緣電阻愈大，但會使應(yīng)變片靈敏系數(shù)減小，蠕變和滯后增加，因此 基底與膠層不可太厚 。傳播速度與聲波相同，對于鋼材 v≈5000m/s 。 （ 6） 實(shí)際舉例： 表 2－ 1給出了對于鋼材 v＝ 5000m/s，取不同基長 λ/l ＝ 20時(shí)，不同基長應(yīng)變片的最高工作頻率。 （一）直流電橋 工作原理 四臂電橋如 a圖，應(yīng)變片阻值變化較小，可假定電源為電壓源，內(nèi)阻為零，流過負(fù)載 RL的電流如下： URRRRRRRRRRRRR RRRRILL ?????????)()())(( 2143432143214231山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 電橋平衡條件： a) b) R1R4=R2R3 或 R1/R2=R3/R4 （ 2－ 5） 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 應(yīng)變片阻值變化的獲取方法： 偏轉(zhuǎn)法 ——用檢流計(jì)轉(zhuǎn)換為電流 IL的大小表示； 零讀法 ——用改變相鄰橋臂阻值的方法，使 IL恢復(fù)到零，然后根據(jù)相鄰橋臂阻值的變化來確定應(yīng)變片的阻值變化。 ku與橋臂比 n有關(guān)。 n＝ 1時(shí)的電橋，稱 對稱電橋 ，常采用這種電橋的形式。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 圖 2－ 10b為四臂差動電橋，其輸出電壓： 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 （ 2）恒流源電橋 供電電流為 I，通過各臂的電流為 I1和 I2， Δ R1=0時(shí)： 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 若電橋初始處于平衡狀態(tài)，而且 R1＝ R2＝ R3＝ R4=R當(dāng)?shù)谝槐垭娮?R1變?yōu)? R＋△ R時(shí)，電橋輸出電壓為 結(jié)論： 與恒流源相比，非線性誤差減小 1/2。Z3＝ R3， Z4＝ R4， Z1＝ R1/(1+jωR 1C1), Z2=R2/(1+jωR 2C2)，按式（ 2－14）可求出 ： 整理可得該交流電橋的平衡條件為 此種交流電橋，既要滿足電阻平衡條件，還要滿足電容平衡條件。 t山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 試件材料的線膨脹引起的誤差。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 計(jì)算實(shí)例 ： 試件為不銹鋼，其 α g ＝ 14 10－ 6； 敏感柵選用 錳白 銅絲， α s ＝ 15 10－ 6， k＝ 2，要滿足溫度自補(bǔ)償條件，按上式可求出 α t ＝ 2 10－ 6， 錳白 銅絲退火溫度應(yīng)為 380℃ 。 方式二 ： 圖 2－ 18，測量梁的彎曲應(yīng)變時(shí)，將兩個(gè)應(yīng)變片分貼于上下兩面對稱位置， R1與 RB特性相同，所以二電阻變化值相同而符號相反。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 圖 2－ 18 差動電橋補(bǔ)償法 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 六、應(yīng)變式傳感器舉例 （一）應(yīng)變式力傳感器 柱式力傳感器 – 圓柱式力傳感器的彈性元件分實(shí)心和空心。橫向貼片作溫度補(bǔ)償用。 – 薄壁的厚度為 h，外徑為 r，寬度為 b，對于 r/h＞ 5的曲率圓環(huán)，在載荷 F作用下， A、 B兩點(diǎn)的應(yīng)變可用下式計(jì)算 : 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 梁式力傳感器 ? 等強(qiáng)度梁： 力 F作用于梁端三角形頂點(diǎn)上，梁內(nèi)各斷面產(chǎn)生的應(yīng)力相等，表面上的應(yīng)變也相等，故對在 l方向上粘貼應(yīng)變片位置要求不嚴(yán)。 ? 雙孔梁： 多用于小量程，如工業(yè)電子稱和商業(yè)電子稱。 – 當(dāng)外加力作用點(diǎn)發(fā)生偏移時(shí)， 一面的剪切力減小，一面增加 ，其絕對值之和仍然是不變的常數(shù)。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 C1 C2 T2 T1 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 C1 T2 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器