【正文】 三、金屬應(yīng)變片的主要特性 靈敏系數(shù) 定義：應(yīng)變片安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下， 應(yīng)變片的阻值相對(duì)變化 與 試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變 之比。 箔式應(yīng)變片的缺點(diǎn)： 電阻值的 分散性大 ，有的能相差幾十歐坶，故需要作阻值調(diào)整。 – 由于焊點(diǎn)多，易在焊點(diǎn)處出現(xiàn) 疲勞損壞 ，制造工藝要求高，使用較少?？稍诟邷亍⒊蜏?、高壓、水下、強(qiáng)磁場(chǎng)以及核輻射等惡劣環(huán)境下使用。 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 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(cè)量應(yīng)變的靈敏度和精確度高，性能穩(wěn)定、可靠，可測(cè)1～ 2με ，誤差小于 1％。 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 。 ? 本章主要研究的內(nèi)容 ：應(yīng)變式傳感器和壓阻式傳感器。 ? 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。 對(duì)于金屬材料而言，以前者為主，則 k0≈1+2 μ ，對(duì)半導(dǎo)體， k0值主要是由電阻率相對(duì)變化所決定。在外力作用下，被測(cè)對(duì)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 。既可測(cè)量彈性變形，也可測(cè)量塑性變形。 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。散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度。 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。 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。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。 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。 實(shí)際選擇情況： 通常允許電流值在靜態(tài)測(cè)量時(shí)約取 25mA左右，動(dòng)態(tài)時(shí)可高一些，箔式應(yīng)變片可取更大一些。傳播速度與聲波相同，對(duì)于鋼材 v≈5000m/s 。 （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。 n＝ 1時(shí)的電橋，稱 對(duì)稱電橋 ，常采用這種電橋的形式。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。 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℃ 。 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(dòng)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。 – 薄壁的厚度為 h，外徑為 r，寬度為 b，對(duì)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(duì)在 l方向上粘貼應(yīng)變片位置要求不嚴(yán)。 – 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(duì)值之和仍然是不變的常數(shù)。被測(cè)壓力 P作用于筒內(nèi)壁時(shí)，筒體的空心部分的外表面產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)變 ； ? 應(yīng)變片的粘貼： 圖 2－ 24(b)表示貼片方向， R2不產(chǎn)生應(yīng)變，只作溫度補(bǔ)償用。頻率響應(yīng)高，體積小。 ? 結(jié)論： 摻雜濃度高，溫度系數(shù)很小，但壓阻系數(shù)過低，故不采用高摻雜辦法降低溫度誤差。要消除 B、 D兩點(diǎn)的電位差，最簡單的辦法是在 R2上 并聯(lián)一個(gè)溫度系數(shù)為負(fù)、阻值較大的電阻 RP，用來約束 R2的變化。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 三、壓阻式傳感器舉例 （一）半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器 這種傳感器常用硅、鍺等材料做成單根狀的敏感柵，其使用方法與金屬應(yīng)變片相同。膜片的四周用圓硅環(huán)（硅杯）固定，其下部是與被測(cè)系統(tǒng)相連的高壓腔，上部一般可與大氣相通。 特別是它的體積小 ， 最小的傳感器可為 ， 在生物醫(yī)學(xué)上可以測(cè)量血管內(nèi)壓 、 顱內(nèi)壓等參數(shù) 。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 ★ 膜片應(yīng)力分布： 若圓形硅膜片周邊固定 ， 在均布?jí)毫Φ淖饔孟?， 當(dāng)膜片位移遠(yuǎn)小于膜片厚度時(shí) ， 其膜片的應(yīng)力分布為 徑向應(yīng)力分布狀況：當(dāng) x=， ? r=0； x，? r0，即為拉應(yīng)力； x， ? r0，即為壓應(yīng)力。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的突出優(yōu)點(diǎn)：靈敏系數(shù)很大，可測(cè)微小應(yīng)變，尺寸小，橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后也小。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 R2 R4 R1 R3 U0 溫度誤差補(bǔ)償 Rp B C D A RS E Di 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 （ 2）靈敏度溫漂補(bǔ)償： 采用在電源回路中串聯(lián)二極管的方法。當(dāng)四個(gè)擴(kuò)散電阻阻值相等或相差不大，溫度系數(shù)也一樣，則電橋零漂和靈敏度漂移會(huì)很小，但工藝上很難實(shí)現(xiàn)。 因?yàn)榘雽?dǎo)體材料對(duì)溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有 溫度補(bǔ)償 。 ? 主要應(yīng)用： 這類傳感器可用來測(cè)量機(jī)床液壓系統(tǒng)的壓力（ 106～107Pa），也可用來測(cè)量槍炮的膛內(nèi)壓力（ 108Pa?？梢韵?載荷偏心 和側(cè)向力 對(duì)輸出 的影響。適合于測(cè) 5000N以下的載荷，也可以測(cè)量小的壓力。 – 高度要求：實(shí)心圓柱，一般取 H≥2 D＋ l；空心圓柱一般取 H≥ D－ d＋ l。 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 電橋補(bǔ)償法 方式一 ： 圖 2－ 17， 工作應(yīng)變片 R1安裝在被測(cè)試件上，另選一個(gè)其特性與 R1相同的補(bǔ)償片 RB， 安裝在材料與試件相同的某補(bǔ)償件上，溫度與試件相同，但不承受應(yīng)變 。 及 或 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 五、溫度誤差及其補(bǔ)償 溫度變化 ?電阻變化 ?測(cè)量誤