【文章內(nèi)容簡介】 的工作溫度范圍也可達到較完善的補償。尤其突出的是：陶瓷絕緣代替了膠接，既避免了復(fù)雜的分選和粘貼技術(shù)，而且對膠所引入的漂移、疲勞等弱點都有很大的克服。制成的傳感器可以達到較高的水平。4. 半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的電阻率隨作用應(yīng)力而變化的所謂“壓阻效應(yīng)”。所有材料在某種程度都呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體的這種效應(yīng)特別顯著，能直接反映出很微小的應(yīng)變。常用的半導(dǎo)體應(yīng)變片系用鍺和硅等半導(dǎo)體材料作為敏感柵，一般為單根狀，根據(jù)壓阻效應(yīng)，半導(dǎo)體和金屬絲一樣可以把應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化。 電阻應(yīng)變片的材料1. 敏感柵材料制造應(yīng)變片時，對敏感柵材料的要求：①靈敏系數(shù)和電阻率要盡可能高而穩(wěn)定，電阻變化率與機械應(yīng)變之間 應(yīng)具有良好而寬廣的線性關(guān)系，既要求在很大范圍內(nèi)為常數(shù)；②電阻溫度系數(shù)小，電阻溫度間的線性關(guān)系和重復(fù)性好；③機械強度高，碾壓及焊接性能好，與其他金屬之間接觸熱電勢?。虎芸寡趸?、耐腐蝕性能強，無明顯機械滯后。此外，制作應(yīng)變片敏感柵常用的材料有康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金、貴金屬（鉑、鉑鎢合金等）材料等。 常用應(yīng)變電阻絲材材料性能康 銅鎳鉻錳硅鎳鉻電阻率（）~~1~電阻溫度系數(shù)（）2016101011010靈敏系數(shù)~~與銅焊接性好較好較好抗拉強度（）~110~1402. 應(yīng)變片基底材料應(yīng)變片基底材料有紙和聚合物兩大類，紙基逐漸被膠基（有機聚合物）取代，因為膠基各方面性能都好于紙基。膠基是由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜。對基底材料性能有如下要求：①機械強度好，撓性好；②粘貼性能好；③電絕緣性能好；④熱穩(wěn)定性和抗?jié)裥院?；⑤無滯后和蠕變。3. 引線材料康銅絲敏感柵應(yīng)變片，采用點焊焊接。其他類型敏感柵，多采用直徑與上述相對的鉻鎳、鐵鉻鋁金屬絲或偏帶作為引線。與敏感柵點焊相接。 金屬應(yīng)變片的主要特性1. 靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)是指應(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。 ()應(yīng)變片的電阻的應(yīng)變特性與金屬絲不同，因此必須用實驗方法對應(yīng)變片的靈敏系數(shù)進行測定。測定時必須按規(guī)定的標準，例如受軸向單向力（拉或壓），試件材料泊松系數(shù)為=。一批產(chǎn)品中只能抽樣5％的產(chǎn)品來測定，取平均值及允許公差值作為該批產(chǎn)品的靈敏系數(shù)，又稱“標稱靈敏系數(shù)”。實驗表明，電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)值恒小于電阻絲的靈敏系數(shù)，其原因除了粘結(jié)層傳遞變形失真外，還存在有橫向效應(yīng)。2. 橫向效應(yīng) 橫向效應(yīng)粘貼在受單向拉伸力試件上的應(yīng)變片，其敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成。這時，各直線段上的金屬絲只感受沿軸向拉應(yīng)變，電阻值將增加，但在圓弧段上，沿各微段軸向（即微段圓弧的切向）的應(yīng)變卻并非是，因此與直線段上同樣長度的各段所產(chǎn)生的電阻變化就不相同，最明顯的是在處微圓弧段上，按泊松系數(shù)的關(guān)系，在垂直方向上產(chǎn)生負的壓應(yīng)變，因此該段的電阻是減小的。而在圓弧的其它各段上，其軸向感受的應(yīng)變由+變化到。由此可見，將直的電阻絲繞成敏感柵之后，雖然長度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，其靈敏系數(shù)降低了。這種現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。應(yīng)變片橫向效應(yīng)表明，當實際使用應(yīng)變片時，使用條件與標定靈敏系數(shù)時的標定規(guī)則不同時，例如，≠、以及橫向效應(yīng)的影響，實際值要改變，由此可能產(chǎn)生較大測量誤差。當不能滿足測量精度要求時，應(yīng)進行必要的修正。為了減少橫向效應(yīng)產(chǎn)生的測量誤差，一般多采用箔式應(yīng)變片，其圓弧部分尺寸較柵絲尺寸大得多，電阻值較小，因而電阻變化量也就小得多。3. 機械滯后應(yīng)變片安裝在試件上以后，在一定溫度下，其的加載特性與卸載特性不重合， 機械滯后，在同一機械應(yīng)變值下，其對應(yīng)的值不一致。加載特性曲線與卸載特性曲線的最大差值稱應(yīng)變片的滯后。產(chǎn)生機械滯后的原因，主要是敏感柵、基底和粘合劑在承受機械應(yīng)變后所留下的殘余變形所造成的，為了減小滯后，除選用合適的粘合劑外，最好在新安裝應(yīng)變片后，做三次以上的加卸載循環(huán)后再正式測量。4. 零漂和蠕變粘貼在試件上的應(yīng)變片，在溫度保持恒定、不承受機械應(yīng)變時，其電阻值隨時間而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零漂。如果在一定溫度下，使其承受恒定的機械應(yīng)變，其電阻值隨時間而變化的特性，稱為應(yīng)變片的蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量變化的方向相反。這兩項指標都是用來衡量應(yīng)變片特性對時間的穩(wěn)定性，在長時間測量中其意義更為突出。實際上，蠕變中即包含零漂，因為零漂是在不加載的情況，它是加載情況的特例。　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。5. 應(yīng)變極限和疲勞壽命（1）應(yīng)變片的應(yīng)變極限是指在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對測試值的真實應(yīng)變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10％）時的最大真實應(yīng)變值。 應(yīng)變極限，應(yīng)選用抗剪強度較高的粘結(jié)劑和基底材料，基底和粘結(jié)劑的厚度不宜太大，并經(jīng)適當?shù)墓袒幚?。?）疲勞壽命：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，對于已安裝好的應(yīng)變片，在恒定幅值的交變力作用下，可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)N稱為應(yīng)變片的疲勞壽命。當出現(xiàn)以下三種情況之一時，都認為是疲勞損壞：①應(yīng)變片的敏感柵或引線發(fā)生斷路；②應(yīng)變片輸出指示應(yīng)變的幅值變化10％；③應(yīng)變片輸出信號波形上出現(xiàn)穗狀尖峰。6. 最大工作電流最大工作電流是指允許通過應(yīng)變片而不影響其工作的最大電流值。工作電流大，應(yīng)變片輸出信號大，靈敏度高。但過大的工作電流會使應(yīng)變片本身過熱，使靈敏系數(shù)變化，零漂、蠕變增加，甚至把應(yīng)變片燒毀。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)測量時約取25mA左右，動態(tài)時可高一些，箔式應(yīng)變片可取更大一些。對于導(dǎo)熱性能差的試件，例如塑料、陶瓷、玻璃等，工作電流要取小些。7. 應(yīng)變片的電阻值R應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力情況下，于室溫下測得的電阻值，是使用應(yīng)變片時需知道的一個特性參數(shù)。目前常用的電阻系列，習(xí)慣上為60、1200、350、500、1000Ω，其中以120Ω最常用。取電阻值大，可以加大應(yīng)變片承受電壓，因此輸出信號大，但敏感柵尺寸也增大。8. 動態(tài)響應(yīng)特性電阻應(yīng)變片在測量變化頻率較高的動態(tài)應(yīng)變時，應(yīng)考慮其動態(tài)響應(yīng)特性。因為在動態(tài)測量時，應(yīng)變是以應(yīng)變波的形式在材料中傳播，它的傳播速度與聲波相同，對于鋼材v≈5000m/S，當應(yīng)變按正弦規(guī)律變化時，應(yīng)變片反映出來的是應(yīng)變片敏感柵長度各相應(yīng)點應(yīng)變量的平均值，顯然不能以某一“點”的應(yīng)變值來表示。設(shè)應(yīng)變的變化為，應(yīng)變在試件中軸向傳播，有，所以，代入應(yīng)變表達式，則應(yīng)為。 應(yīng)變波應(yīng)變波長為，應(yīng)變片的基長為，其兩端點的坐標為，,此時應(yīng)變片在基長內(nèi)測得的平均應(yīng)變達到最大值為 （）因而應(yīng)變波幅測量的相對誤差為 （） 由上式可見，測量誤差與應(yīng)變波長對基長的相對比值有關(guān)，一般可?。?0～20，～％，根據(jù)上式，可進行動態(tài)應(yīng)變測量時的誤差計算或選擇應(yīng)變片柵長以滿足某種頻率范圍內(nèi)的誤差要求。＝5000m/s，取不同基長＝20時，不同基長的應(yīng)變片的最高工作頻率。 不同應(yīng)變片基的最高工作頻率應(yīng)變片基 長l(mm)1235101520最高工作頻率f(kHz)2501255025，當應(yīng)變波為階躍波時，由于應(yīng)變波通過敏感柵全部長度需要時間，所以應(yīng)變片所反映的波形經(jīng)過一定時間延時，才能達到最大值。，如以輸出從10％上升到90％的這段時間作為上升時間，則=，可測頻率＝，則。4 電阻應(yīng)變式力傳感器的設(shè)計 柱形應(yīng)變式力傳感器柱形彈性元件通常都做成圓柱形和方柱形，用于測量較大的力。最大量程可達10。在載荷較小時(1～100kN)，為便于粘貼應(yīng)變片和減小由于載荷偏心或側(cè)向分力引起的彎曲影響，同時為了提高靈敏度，多采用空心柱體。四個應(yīng)變片粘貼的位置和方向應(yīng)保證其中兩片感受縱向應(yīng)變，另外兩片感受橫向應(yīng)變(因為縱向應(yīng)變與橫向應(yīng)變是互為反向變化的)。 柱形力傳感器當被測力F沿柱體軸向作用在彈性體上時，其縱向應(yīng)變?yōu)椋? （） 式中： —為材料的彈性模量；—為柱體的截面積；—為材料的泊松比。 在實際測量中，被測力不可能正好沿著柱體的軸線作用，而總是與軸線之間成一微小的角度或微小的偏心，這就使得彈性柱體除了受縱向力作用外，還受到橫向力和彎矩的作用，從而影響測量精度。 有三種應(yīng)力被應(yīng)用于稱重傳感器的設(shè)計中，即拉伸與壓縮應(yīng)力，彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力。下面介紹其中一種利用拉伸與壓縮應(yīng)力的稱重傳感器。 利用拉伸與壓縮應(yīng)力的稱重傳感器利用拉伸應(yīng)力與壓縮應(yīng)力的多為商業(yè)稱重傳感器，它是利用單一載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，代替被稱物體產(chǎn)生的應(yīng)力。由于有較小的縱剖面設(shè)計，能為所給的受力狀態(tài)提供較大的輸出。在航空工業(yè)中，通常用圓柱形彈性體作稱重傳感器（處于拉伸應(yīng)力或壓縮應(yīng)力的圓柱）是比較方便的。最好是將圓柱的兩端固定或設(shè)計成雙球面，若是作不到這一點，就把應(yīng)變計粘貼在附加彎矩最小區(qū)域，那里的橫截面存在有規(guī)律的變化，并產(chǎn)生最小的彎曲應(yīng)力。 電阻應(yīng)變計位置圖其中：①應(yīng)變計4和3為單軸結(jié)構(gòu)或90176。應(yīng)變花，在圓筒表面相隔180176。粘貼；②在載荷P方向，應(yīng)變計3受拉伸，應(yīng)變計4受壓縮。，有關(guān)計算圓柱應(yīng)力S的傳統(tǒng)公式如下： ()式中：—軸向載荷；—圓柱橫截面面積（）；—拉伸或壓縮應(yīng)力。既然這是一個單軸向載荷的圓柱，就可應(yīng)用虎克定律，其應(yīng)力、應(yīng)變可用如下公式計算： （） （）式中：—彈性模量；—1號應(yīng)變計的軸向應(yīng)變值。圓柱式稱重傳感器電橋的輸出應(yīng)由公式（）計算。既然圓柱的尺寸大小是固定的，正如下面例子所給出的：假設(shè)一個額定載荷為P=2500Ib（磅）的鋼制彈性體，彈性模量=10psi（磅/英寸）。通過計算其橫截面面積為A=。為通過公式確定、=、==，式中為泊松比。代入公式()、()，可得： （） （）求出的結(jié)果為： ，所以=。利用公式