【文章內(nèi)容簡介】 （ 24） 所以金屬絲的靈敏度系數(shù)為 (25) 電阻 應變片的特性 電阻應變片 電阻應變片有金屬應變片和半導體應變片兩種。傳統(tǒng)的金屬應變片又分為絲式和箔式兩種。半導體應變片是用半導體材料制成的，其工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。半導體應變片的靈敏度系數(shù)一般高于金屬應變片，但穩(wěn)定性不如金屬應變片。 圖 22(a)、 (b)、 (c)分別是絲式應變片、箔式應變片和半導體應變片的結(jié)構(gòu)。絲式、箔式應變片的結(jié)構(gòu)特點是將敏感應變的電阻絲用不同的工藝方法制作成柵狀。 圖 22 金屬電阻應變片的結(jié)構(gòu) 金 屬應變片對電阻絲材料有較高的要求，一般要求靈敏度系數(shù)大， 電阻溫 系數(shù)小，具有優(yōu)良的機械加工和焊接性能等，康銅是目前應用最廣泛的應變絲材料。根據(jù)應變片應變測試方向的不同，應變片有多種結(jié)構(gòu)形式，主要有正向、切向、 45176。方向、圓周方向等形式的應變片。 應變片是用粘結(jié)劑粘貼到被測件上的，這就要求粘結(jié)劑形成的膠層必須準確迅速地將被測件的應變傳遞到敏感柵上。選擇粘結(jié)劑時必須考慮應變片和被測件的材料性能，要求粘接力強，粘結(jié)后機械性能可靠，電絕緣性良好，蠕變和滯后小，耐濕，耐油，耐老化等。常用的粘結(jié)劑類型有硝化纖維素型、氰基丙稀酸型、聚酯樹脂型、環(huán)氧樹脂型和酚醛樹脂型等。 傳統(tǒng)的 絲式金屬應變片已經(jīng)很少見，目前常用的是箔式金屬應變片 這 種應變片的制作方式有蝕刻、蒸發(fā)和濺射等工藝。 ???? ????? )21(RRRRk ???/12k ??? ??? ? ? 第 5 頁 應變片的阻值通常在一百歐姆到幾千歐姆之間，金屬應變片阻值較小，半導體應變片阻值較大。應變片通常要求有較高的絕緣電阻，一般在 50~100 MΩ以上。 應變片的最大工作電流是指應變片允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流。工作電流大，輸出信號也大，靈敏度就高。但工作電流過大會使應變片發(fā)熱，使靈敏度系數(shù)產(chǎn)生變化，零漂及蠕變增加，甚至燒毀應變片。工作電流的選取要根據(jù)試件的導熱性能、工作環(huán)境溫度及敏感柵形狀和尺寸 來決定。通常直流靜態(tài)測量時取 25mA 左右，交流或間隙測量時可適當取高 當具有初始電阻值 R 的應變片粘貼于試件表面時，試件受力引起的表面應變將傳遞給應變片的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對變化Δ R/R。實驗表明，在彈性變形范圍內(nèi)，Δ R/R 與軸向應變ε x 的關(guān)系滿足下式 : (26) 定義 K=(Δ R/R)/ε x 為應變片的靈敏度系數(shù)。它表示安裝在被測試件上的應變片在其軸向受到單向應力時，引起的電阻相對變化Δ R/R 與其單向應力引起的試件表面軸向應變ε x 之比。 由于受到敏感柵結(jié)構(gòu)形狀、成型工藝 、粘結(jié)劑和基底性能的影響，應變片的靈敏度系數(shù) K 通常小于相應敏感柵整長應變絲的靈敏度系數(shù) k。其中最主要的影響因素是敏感柵的結(jié)構(gòu)形狀，尤其是柵端圓弧部分橫向效應的影響。 橫向效應 如 圖 23(a)所示，應變片粘貼在被測試件上時，其敏感柵由 n 條長度為 l1 的直線段和端部 n1 個半徑為 r 的半圓弧組成，則敏感柵對應的金屬絲長為 nl1+(n1)π r。 當將敏感柵與等長度直線狀的金屬絲置于同樣的軸向應變 ε x 下，并比較其電阻變化時，敏感柵中直線部分 nl1 與等長度直線狀金屬絲產(chǎn)生的電阻變化是一致的，但敏感柵的半 圓弧段則受到從 ε x 到 εy(圖中 ε y=με x)之間變化的應變，有的拉伸，有的反而壓縮，其電阻的變化將小于沿軸向安放的同樣長度金屬絲電阻的變化。 圖 23 應變片軸向受力及橫向效應 (a)應變片軸向受力圖； (b) 應變片的橫向效應 tR KR ?? ? 第 6 頁 綜上所述，將直的電阻絲繞成敏感柵后，雖然長度不變，應變狀態(tài)相同，但由于應變片敏感柵端部的結(jié)構(gòu)導致電阻變化減小，因而其靈敏度系數(shù) K 較整長電阻絲的靈敏度系數(shù) k 小，這種現(xiàn)象稱為應變片的橫向效應。 應變片是利用敏感柵直線段的應變 ——電阻變化完成應變測量的，轉(zhuǎn)彎段不僅降低了靈敏度，還帶來測量誤差。為了消除轉(zhuǎn)彎段的影響，減小橫向效應，可使轉(zhuǎn)彎段 “短路 ”或盡量使轉(zhuǎn)彎段本身的阻值降低，為此，一般多采用箔式應變片的結(jié)構(gòu)，它的轉(zhuǎn)彎段與直線段相比要寬大得多，如 圖 42(b)所示的結(jié)構(gòu) 。 應變片的溫度誤差及補償 ⑴ 應變片的溫度誤差 ① 電阻溫度系數(shù)引起的阻值變化 當金屬電阻絲的溫度變化時，其電阻也將改變。敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可表示為 Rt=R0(1+α 0Δ t) (27) 式中： Rt 是溫度為 t 時的電阻值； R0 是溫度為 t0 時的電阻值； α 0是金屬絲的電阻溫度系數(shù) 當溫度變化Δ t 時，電阻的變化為 Rα =RtR0=R0α 0Δ t (28) 式中，Δ t 為溫度的變化值，Δ t=tt0。 ② 電阻 絲和應變試件線膨脹系數(shù)不同引起的阻值變化 當試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時，由于環(huán)境溫度的變化，電阻絲會產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻變化。 設電阻絲和試件在溫度為 0℃時的長度均為 L0，它們的線膨脹系數(shù)分別為 β s 和 β g，若兩者不粘貼，溫度變化后的長度分別為 電阻絲： Ls=L0(1+β sΔ t) 試件： Lg=L0(1+β gΔ t) 粘在一起時，電阻絲跟隨試件改變，附加應變?yōu)? (29) 附加的電阻變化是 (210) ③ 溫度系數(shù)和線膨脹系數(shù)引起的虛應變 由式 (28)和式 (210)，可得由于溫度變化而引起的應變片電阻相對tL LLL L SgSg ??????? )(00 ??? ?00 ()gSR KR KR t?? ? ? ?? ? ? ? ? 第 7 頁 變化總量為 (211) (211)式中，α為應變片粘貼后的當量電阻溫度系數(shù)，有 α =α 0+K(β gβ s) (212) 對應的虛應變?yōu)? (213) ⑵ 電阻應變片的溫度補償 ① 自補償法 自補償法是利用自身具有溫度補償作用的應變片 (稱之為溫度自補償應變片 )來進行補償?shù)摹Ｓ墒?(212)可知，如果 應變片金屬絲的電阻溫度系數(shù) α 0 滿足 α 0=K(β gβ s) (214) 則溫度引起的虛金屬絲應變?yōu)榱?，可實現(xiàn)自補償。 由于應變片金屬絲的電阻溫度系數(shù) α 0 與應變柵材料、退火溫度等有關(guān)，因此當被測試件的線膨脹系數(shù) β g 已知時，如果合理選擇敏感柵材料，控制相關(guān)工藝參數(shù)，即可使電阻溫度系數(shù) α 0 滿足式 (214)的條件。 ② 線路補償法 應變片一般用電橋作為轉(zhuǎn)換電路，如 圖 24 所示。該電路為單臂電橋， R1 是應變片，其余為同阻值 的固定電阻。如果 R2 處接入一個與 R1 具有相同溫度虛應變的電阻，則可起到溫度補償?shù)淖饔?。一般地，通過在不受力的試件上粘貼另一片應變片接入 R2 位置而達到溫度補償?shù)哪康摹? 如果采用半橋、全橋轉(zhuǎn)換電路，電橋本身就能自補償。另外，將熱敏電阻接入電路，通過熱敏電阻隨溫度變化而引起的電阻變化調(diào)整供橋電壓，使之與溫度變化引起的輸出變化方向相反 (可選擇正溫度系數(shù)或負溫度系數(shù)的熱敏電阻 )，也能起到補償作用 圖 24 單臂電橋轉(zhuǎn)換電路 0tt RR tKK?? ?? ? ??000 ()t gSRRR t K t tRR ?? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? 第 8 頁 電阻應變式傳感器的測 量電路 直流電橋 ⑴ 電橋平衡條件和調(diào)零 直流電橋轉(zhuǎn)換電路如 圖 25(a)所示。 當 RL=∞時，輸出電壓為 (215) 電橋達到平衡時，輸出電壓為零，令 Uo=0，由式 (215)得 (216) 式 (216)即為直流電橋的平衡條件。 圖 25 直流電橋轉(zhuǎn)換電路和調(diào)零電路 當式 (216)不滿足時，輸出電壓 U0 不為零，此時需要調(diào)零電路完成調(diào)零。 圖 25(b)是典型的直流 Rr 可以補償 RR R R4 間的不平衡。 ⑵ 電橋的電壓靈敏度 ① 單臂電橋的電壓靈敏度 單臂