【導讀】成某種可用信號的器件或裝置。所謂“可用信號”，是指便于傳輸、便于處理的信號。就目前而言，電信號。最為滿足便于傳輸、便于處理的要求。因此，傳感器的狹義定義為：能把外界非。片就是轉換元件。感器，溫度傳感器，濕度傳感器，磁傳感器，色傳感器，等。等，多而彼此獨立；技術(工藝)的復雜性：微電子/機械加工技術，特種加工技術，智能化技術；品種的多樣性與用途的廣泛性。與自動控制系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)。即研究新的傳感器材料和工藝，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象。具有自診斷、自動選擇量程、存儲補償數(shù)據(jù)等功能。傳感器的基本特性是外特性，但由其內(nèi)部結構參數(shù)決定。傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間的線性程度。該特性在原點附近較大范圍內(nèi)具有較寬的準線性。max為實際靜態(tài)特性曲線與擬合直線之間的非線性誤差的最大值。因此，可對非線性傳感器通過

　　

【正文】 （ 22） 式中： l —— 金屬導體長度； ? —— 電阻率； S —— 金屬導體截面積。 當受拉力 F 作用時， 將伸長 l? ，橫截面積相應減小 S? ， 電阻率 ? 則因晶格變形等因素的影響而改變 ?? ，故引起電 阻變化 ?R 。將式（ 22）全微分，并利用相對變化量表示， 則有 ： （ 23） 式中 /ll??? ，為金屬導體電阻絲的軸向應變，常用單位 ??( ?? =1R R R RK ll ??????lR S??R l SR l S ??? ? ? ?? ? ? 32 106? mm/mm)。 ∵ rS 2?? = 42d? ∴242 ddddS ????? ?? 因此，d dddddSS dd ???????? 2424/2 22???? 式中：dd?為徑向應變。 由材料力學可知：dd?= )(ll???=?? 式中， ? 為電阻絲材料的泊松比。 ???? ????? )21(RR （ 24） 其應變靈敏系數(shù)為： ?RRK ?? ? ??? ???? )21( （ 25） 應變靈敏系數(shù) 受力后材料幾何尺寸變化引起， )21( ?? 項 K 的兩個因素 受力后材料電阻率 ? 變化引起， ??? 項 結論： （ 1） 對于金屬材料，???比較小，相比 )21( ?? 可略去，且 ? =~，則：K =~，而實測 K =，說明 ???? 項對 K 有一定影響。 （ 2） 對于半導體材料， ???? 項比 )21( ?? 大得多，可記為 K = ???? 。 （ 3）一般情況下，在應變極限內(nèi)，金屬材料電阻的相對變化與應變成正比。即： ???? KRR （ 26） 使用應變片測量應變或應力時，將應變片牢固地粘貼在彈性試件上，當試件受力變形時，應變片電阻變化 ?R。如果應用測量電路和儀器測出 ?R，根據(jù)式（ 26），可得彈性試件的應變值 ? ，而根據(jù)應力 應變關系： 33 ?= E?， （ 27） 可以得到被測應力值 ? 。其中， E— 試件材料彈性模量； ?— 試件的應力；?— 試件的應變。 力 F → 應力 ? → 應變 ?(?=?/E) → ?R 通過彈性敏感元件的作用，可以將應變片測應變的應用擴展到能引起彈性元件產(chǎn)生應變的各種非電量的測量，從而構成各種電阻應變式傳感器。 應變片的結構，材料和類型 金屬電阻應變片的結構，如圖 22所示， 即 敏感柵 、 基底 、 蓋片 、 引線和粘結劑組成。 圖 22 電阻應變片的基本結構 1基底 ； 2敏感柵 ； 3覆蓋層 ； 4引線 1．敏感柵 絲式 （分為回路式和短接式） 按材料形狀和制造工藝分 箔式 薄膜式 1）絲式應變片 ,?=～ 金屬細絲繞成柵狀 ,柵長 l=， ， ，100， 200mm 等 ，使用較少 。 2）箔式應變片 ,由厚度為 ～ 的金屬箔片制成各種圖形的敏感柵 ,亦稱應變花 ,如圖 24所示。其優(yōu)點 有： ① 制造技術能保證敏感柵尺寸準確，線條均勻和適應各種不同測量要求的形狀，其柵長可做到 ； ② 敏感柵薄而寬，與被測試件粘貼面積大，黏結牢靠，傳遞試件應變性能好； ③ 散熱條件好，允許通過較 大的工作電流，從而提高了輸出靈敏度； ④ 橫向效應?。? ⑤ 蠕變和機械滯后小，疲勞壽命長。 圖 24 箔式電阻應變片 34 3) 金屬薄膜應變片 利用 真 空鍍膜等方式在絕緣基底上制成各種形狀的薄膜敏感柵 ,膜厚小于1?m。這種應變片具有比箔式應變片更多的優(yōu)點 （應變靈敏系數(shù)高，允許工作電流密度大，工作溫度范圍寬） 。 4) 敏感柵材料的性能要求： ① 應變靈敏系數(shù)較大，且在所測應變范圍內(nèi)保持常數(shù)； ② 電阻率高而穩(wěn)定，便于制造小柵長的應變片； ③ 電阻溫度系數(shù)較小，電阻 溫度間的線性關系和重復性好； ④ 機械強度 高，輾壓及焊接性能好，與其他金屬之間的接觸電勢??； ⑤ 抗氧化，耐腐蝕性能強，無明顯機械滯后； 作用 ： 保持敏感柵和引線的幾何形狀和相對位置，絕緣。 一般為厚度 ～ 的環(huán)氧樹脂，酚醛樹脂等膠基材料。 對基底和蓋片材料的性能要求： ① 機械強度好，撓性好； ② 粘貼性能好； ③電絕緣性好； ④ 熱穩(wěn)定性和 抗 溫性好； ⑤ 無滯后和蠕變。 作用：連接敏感柵和外接導線。 一般采用 ?=～ 的銀銅線 、 鉻鎳線 、 卡馬線 、 鐵鉛絲等 ， 與敏感柵點焊焊接。 作用： 將敏感柵固定于基片上，并將蓋片與基底粘結在一起；使用時，用粘結劑將應變片粘貼在試件的某一方向和位置，以便感受試件的應變。 粘結劑材料：有機和無機兩大類。 粘貼工藝：應變片靜放于試件上，粘貼牢固可靠。 金屬電阻應變片的主要特性 ( 0R ) 未安裝的應變片， 不受外力作用情況下 ,于室溫條件測定的電阻值 (原始電阻值 ),已標準化 。 主要有 60、 1 350、 600、 1000Ω等各種規(guī)格。 敏感柵與基底之間電阻值 ,一般應大于 1010 Ω。 35 指不因電流產(chǎn)生的熱量影響測量精度，應變片允許通過的最大電流。 靜態(tài)測量時，允許電流一般為 25 mA ； 動態(tài)測量時，允許電流可達 75～ 100 mA 。 (K) 電阻應變片的電阻 應變特性與金屬絲時不同，須用實驗法對電阻應變片的靈敏系數(shù) K重新測定。 測定方法： 將應變片安裝于試件（泊松比 ?= 的鋼材）表面，在其軸線方向的單向應力作用下，且保證應變片軸向與主應力軸向一致的條件下，應變片阻值 的 相對變化與試件表面上安裝應變片區(qū)域的軸向應變之比，即 RRKll???（根據(jù)式（ 25） RRK ??? 和 ll? ?? 可得） ，且一批產(chǎn)品只能進行抽樣（ 5%）測定，取平均 K 值及允許公差值為應變片的靈敏系數(shù)，有時稱 “ 標稱靈敏系數(shù) ” 。 K 值的準確性直接影響測量精度，其誤差大小是衡量應變片質量優(yōu)劣的主要標志，要求 K 值盡量大且穩(wěn)定， 一般情況下 K ≈ 。 電阻應變片靈敏系數(shù) K 小 粘結層傳遞變形失真 于 電阻絲靈敏系數(shù)的原因 橫向效應影響 （ 1）金屬 應變片的 橫向效應 ： 將金屬絲繞成敏感柵構成應變片后，在軸向單向應力作用下，由于敏感柵“ 橫柵段 ” （圓弧或直線）上的應變狀態(tài)不同于敏感柵 “ 直線段 ” 上的應變，使應變片敏感柵的電阻變化較相同長度直線金屬絲在單向應力作用下的電阻變化小，因 此，靈敏系數(shù)有所降低，這種現(xiàn)象稱為應變片的 橫向效應 。如圖 25所示。 圖 25 橫向效應 （ 2） 將應變片粘貼在受單向拉伸應力試件時，其電阻相對變化可表示為： （ 28） 當y?=0 時，可得軸向靈敏系數(shù)： xK =()xxRR?? （ 29） yyxx KKRR ?? ??? 36 當 x? =0 時，可得 橫 向靈敏系數(shù)：yK=()yyRR?? （ 210） （ 3） 橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)的比值稱為橫向效應系數(shù) H， KKxyH /?，可得： （ 211） 應當指出，制造廠商在標定應變片的靈敏系數(shù) K 時，是按規(guī)定的特定應變場（單向應力場， ?=）下進行的，標定出的 K 值實際上也將橫向效 應的影響包括在內(nèi)，只 有 應變片在實際使用時，符合特定條件（如平面應力狀態(tài)，或試件的 ?≠ ）， 才 會引起一定的橫向效應誤差，需進行修正。 應變片粘貼在試件上，應變片的指示應變 ?i 與試件的機械應變 ?m 之間應當是一確定的關系。但在實際應用時，在加載和卸載過程中，對于同一機械應變 ?j，應變片卸載時的指示應變高于加載時的指示應變，這種現(xiàn)象稱為應變片的機械滯后，如圖 26所示 ；其最大差值 ?m? 稱為應變片的機 械滯后值。 機械滯后產(chǎn)生 的主要原因： 敏感柵、基底和粘結劑在承受機械應變 m? 之后所留下的殘余變形所致。 圖 26 應變片的機械滯后 7．應變極限 對于已粘貼好的應變片，其應變極限是指在一定溫度下，指示應變 i? （書上為 m? ，認為錯誤，應該是 i? 。） 與受力試件的真實應變 m? （書上為 i? ，認為錯誤，應該是 m? 。） 的相對誤差達到規(guī)定值（一般為 10%）時的真實應變 ?j，如圖 27所示 ： ? ?yxx HKRR ?? ??? 37 圖 27 應變極限 8．零漂和蠕變 零漂 ： 粘貼在試件上的應變片，溫度保持恒定，在試件不受力（即無機械應變）的情況下，其電阻值（即指定應變）隨時間變化的特性稱為應變片的零漂 。 蠕變 ： 如果應變片承受恒定機械應變（ 1000?? 內(nèi)）長時間作用，其指示應變隨時間變化的特性稱為應變片的蠕變。 9．動態(tài)特性 應變測試中，應變片的指示應變是敏感柵覆蓋面積下的軸向 （即縱向） 平均應變。 ? 靜態(tài)測試時，應變片能正確反映它所處受力試件內(nèi)各點的應變； ? 動態(tài)測試時，應變是以應變波的形式沿應變片敏感柵的長度方向傳播，因而應變片反映的平均應變與瞬時應變有一定差異，產(chǎn)生動態(tài)誤差。 1)受力試件內(nèi)的應變波為階躍變化時 (圖 28（ a） )，應變片對其響應如圖28（ b）（理論響應）和圖 28（ c）（實際響應）所示。 圖（ b）中， 因為只有在應變波通過敏感柵全長（ l ）后，才能達到最大值，即應變片所反映的 應變波形 有一定的時間延遲。而應變波的傳播速度為 v 。∴應變片的指示應變從 0到最大值所經(jīng)歷的時間為： vlt /? 。 圖（ c）是實際響應波形，以輸出從 10%上升到 90%的最大值這段時間作為上升時間 tr ，則： tr = vl/ ? （ 212） 圖 28 應變片對階躍應變的響應特性 2) 受力試件內(nèi)的應變波為正弦變化時，考慮應變波峰值處應變片的響應情況如圖 29（ a）所示。 38 圖 29 應變片對正弦應變波的響應特性與誤差曲線 設沿試件內(nèi)傳播的應變波為 )/2sin(0 ??? ? x? ， 應變波波長為 ? ， 應變片 的基 長為 l0 ，應變片兩端點的坐標為： 24 01 lx ???和 24 02 lx ???。于是應變片沿 基長 l0 內(nèi)測得的平均應變 ?p達到最大值，其值為： （ 213） 因而， 應變波幅值測量的相對誤差 ： 1s in 0000 ???? ????? ? ?? llp （ 214） 測量誤差 ? 與應變波波長對基長的相對比值 ln 0/?? 有關，其二者的關系如圖 29（ b）所示。 l0/? 愈大， ? 愈小。 當 ln 0/?? = 10～ 20時， ?=%～ %。 利用頻 率 f 、波長 ? 和波速 v 的關系：fv??和 ln0?? 可得： lnvvf 0??? （ 215） δ 2%時，應變片的響應頻率 即上式可寫成 ： （ 216） 對于鋼材， v = 5000m/s，若取 n=20，則不同基長 l0 的應變片響應的最高工作頻率如表 23 所示 ： ? ? ? ? ? ?? ???????????? /2c o s/2c o s2/2s in120202021 xxlxxdxxxxp ?????? ? ?????? /si