【正文】 件分布如圖所示 : 圖 25 應(yīng)變片對(duì)應(yīng)變波的動(dòng)態(tài)響應(yīng) ε 0 ε l l xt λ ε x 應(yīng)變片 瞬時(shí) t 時(shí)應(yīng)變波沿構(gòu)件分布為： ? ? 00 2s i n s i n 2 1 2x t x?? ? ? ? ?? ? ?（ ）tt x???? 2s in0?應(yīng)變片中點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)? 應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變?yōu)闁砰L(zhǎng) l 范圍內(nèi)的平均應(yīng)變 ε m， 而不是 xt點(diǎn)的應(yīng)變 ， 其數(shù)值等于 l 范圍內(nèi)應(yīng)變波曲線下的面積除以 l。 由于應(yīng)變片測(cè)量的是其長(zhǎng)度范圍內(nèi)的平均應(yīng)變 。 εlim 真實(shí)應(yīng)變 εz 指示應(yīng)變 εi 圖 24 應(yīng)變片的應(yīng)變極限 177。 解決方案： 充分固化 金屬應(yīng)變片的主要特性 5. 應(yīng)變極限 在一定溫度下 ， 應(yīng)變片的指示應(yīng)變對(duì)測(cè)試值的真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)誤差不超過(guò)規(guī)定范圍 （ 一般為 10%） 時(shí)的值 最大真實(shí)應(yīng)變值 。 一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的方向相反 。 產(chǎn)生的原因： ? 敏感柵通電后的溫度效應(yīng)； ? 應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化； ? 粘結(jié)劑固化不充分等 。 產(chǎn)生原因： 應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后的殘余變形 ， 使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化； 在制造或粘貼應(yīng)變片時(shí) ， 敏感柵受到的不適當(dāng)?shù)淖冃危? 粘結(jié)劑固化不充分等 。 2. 橫向效應(yīng) 金屬應(yīng)變片的主要特性 3. 機(jī)械滯后 應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上 ， 當(dāng)溫度恒定時(shí) ， 其加載特性與卸載特性不重合 ， 即為 機(jī)械滯后 。 即： 可見(jiàn)， r愈小、 l愈大，則 H愈小。 設(shè)敏感柵有 n根縱柵 ， 每根長(zhǎng)為 l， 橫柵半徑為 r， 在軸向應(yīng)變 ε 作用下 應(yīng)變片敏感柵的總變形為 : ? ? ? ?rrnrnnlLLL ????2121221??????????rSSS KLrnKLrnnlLLKRR ????2)1(2)1(2 ???????? x y rR KKR??? ??Sx KLrnnlK2)1(2 ????Sy KLrnK2)1( ???可見(jiàn) ， 敏感柵電阻的相對(duì)變化分別是 ε和 εr作用的結(jié)果 。 金屬應(yīng)變片的主要特性 2. 橫向效應(yīng) b l 柵長(zhǎng) 柵寬 實(shí)際上 ， 構(gòu)件橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的方向總是相反的 ， 因此橫向效應(yīng)的存在將減小應(yīng)變片的靈敏度 。 被測(cè)體 應(yīng)變片 Ｆ Ｆ (1)膠層傳遞變形失真 (2)橫向效應(yīng)。 這種應(yīng)變片有較高的靈敏度系數(shù)，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。 缺點(diǎn)： 電阻值分散性大 ， 有的相差幾十 Ω， 故需要作阻值調(diào)整；生產(chǎn)工序較為復(fù)雜 ， 因引出線的焊點(diǎn)采用錫焊 ， 因此不適于高溫環(huán)境下測(cè)量；此外價(jià)格較貴 。 ③ 箔柵的尺寸準(zhǔn)確 、 均勻 ， 且能制成任意形狀 ， 特別是為制造應(yīng)變花和小標(biāo)距應(yīng)變片提供了條件 ， 從而擴(kuò)大了應(yīng)變片的使用范圍 。 第三 ， 箔柵的端部較寬 ， 橫向效應(yīng)較小 ， 因而提高了應(yīng)變測(cè)量的精度 。 ① 金屬箔柵很薄 ， 與試件表面的應(yīng)力狀態(tài)更為接近 。 金屬絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 金屬應(yīng)變式傳感 器 金屬箔式應(yīng)變片 利用光刻 、 腐蝕等工藝制成一種很薄的金屬箔柵 ， 厚度一般在 ~ mm， 粘貼在基片上 ， 上面再覆蓋一層薄膜而制成 。 常用的有聚丙烯酸酯 、 酚醛樹(shù)脂 、 有機(jī)硅樹(shù)脂 ， 聚酰亞胺等 。 常用的粘結(jié)劑： 分為 有機(jī) 和 無(wú)機(jī) 兩大類 。 金屬絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 金屬應(yīng)變式傳感器 2 3 4 1 粘結(jié)劑 作用： 1將敏感柵固定于基底上 ， 并將蓋片與基底粘貼在一起 。 對(duì)引線材料的性能要求 ：電阻率低 、 電阻溫度系數(shù)小 、抗氧化性能好 、 易于焊接 。 基底的全長(zhǎng)稱為 基底長(zhǎng) ，其寬度稱為 基底寬 。 金屬絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 金屬應(yīng)變式傳感器 2 3 4 1 基底 2和 蓋片 3 基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對(duì)位置。 金屬應(yīng)變式傳感器 2 3 4 1 1敏感柵 對(duì)敏感柵的材料的要求： ① 應(yīng)變靈敏系數(shù)大 ， 并在所測(cè)應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)； ② 電阻率高而穩(wěn)定 ， 以便于制造小柵長(zhǎng)的應(yīng)變片； ③ 電阻溫度系數(shù)要?。? ④ 抗氧化能力高 ， 耐腐蝕性能強(qiáng)； ⑤ 在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度； ⑥ 加工性能良好 ,易于拉制成絲或軋壓成箔材； ⑦ 易于焊接 ， 對(duì)引線材料的熱電勢(shì)小 。電阻應(yīng)變片的阻值為 60Ω、120Ω、 200Ω等多種規(guī)格，以 120Ω最為常用。 因此 ， 應(yīng)根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇 。 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 金屬應(yīng)變式傳感器 金屬電阻應(yīng)變片主要有三種： ? 金屬絲式 ? 箔式 ? 薄膜式 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 金屬應(yīng)變式傳感器 典型的電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖 由 敏感柵 基底 蓋片 引線 4和 粘結(jié)劑 等組成 。 金屬絲式應(yīng)變片的基本工作原理 金屬應(yīng)變式傳感器 由 《 材料力學(xué) 》 泊松定律 ，在彈性范圍內(nèi)金屬絲 軸向應(yīng)變 ε和 徑向應(yīng)變 εr的關(guān)系為： ???? )21( ??? cvdvcdR L SR L S??? ? ? ?? ? ?rrdrsds ?22 ???εr： 徑向應(yīng)變 ??? ??r無(wú)應(yīng)變時(shí)的電阻值 [ ( 1 2 ) ( 1 2 ) ]RCR? ? ??? ? ? ? ?金屬絲式應(yīng)變片的基本工作原理 金屬應(yīng)變式傳感器 代入得： R L SR L S??? ? ? ?? ? ?RR?金屬材料的泊松比 ?金屬材料的某個(gè)常數(shù) C軸向應(yīng)變大小 ?LL???[ ( 1 2 ) ( 1 2 ) ]SKC ??? ? ? ?SRKR????應(yīng)變靈敏系數(shù) SK ???? sKc?Ks約在 ~ 無(wú)應(yīng)變時(shí)的電阻值有應(yīng)變時(shí)的電阻值變化大小 金屬材料的泊松比金屬材料的某個(gè)常數(shù)軸向應(yīng)變大小金屬絲式應(yīng)變片的基本工作原理 金屬應(yīng)變式傳感器 金屬絲受到應(yīng)變的作用會(huì)引起金屬絲阻值發(fā)生變化。 應(yīng)變效應(yīng)： 導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受到外界力的作用時(shí)產(chǎn)生機(jī)械變形，導(dǎo)致其阻值發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為 應(yīng)變效應(yīng) 。 半導(dǎo)體 壓阻式傳感器 半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng) 。第 2章 應(yīng)變式傳感器 各種電子秤 ?廣泛應(yīng)用于－ 概述 第 2章 應(yīng)變式傳感器 第 章 應(yīng)變式傳感器概述 第 章 應(yīng)變式傳感器高 精 度 電 子 汽 車 衡 動(dòng)態(tài)電子秤 電子天平 概述 第 2章 應(yīng)變式傳感器 機(jī)械秤包裝機(jī) 吊秤 概述 第 2章 應(yīng)變式傳感器 概述概述 第 章 應(yīng)變式傳感器第 章 應(yīng)變式傳感器第 章 應(yīng)變式傳感器5 斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測(cè)試 第 2章 應(yīng)變式傳感器 概述 ?結(jié)構(gòu)受力和變形測(cè)量 ?可制成多種用途的傳感器，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。 第 2章 應(yīng)變式傳感器 金屬應(yīng)變片式傳感器 金屬應(yīng)變效應(yīng) 。 概述 有兩種類型： 金屬應(yīng)變片式傳感器 ? 基本原理 ? 基本結(jié)構(gòu) ? 基本測(cè)量電路 ? 主要特性 ? 溫度誤差及其補(bǔ)償 ? 常用應(yīng)變式傳感器 第 2章 應(yīng)變式傳感器 金屬應(yīng)變式傳感器的核心元件是 電阻應(yīng)變片 ，它可將試件上的 應(yīng)變的 變化轉(zhuǎn)換成 電阻變化 。 金屬應(yīng)變片式傳感器 金屬絲式應(yīng)變片的基本工作原理 金屬絲式應(yīng)變片的基本工作原理 金屬應(yīng)變式傳感器 對(duì)于一長(zhǎng)為 L、 橫截面積為 S、 電阻率為 ρ 的 金屬絲 ， 其電阻值 R為： LRS??受力 F 2r L 金屬絲式應(yīng)變片的基本工作原理 當(dāng)受到軸向拉力 F作用時(shí) ， 金屬絲幾何尺寸變化引起電阻的相應(yīng)變化： LRS?? 金屬應(yīng)變式傳感器 R L SR L S??? ? ? ?? ? ?LL? ??應(yīng)變 ： μ為金屬材料的 泊松系數(shù) 。 應(yīng)變式傳感器的工作原理： SRKR????根據(jù)這種原理可以制成各種應(yīng)變片。 這些部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能 。 2 3 4 1 b l 柵長(zhǎng) 柵寬 ?金屬絲式應(yīng)變片基本結(jié)構(gòu) 金屬絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 金屬應(yīng)變式傳感器 2 3 4 1 1敏感柵 由金屬細(xì)絲繞成柵形。 應(yīng)變片柵長(zhǎng)大小關(guān)系到所測(cè)應(yīng)變的準(zhǔn)確度，應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變大小是應(yīng)變片柵長(zhǎng)和柵寬所在面積內(nèi)的平均軸向應(yīng)變量。 對(duì)應(yīng)變片要求必須根據(jù)實(shí)際使用情況 ， 合理選擇 。蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對(duì)位置，還可保護(hù)敏感柵。 金屬絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 金屬應(yīng)變式傳感器 2 3 4 1 引線 4 是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線 。 大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線 。 ， 構(gòu)成傳感器 。 有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫 、 常溫和中溫 。 無(wú)機(jī)粘結(jié)劑用于高溫 ， 常用的有磷酸鹽 、 硅酸 、 硼酸鹽等 。 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 金屬應(yīng)變式傳感器 金屬箔式應(yīng)變片和絲式應(yīng)變片相比較 ， 有如下 特點(diǎn) 。 其次 ，接觸面積比絲材大 ， 使它能更好地和試件共同工作 。 ② 箔材表面積大 ， 散熱條件好 ， 故允許通過(guò)較大電流 ， 因而可以輸出較大信號(hào) ， 提高了測(cè)量靈敏度 。 ④ 便于成批生產(chǎn) 。 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 金屬應(yīng)變式傳感器 金屬薄膜應(yīng)變片 采用真空蒸鍍或?yàn)R射式陰極擴(kuò)散等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以形成應(yīng)變片。 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 金屬應(yīng)變式傳感器 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 金屬應(yīng)變式傳感器 金屬應(yīng)變計(jì) 金屬應(yīng)變式傳感器 金屬應(yīng)變片的主要特性 金屬應(yīng)變片的主要特性 1. 靈敏度系數(shù) ?KRR ??應(yīng)變片 的靈敏系數(shù) K表示， K恒小于 KS。 主要原因 : 金屬應(yīng)變絲 的靈敏度系數(shù) KS表示。 應(yīng)變片的這種既受軸向應(yīng)變影響 ， 又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為 橫向效應(yīng) 。 ? ?? ? rnnlrnKKHxy??121?????橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)之比值 ， 稱為 橫向效應(yīng)系數(shù) H。即敏感柵越窄、基長(zhǎng)越長(zhǎng)的應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)引起的誤差越小。 Δε Δε1 機(jī)械應(yīng)變 εR 卸載 加載 指示應(yīng)變?chǔ)舏 圖 23 應(yīng)變片的機(jī)械滯后 金屬應(yīng)變片的主要特性 3. 機(jī)械滯后 減小措施： 通常在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件預(yù)先加 、 卸載若干次 ， 以減少因機(jī)械 滯后所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差； 粘結(jié)劑充分固化 。 金屬應(yīng)變片的主要特性 4. 零點(diǎn)漂移和蠕變 對(duì)于粘貼好的應(yīng)變片 ， 當(dāng)溫度恒定時(shí) ， 不承受應(yīng)變時(shí) ， 其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性 ， 稱為應(yīng)變片的 零點(diǎn)漂移 。 解決方案： 老化、充分固化 金屬應(yīng)變片的主要特性 4. 零點(diǎn)漂移和蠕變 如果在一定溫度下 ， 使應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變 ，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性稱為 蠕變 。 產(chǎn)生的原因： 由于膠層之間發(fā)生 “ 滑動(dòng) ” ， 使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少 。 反應(yīng)應(yīng)變片可工作的正常上限 。 10% 1 ||100%ziz???????金屬應(yīng)變片的主要特性 6. 動(dòng)態(tài)特性 應(yīng)變片本身質(zhì)量很輕 ， 所以動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性比較好 ， 通常應(yīng)變式傳感器的動(dòng)態(tài)特性主要取決于彈性元件的動(dòng)態(tài)性能 。 動(dòng)態(tài)特性由應(yīng)變片長(zhǎng)度決定 。 vf??ε0 εl l xt λ ε x 應(yīng)變片 ???????????llxx d xltxxmltltsi n2si n2si n10022??? ???即： 平均應(yīng)變 εm與中點(diǎn)應(yīng)變 εt相對(duì)誤差 δ為： si 2n1 31 1 t m mttl