【正文】 二章 電阻式傳感器 一、工作原理 ★ 金屬的電阻應變效應 定義： 當金屬絲在外力作用下發(fā)生 機械變形 時，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應變效應。 （ 2－ 2） ?????????SSllRR山東理工大學機械學院 第二章 電阻式傳感器 用橫向、徑向應變、泊松系數(shù)帶入后電阻變化率為： 受力后材料幾何尺寸變化（ 1+2μ ）；材料電阻率的變化（ Δρ/ρ ） /ε 。 通常金屬絲的靈敏系數(shù) k0=2左右。 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 。2基底 。4引線 1 2 山東理工大學機械學院 第二章 電阻式傳感器 應變片的測量原理： ? 直接用應變片測量 受力應變 時，將應變片粘貼于被測對象表面上。 ? 應用轉換電路和儀器測出 ΔR ，根據(jù)式（ 23），可得彈性試件的應變值 ε 。 山東理工大學機械學院 第二章 電阻式傳感器 山東理工大學機械學院 第二章 電阻式傳感器 山東理工大學機械學院 第二章 電阻式傳感器 應變片的優(yōu)點： ? 測量應變的靈敏度和精確度高，性能穩(wěn)定、可靠，可測1～ 2με ，誤差小于 1％。測量時對被測件的工作狀態(tài)和應力分布影響較小。 ? 測量范圍大。變形范圍可從 1％～ 2％至 20％。可在高溫、超低溫、高壓、水下、強磁場以及核輻射等惡劣環(huán)境下使用。 山東理工大學機械學院 第二章 電阻式傳感器 二、應變片的類型和材料 ★ 三種 類型： 金屬絲式，金屬箔式和金屬薄膜式。 – 引線多用 ～ 鍍錫銅線 與敏感柵相接。但因彎曲部的變形使其 橫向效應較大 。 – 由于焊點多，易在焊點處出現(xiàn) 疲勞損壞 ，制造工藝要求高，使用較少。 山東理工大學機械學院 第二章 電阻式傳感器 金屬箔式應變片 制作工藝：箔式應變片是在絕緣基底上，將厚度為～ ，利用 照相制板 或 光刻腐蝕 的方法，制成適用于各種需要的形狀。 2. 與被測試件接觸面積大，粘結性能好。 3. 橫向效應可以忽略。 箔式應變片的缺點： 電阻值的 分散性大 ，有的能相差幾十歐坶，故需要作阻值調整。 特點： 電阻值高于箔式，形狀和尺寸更精確；散熱性好，適于較寬溫度范圍，應達－ 197～ 317℃ ；電阻值精度高，達 %；無膠結，避免了分選和粘貼。 對粘合劑要求： （ 1）有一定的粘結強度； （ 2）能準確傳遞應變，有足夠的剪切彈性模量； （ 3）蠕變、機械滯后??； （ 4）有足夠的穩(wěn)定性能； （ 5）耐濕、耐油、耐老化、耐疲勞等。 山東理工大學機械學院 第二章 電阻式傳感器 粘貼工藝 （ 1）應變片的檢查和阻值檢查； （ 2）試件表面處理，為了使應變片牢固地粘貼在試件表面上，必須將要貼片處的表面部分打磨，使之平整光潔。 山東理工大學機械學院 第二章 電阻式傳感器 三、金屬應變片的主要特性 靈敏系數(shù) 定義：應變片安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應力作用下， 應變片的阻值相對變化 與 試件表面上安裝應變片區(qū)域的軸向應變 之比。 ? 測定時必須 按規(guī)定的標準 ，例如受軸向單向力（拉或壓），試件材料為泊松系數(shù) μ =。 ? 實驗表明， 電阻應變片的靈敏系數(shù) k恒小于電阻絲的靈敏系數(shù) k0，其原因除了 粘結層傳遞變形失真 外，還存在有 橫向效應 。 ? 直線段 ：金屬絲只感受沿軸向拉應變 ε x，電阻值將增加； ? 圓弧段 ：沿各微段軸向（即微段圓弧的切向）的應變卻并非是 ε x，因此與直線段上同樣長度的微段所產生的電阻變化就不相同，最明顯的在 θ =л /2處微圓弧段上，按泊松關系，在垂直方向上產生負的壓應度 ε y，因此該段的電阻是減小的。 山東理工大學機械學院 第二章 電阻式傳感器 結論： 將直的電阻絲繞成敏感柵之后，雖然長度相同，但應變狀態(tài)不同，其靈敏系數(shù)降低了。 當實際使用應變片時，使用條件與標定靈敏系數(shù) k時的標定規(guī)則不同時， 實際 k值要改變 ，由此可能產生較大測量誤差。 山東理工大學機械學院 第二章 電阻式傳感器 機械滯后 應變片安裝在試件上以后，在一定溫度下，其（ Δ R/R） –ε 的 加載特性與卸載特性不重合 ，在同一機械應變值 ε g下，其對應的Δ R/R值（相對應的指示應變 ε i）不一致。 山東理工大學機械學院 第二章 電阻式傳感器 機械滯后產生的原因： 敏感柵、基底和粘合劑在承受機械應變后所留下的殘余變形所造成的。 山東理工大學機械學院 第二章 電阻式傳感器 零漂和蠕變 零漂： 粘貼在試件上的應變片，在溫度保持恒定、不承受機械應變時，其電阻值隨時間而變化的特性，稱為應變片的零漂。一般蠕變的方向與原應變量變化的方向相反。實際上，蠕變中即包含零漂，因為零漂是不加載的情況，它是加載情況的特例。 山東理工大學機械學院 第二章 電阻式傳感器 應變極限和疲勞壽命 應變極限 ：是指在一定溫度下，應變片的指示應變 ε i對測試值的真實應變 ε g的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為 10％）時的最大真實應變值 ε j。 當出現(xiàn)以下三種情況之一時，都認為是疲勞損壞： （ 1）應變片的敏感柵或引線發(fā)生斷路； （ 2）應變片輸出指示應變的幅值變化 10％； （ 3）應變片輸出信號波形上出現(xiàn)穗狀尖峰。 山東理工大學機械學院 第二章 電阻式傳感器 最大工作電流和絕緣電阻 最大工作電流： 是指允許通過應變片而不影響其工作的最大電流值。 選擇依據(jù) ： 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。對于導熱性能差的試件，例如塑料、陶瓷、玻璃等，工作電流要取小些。通常要求 50MΩ ～ 100MΩ 以上。 山東理工大學機械學院 第二章 電阻式傳感器 應變片的電阻值 R 概念：應變片在未經安裝也不受外力情況下，于室溫下測得的電阻值，是使用應變片時需知道的一個特性參數(shù)。 山東理工大學機械學院 第二章 電阻式傳感器 動態(tài)響應特性 ? 研究動態(tài)響應特性時應變片的測量對象：變化頻率較高的動態(tài)應變 ，即 應變波 。 ? 應變片反映的是 應變片敏感柵長度各相應點應變量的平均值 。 ? 根據(jù)上式，可進行動態(tài)應變測量時的誤差計算或選擇應變片柵長以滿足某種頻率范圍內的誤差要求。 山東理工大學機械學院 第二章 電阻式傳感器 四、轉換電路 電阻應變片把機械應變信號轉換成電阻相對變化 ΔR/R 后，還要把電阻的變化轉換成電壓或電流變化，便于電測儀表的測量。根據(jù)電源的不同，電橋分 直流電橋 和 交流電橋 。 不平衡直流電橋的工作原理及靈敏度 當電橋后面接放大器時，可以把電橋輸出端看成開路，見圖 2－9(b)?？傻? （ 2－ 6） （ 2－ 7） 山東理工大學機械學院 第二章 電阻式傳感器 電橋靈敏度 定義為 ，可得單臂工作應變片的電橋電壓靈敏度為 討論： ku與電橋電源電壓成正比，電源電壓的提高，受應變片允許功耗的限制。當電橋電源電壓 U一定時， n應取何值時，電橋靈敏度最高。 當 n＝ 1時，由式（ 27）得 山東理工大學機械學院 第二章 電阻式傳感器 （ 2－ 8） （ 2－ 9） 結論： ?當電源電壓 U及電阻相對值一定時，電橋的輸出電壓及電壓靈敏度將與各臂阻