传感器原理及其应用 第2章 电阻应变

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1、第2章电阻应变式传感器ResistanceStrainGage传感器原理及应用PrincipleandApplicationofSensors电阻应变式传感器概述工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力作用下电阻值变化的效应——电阻应变效应结构简单，使用方便可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；弹性敏感元件力、压力、位移电阻应变片电桥电路RU易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测；灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；应变片用于各种电子衡器磅秤电子天平材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试汽车衡称重系统汽车衡2.1电阻应变片的工作原理——金属的电阻－

2、应变效应金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。——金属丝的轴向应变；——金属丝的径向应变（dS/S=2dr/r）εx=-μεY；μ——泊松系数；(Poissonratio)式中：KS——金属丝的灵敏系数；(gagefactor)令：在金属丝的弹性范围内，灵敏系数KS为常数，即：线性关系x通常很小，常用10-6表示之。例如，当x为0.000001时，在工程中常表示为110-6或m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变(με)。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴

3、向应变最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。2.2.1应变片的基本结构2.2电阻应变片的结构、种类和材料2.2.2应变片的种类1.金属丝式应变片(bondedmetal-wiregage)直径在0.012～0.05mm的金属丝；2.金属箔式应变片(bondedmetal-foilgage)厚度在0.001～0.01mm的金属箔；箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好

4、，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。3.金属薄膜式应变片(vacuum-depositedthin-metal-filmgage,sputter-depositedthin-metal-filmgage)厚度在0.1μm以下的金属箔；2.2.3应变片的材料1.敏感栅材料对敏感栅的材料的要求：①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；③电阻温度系数要小；④

5、抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。常用材料有：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、铂、铂钨合金等，如下表。材料名称化学成分%电阻率ρ/(Ω·mm²/m)电阻温度系数α/（10-6/℃）灵敏系数Ks线膨胀系数β/（10-6/℃）最高使用温度/℃康铜Cu55Ni450.45~0.52±202.015250(静态)400(动态)镍铬合金Ni80Cr201.0~1.1110~1302.1~2.314450(静态)800(动态)卡玛合金6J22Ni74

6、,Cr20Al3,Fe31.24~1.42±202.4~2.613.3450(静态)800(动态)伊文合金6J23Ni75,Cr20Al3,Cu21.24~1.42±202.4~2.613.3450(静态)800(动态)铁铬铝合金Fe余量Cr26,Al5.41.3~1.5±30~402.614550(静态)1000(动态)铂钨合金Pt90.5~91.5W8.5~9.50.74~0.76139~1923.0~3.29800(静态)1000(动态)铂Pt0.09~0.1139004.69800(静态)1000(动态)铂铱合金Pt80,Ir200.35901.

7、013800(静态)1000(动态)基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。基底材料有纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚度约0.03～0.05mm2.基底材料3.黏合剂材料用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯

8、酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸