第2章34讲应变式传感器ppt课件.ppt

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1、第二章应变式传感器学习重点及要求掌握应变式传感器的工作原理；理解电阻应变效应和压阻效应；了解应变式传感器的应用。概述工作原理电阻应变效应核心元件电阻应变计（应变片）主要应用力、力矩、压力、加速度、重量§2.1电阻应变效应一、工作原理当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。长度为l，截面积为S，电阻率为的金属或半导体丝，在未受力时，原始电阻为：当金属电阻丝受到轴向拉力后，长度将伸长l，横截面积将缩小s，电阻率因为晶格变化等因素的影响将改变，引起电阻值变化

2、R。l/l称为轴向应变，用表示，常用单位（1=1x10-6mm/mm）r/r称为径向应变，纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比表示。r/r=-l/lS/S=2r/rK0———灵敏度系数它受两个因素影响：一个是（1+2µ），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是/（），是材料的电阻率随应变引起的（称为压阻效应）。对于金属材料而言，以前者为主，则K01+2µ；对于半导体，K0主要由电阻率的相对变化所决定。实验表明，在金属电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与轴向应变成正比。半导体应变

3、片的灵敏度要比金属大50~100倍。应力与应变的关系：T—试件应力—试件应变E—试件的弹性模量。E=1.67×1011a常用金属敏感材料：康铜（铜镍合金）、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金等。常温下使用的应变计多由康铜制成。二、应变片分类电阻应变片是一种能将被测试件上的应变转换成电阻变化的敏感元件。（1）金属应变片a.金属丝应变片回线式短接式b.金属箔式应变片箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为0.003-0.01mm电阻箔材，利用照相制版或光刻腐蚀的方法，制成使用于各种需要的形状。箔式应变片箔式应变片的优点(

4、与金属丝应变片比较)工艺上能保证线栅的尺寸正确,阻值离散程度小;形状可以根据需要定制;敏感栅截面积为矩形,表面积大,散热好,可以通过较大的电流;厚度薄(0.003-0.01mm),有利于形变传递;蠕变小;横向效应小.c.金属薄膜应变片采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成厚度为0.1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，最后加上保护层。优点：应变灵敏度系数大,允许电流密度大。缺点：难控制电阻与温度、时间的关系。（2）半导体应变片工作机理：硅材料的压阻效应在半导体晶体上施加作用力，晶体除产生应变外，其电阻率

5、会发生变化。压阻效应：由外力引起半导体材料电阻率变化的现象称为半导体的压阻效应。半导体应变片灵敏系数很高，可达50～100。而金属仅为1.5～2。半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为：式中—半导体材料的压阻系数。实验证明，E比1+2µ大上百倍，因此1+2µ可以忽略。半导体应变计优点灵敏度高体积小具有正、负两种符号的应力效应，可以实现差动输出机械滞后小，可测量静态应变等。§2.2应变计的主要特性应变片的优点：测量应变的灵敏度和精度高；应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、响应速度快。因此既可用于静

6、态测量，又可用于动态测量，具有良好动态性能。测量范围大；能适应各种环境；价格低，品种多。应变片的缺点：非线性明显，尤其是半导体应变计；输出信号微弱，抗干扰能力差。1、应变计的灵敏度系数注意：指的是‘标称灵敏度系数’。因为应变计粘贴到试件上不能取下再用。应变计的灵敏度k恒小于金属线材的灵敏度系数k0。（为什么？）半导体材料的灵敏度系数：2、横向效应定义：将直的电阻丝绕成敏感栅以后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了，这种现象称为横向效应。因此，应变片的灵敏系数K小于电阻丝的灵敏系数KO。为了减小横向效

7、应，多采用直角线栅式应变计、箔式应变片。3.敏感栅尺寸基长：敏感栅在纵轴方向上的长度。以大为好，可减小横向效应。基宽：与应变片轴线相垂直的方向上，应变片敏感栅外侧之间的距离。以小为好，可减小尺寸。4.其他特性参数初始电阻R0指应变片未粘贴前在室温下测得的静态电阻值，常见的有120、175、350、500、1000和1500等。允许工作电流又称最大工作电流：是指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流值。一般静态测量时为25mA左右，动态测量可高一点。线性度0.05%1%应变极限10%机械滞后和热滞后零漂和蠕

8、变零漂：恒定温度下，粘贴在试件上的应变计，在不承受载荷的条件下，电阻随时间变化的特性。蠕变：恒定温度下，粘贴在试件上的应变计，在恒定机械应变长期作用下，应变随时间变化的特性。疲劳寿命1,000,000次。绝缘电阻绝缘电阻过低,造成应变计与试件之间漏电产生误差。M几何尺寸0.2㎜——100㎜影响横向效应§2.3电阻应变片的测量电路一.直流电桥电桥平衡条件：开路电压:内阻:R1R4=R2