检测技术基础3周-应变片共61页文档

说明: (1)电阻式传感器将电阻变化量转换成电能信号,如电压,电流, 才可以在仪表系统里进行传递和处理。
(2)电阻式传感器的电阻变化量R通常很小,所以转换的信号 是微弱的,需要经过调理放大后驱动显示。
应变片传感器
❖ 用途: 压力,荷重,扭矩,加速度等的测量。 ❖ 特点: 体积小,性能稳定,精度高,结构简单,测量范围大,抗干扰能力
非电量检测技术
❖ 在生产过程中，检测技术研究的对象大多数是非电量的测量技术 。常见的测量对象如 ：
热工量：压力，温度，流量； 机械量：位移，压力，长度，物位，速度，加速度，振动；
化工量：浓度，成份，PH值，黏度；
学习非电量检测技术，首先需要学习传感技术。传感技术 对国民经济的重要性是无可低估的，没有性能好的传感器，就 不会有良好的检测技术的发展。国内传感器共分10大类，24 小类，6000个品种，而国外品种更多，如美国约有17000种 传感器，所以发展传感器品种的领域很宽广。
❖ 1.灵敏度 金属电阻丝: K=1+2, 为金属材料的泊松系数, =0.3-0.5.
所以,应变片灵敏系数最大为K=2. 半导体材料: K=50~70，可测微小应变（600微应变，长度相对变
化量为10-6为1微应变） ❖ 2.线性度: 金属电阻丝: 非线性误差小,在较大测量范围内应变片灵敏系
数基本不变。 半导体材料: 非线性误差严重, 测量范围小。 ❖ 3.动态特性: 金属电阻丝: 响应速度在低频时较好,但随频率提高,响应速度
一、电阻应ห้องสมุดไป่ตู้式传感器
电阻式传感器
❖ 利用敏感体受到某种物理状态的变化，其电阻也随之变化的特 性，把这种电阻变化通过测量电路的转换，形成电能形式（电 压，电流，频率等）的信号变化，经传递、放大、处理，最终 变成显示值。
❖ 常见的有：电位器式传感器，热电阻式传感器，热敏电阻传感 器，气敏传感器，湿敏传感器，应变片传感器等。
优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广， 易实现工业化生产;
问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系。
金属电阻丝应变片的横向效应
1. 实际灵敏d R R 系 数d ll 2 d ll d ( 1 2 ) d ( 1 2 ) K
上述讨论的灵敏系数 K=1+2,指的是一根金属导体,但是 当金属丝绕制成栅状片时,增加了多处的弯角,金属丝无论是在 拉伸还是压缩,直线部分与弯角部分的应变不相同。 金属丝受外力后,直线部分仅受到纵向应变,而弯角部分将同 时受到纵向和横向两个方向的应变.使弯角部分的电阻变化减 少。这就是横向效应。
有可能跟不上而导致失真. 半导体材料: 因体积小,保证响应速度良好的频率范围较宽. ❖ 4.其他特性: 半导体材料的横向效应,机械滞后小于金属电阻丝.
测量原理
金属应变的类型
金属丝式 金属箔式 金属薄膜式
金属丝式
金属箔式应变片
在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电阻箔材，利用照 相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。
d R R A l( A d lA l2d A A ld ) d l ld A A d
应变效应——金属丝
❖ 电阻相对变化量:
dRdldAd R l A
对于截面积变化量 转换为直径变化:
dAAD D2d/2D2dDD
根据材料力学横向收 缩和纵向伸长关系:
r
dDdl
Dl
dl l
•整理: d R R d l l2d l ld (12)d
（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求; （2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅; （3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流大，灵 敏度提高; （4）横向效应可以忽略; （5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。
金属薄膜应变片
采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚 度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保 护层，易实现工业化批量生产;
dR K R
灵敏系数k-补充
当具有初始电阻值的应变计粘贴于试件表面时，试件受力引
起的表面应变，将传递给应变计的敏感栅，使其产生电阻相对
变化。实验证明，在一定的应变范围内，有下列关系：
VR K
R
式中： 为应变计轴向应变；
K VR为/应 变计的灵敏系数。 R
dl l
两种应变片的特性小结
2. 横向效应的缺点： （1）灵敏系数减小， （2）电阻与应变的关系存在非线性。
减少横向效应的几种措施
❖ 敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影 响愈小。
（1）减少弯角横向长度：
（2）加粗弯角宽度：
（3）弯角采用良导体材料：
应变片电阻值
应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下 测得的电阻值 电阻系列：60、120、200、350、500、 1000Ω
强等. ❖ 目前主要有两种:金属电阻丝应变片,半导体应变片。下图为金属
电阻丝应变片的外形结构.
应变效应——金属丝
金属电阻丝的电阻关系:
R l
A
当电阻丝受到外力作用发生形变,影响电阻 变化的三个参数（电阻率、长度、截面积）:
•全微分方程:
d R R ld lR A d A R d A d l A l 2d A A ld
•:泊松系数, =0.3→0.5; ε和 分别r 为纵向应变（长度相对 变化量）和横向应变（横向相对变化量）
半导体应变片
将半导体材料用特殊工艺在基片上涂膜形成扩散硅。当扩散硅 受外力作用后两端电阻也发生变化,也可以用金属电阻丝应变片 表达式:
d R R d l l2d l ld (12)d
金属-半导体区别
金属电阻丝应变片的温度误差及补偿
❖ 使用应变片测量应变时，总希望应变片电阻仅同受力应变有关, 不受其他因素影响。但实际上环境温度变化必然会导致应变片产 生附加误差。
❖ (1)对于金属电阻丝应变片的电阻率受力后变化甚微,故可以忽略 不计:
dRdl2dl(12)K
Rl l
K(1为2电)阻丝灵敏系数，μ在0.3-0.5，所以K为1.6-2.0。 ❖ (2)对于半导体应变片是根据压阻效应工作的电阻率的变化要比
前两项大得多.
dRRdrEK
其中:r压阻系数;沿纵向的应变;E材料的弹性模量; K灵敏系数。 K=50-70远比金属电阻丝应变片的灵敏度高。