应变式力学量传感器特性、工作原理和应用

x
x
Ks
dR /
x
R
(1
2)
d / x
讨论
对金属丝，Ｋs第二项可忽略不计，故 Ks=1+2μ μ ＝0.25～0.5 故Ks=1+2μ≈1.5~2
对半导体材料， Ｋs=1+2μ+πE, πE>>1+2μ 故Ｋs=πE π =(40~80)×10-11m2/N,E=1.67 ×1011Pa 故Ｋs=πE ≈50～100
通过的最大电流。它与 应变片本身、试件、粘合剂和环境等 有关。要根据应变片的阻值和结合电路具体情况计算。为保测 量精度、在静态测量时，允许电流一般为25mA,在动态测量时 允许电流可达75—100mA．箔式应变片允许电流较大。
一、应变片的结构
7
二、电阻一应变特性
金属导线受力变形情况
R L
F
dR
dL F
L F2
dF
L F
d
dR dL dF d
R LF
8
dF 2 dr
F
r
x
dL L
r为金属丝半径 εx为金属丝轴向应变
y
dr r
εy为金属丝横向应变
εy= -μεx
μ为泊松系数
dR R
(1 2 ) x
d
dR / R (1 2 ) d /
3
•电阻应变式传感器的优点：
① 结构简单，使用方便，性能稳定、可靠； ② 易于实现测试过程自动化和多点同步测量、
远距测量和遥测； ③ 灵敏度高，测量速度快．适合静态、动态测
量； ④ 可以测量多种物理量。
•它已广泛应用于许多领域，诸如航空、机械、电 力、化工、建筑。
4
3.1 电阻应变式传感器的工作原理
12
3.3 电阻应变片的种类、材料和参数
电
阻
一、丝式应变片
应
1．回线式应变片
变
2．短接式应变片
片 的
二、箔式应变片
种
三、薄膜应变片
类
四、半导体应变片
13
一、丝式应变片 1．回线式应变片
图 (a)为常见的回线式应变片构造图。 2．短接式应变片
图 (b)为常见的短接式应变片构造图。
14
二、箔式应变片
应变式力学量传感器特性、工作原理 和应用
1
目录
前言 3.1 电阻应变式传感器的工作原理 3.2 电阻应变片的结构和工作原理 3.3 电阻应变片的种类、材料和参数 3.4 电阻应变片的主要参数 3.5 电阻应变片的动态响应特性 3.6 应变计粘贴工艺 3.7 电阻应变式传感器的温度误差及其补偿 3.8 电阻应变式传感器的信号调节电路
问题：有效质量、各向同性、各向异性 19
3.4 电阻应变片的主要参数
为了正确选用电阻应变片，应该对影响其工作特性的主要参 数进行了解。
一、应变片电阻值 它是指未安装的应变片，在不受外力的情况下，于室温条 件测定的电阻值，也称原始阻值．单位以计。应变片电阻值 已趋于标准化，有60，l 20, 350，600和1000各种阻 值,其中120为最常使用。 二、绝缘电阻 即敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于1010．
20
应变片的主要参数
三、灵敏系数 灵敏系数系指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向
应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片 区域的轴向应变之比。K值的准确性将直接影响测量精度，其 误差大小是衡量应变片质量优劣的主要标志。同时要求K值尽 量大而稳定。
四、允许电流 允许电流系指不因电流产生热量影响测量精度。应变片允许
电阻应变式传感器由弹性敏 感元件与电阻应变片构成。
弹性敏感元件在感受被测量 时特产生变形，其表面产生 应变。
粘贴在弹性敏感元件表面的 电阻应变片将随着弹性敏感 元件产生应变，因此电阻应 变片的电阻值也产生相应的 变化。
这样，通过测量电阻应变片 的电阻值变化，就可以确定 被测量的大小了。
5
电阻应变片(计)的工作原理 (金属的应变效应)
18
压阻效应的解释,依据HERMY关于半导体多能谷导带 价带模型的公式,当力作用于硅晶体时,晶体的晶格发
生形变,它使载流子产生一个能谷到另一个能谷的散射, 载流的迁移率发生变化,扰动了纵向和横向的平均有效 质量,使硅的电阻 发生变化.这个变化随Si单晶的取向 不同而不同.即Si的压阻效应与晶体取向有关
•常见的几种箔式应变片构造形式。
15
•这类应变片系利用照相制版或光刻腐蚀的方 法，将电阻箔树在绝缘其底下制成各种图形而 成的应变片。 •箔材厚度多在0.001一0.01mm之间。 •利用光刻技术，可以制成适用各种需要的、 形状美观的、称为应变花的应变片。
它具有很多优点，在测试中得到了日益广泛 的应用，在常温条件下，已逐步取代了线绕 式应变片。
16
三、薄膜应变片
其厚度在0.1m以下。 它是采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料
在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成应变片。 这种应变片灵敏系数高，易实现工业化生产，是一
种很有前途的新型应变片。 目前实际使用中的主要问题，是尚难控制其电阻对
温度和时间的变化关系。
17
四、半导体应变片
• 电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应。金属 丝的电阻随着它所受的机械变形(拉伸或压缩)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。
•原因：因为金属丝的电阻与材料的电阻率及其几何尺
寸和截面积有关，而金属丝在承受机械变形的过程中， 这二者都要发生变化，因而引起金属丝的电阻变化。
6
3.2 电阻应变片的结构和工作原理
10
三、应变片测试原理
外力作用
试件形变
应变片形变
电阻变化
• 通过弹性敏感元件转换作用，将位移、力、 力矩、加速度、压力等参数转换为应变因此可 以将应变片由测量应变扩展到测量上述参数， 从而形成各种电阻应变式传感器。
11
电阻应变片的横向效应
圆弧段部分的电阻变化，将小于其同样长度沿轴向安放 的金属丝的电阻变化。由此可见，将直的金属丝绕成敏 感栅后，虽然长度相同，但应变状态不同，应变片敏感 栅电阻变化较直的金属丝小，因此灵敏度系数有所降低， 这种现象称为应变片的横向效应。
及电阻应变仪 3.9 电阻应变式传感器 本Βιβλιοθήκη Baidu小结
2
前言
•电阻应变式传感器具有悠久的历史．是应用最广泛的 传感器之一。将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件 上，可构成测量位移、加速度、力、力矩、压力等各 种参数的电阻应变式传感器。
•虽然新型传感器不断出现，为测试技术开拓了新的领 域。但是，由于电阻应变测试技术具有以下独特优点， 可以预见在今后它仍将是一种主要的测试手段。