第三章 力及压力测量-应变片

第三章 压力及 力 检测
压力的概念 和单位
压力及力的 测量
应变效应
应变式压力计
应变片
应变片温度补偿 与粘贴
压电式、压磁式、 电容式、霍尔式
转换电路
应变式 力与压力传感器
1、压力的表示 2、应变片测力的原理 3、各种类型的应变片及其特点 4、应变片的温度误差及其补偿 5、应变片的应用电路
一、压力及其单位
4.接引线
引出导线要用柔软、 不易老化的胶合物适 当地加以固定，以防 止导线摆动时折断应 变片的引线。然后在 应变片上涂一层柔软 的防护层，以防止大 气对应变片的侵蚀， 保证应变片长期工作 的稳定性。
应变片的应用——力及压力传感器
1 应变式力传感器
1. 柱（筒）式力传感器
2 环式力传感器 被压缩
电阻温度系数的影响
应变片温度误差
材料与应变片 膨胀系数不同
1) 电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式
表示：
Rt=R0（1+α0Δt） 式中: Rt——温度为 t ℃时的电阻值;
R0——温度为t 0℃时的电阻值; α0——金属丝的电阻温度系数; Δt——温度变化值, Δt=t -t0。 当温度变化Δt时, 电阻丝电阻的变化值为
5、如左下图所示，如需测量弯曲力和拉伸力，那么应变片应该
怎样连接在电桥电路中，分别画出测量弯曲力和拉伸力的测量电
桥电路。
F
C
题5图
A D
B
题4图
压电效应
某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生 变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种 材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力 去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种 现象被称为压电效应。当作用力方向改变时， 电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能 的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。
应变式荷重传感器的
外形及应变片的粘贴 F
位置
R4
R
R1
2
应变式荷重传感器外形及受力位
置F F
应变式荷重传感器外形及受力位置
F
F
荷重传感器原理演示
荷重传感器 上的应变片 在重力作用 下产生变形。 轴向变短， 径向变长。
汽车衡
汽车衡称重系统
电子秤
远距离 显示
磅秤
超市打印秤
电子天平
电子天平的精度 可达十万分之一
（大m气m压Hg）”、（“a毫tm米）水、柱”“（巴mm”H（2O）ba、r“）标、准 “PSI” ）、“PSI”（“磅力每平方英寸 ）
1 kgf/cm2 = 0.9807×105Pa 1mmH2O = 0.9807×10Pa 1 mmHg = 1.332×102Pa 1atm = 1.01325×105Pa 1bar=105Pa 1 PSI=6.89×103Pa
2. 电阻应变片的温度补偿方法
电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补 偿法和应变片自补偿两大类。
1) 线路补偿法
若实现完全补偿, 上述分析过程必须满足四个条件:
① 在应变片工作过程中, 保证R3 =R4。 ② R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系 数α, 膨胀系数β, 应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 ③ 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被 测试件材料必须一样, 两者线膨胀系数相同。 ④ 两应变片应处于同一温度场。
2、压力的表示
绝对压力PJ
大气压力PD
表压力PB 1 PB= PJ －PD
真空度PZ（负压）
PZ＝ PD－ PJ
0
表压
绝对 压力
大气压力线
1
负压
真空度
绝对压力的零线
绝对 压力
二、应变式传感器
1、应变片的工作原理
我们可以做这样一个较简单的实验：取一根细电阻丝， 记下其初始阻值（图中为10.01）。当我们用力将该电 阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加（增加到为 10.05）。测量应力、应变、力的传感器就是利用类似 的原理制作的。
2
14
3
1—等 强 度 梁 ； 2—质 量 块 ； 3—壳 体 ； 4—电 阻 应 变 敏 感 元 体
图3-17 电阻应变式加速度传感器结构图
测量原理：将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被 测物体以加速度a 运动时，质量块受到一个与加速度方向 相反的惯性力作用， 使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂 梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电 阻发生变化。 电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平 衡，从而输出电压， 即可得出加速度a值的大小。
斜拉桥上的斜拉绳应变测试
四、应变片的测量电路
金属应变片的电阻变 化范围很小，如果直接用 欧姆表测量其电阻值的变 化将十分困难，且误差很 大。常利用桥式测量转换 电路将R /R转换为输出 电压U0。
1、桥式测量转换电路工作方式
① 单臂电桥 双臂电桥 四臂全桥
单臂电桥
R1为应变片， R2 、 R3、R4为 固定电阻 。
• 丝式应变片
丝式电阻片是用0.003mm-0.01mm的合 金丝绕成栅状制成的；
箔式应变片
箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种 很薄的金属箔栅, 其厚度一般在0.003～0.01mm。其优 点是散热条件好, 允许通过的电流较大, 可制成各种所 需的形状, 便于批量生产。
• 薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀 等方法在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的 金属电阻薄膜的敏感栅, 最后再加上保护层。 它的优点是应变灵敏度系数大, 允许电流密 度大, 工作范围广。
2、 应变式压力传感器
应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压 力。如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部 的压力变化, 枪管及炮管内部的压力、内燃机管道压力等。 应 变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。
应变式力传感器
F
F
F
F
各种悬臂梁
F
F
固定点
固定点
电缆
（4） 粘结剂
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、硼酸盐等。
适用范围：不适用于频率较高的振动和冲击场合， 一 般适用频率为10~60 Hz范围。
Βιβλιοθήκη Baidu、应变片测量力的原理是什么？
2、应变片有哪几种类型？
3、单臂、半桥和全桥电路的灵敏度有怎样的倍数关系？谁的灵 敏度最大？
4、如右下图是一个圆柱体弹性元件，A、B、C、D是四个应变 片，观察他们粘贴的位置后判断四个应变片在电桥中应怎样连接？ 画出电桥电路来说明.
（2） 基底和盖片
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。
（3） 引线
是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性 能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊 接。大多数敏感栅材料都可制作引线。
料而言，由于其感受到应变时，电阻率 会产生很大的变化，所以灵敏
度比金属材料大几十倍。
二、应变片的结构
与材料
由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。 这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因 此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。
43
b
2
l
栅宽
1 电阻应变片结构示意图 栅长
（1） 敏感栅
• 半导体应变片是用半导体材料制成的, 其工 作原理是基于半导体材料的压阻效应。所 谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向 受外力作用时, 其电阻率ρ发生变化的现象。
•
• 半导体应变片的灵敏度特别高，但是对温 度敏感.
应变片具有体积小、价格便宜、精度高、频率响应好等 优点，被广泛应用于工程测量及科学实验中。
由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、 200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。
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。 对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。
ΔRt=Rt- R0= R0α0Δt
2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响
当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时, 不论 环境温度如何变化, 电阻丝的变形仍和自由状态一样, 不会产生附加变形。 当试件和电阻丝膨胀系数不同 时, 由于环境温度的变化, 电阻丝会产生附加变形, 从 而产生附加电阻。
1.什么是压力
垂直作用在单位面积上的力称压力。 在国际单位制（SI）和我国法定计量单位 中，压力的单位是“帕斯卡”，简称 “帕”，符号为“Pa”。
1Pa
1N / m2
kgm 1 m2s2
1kgm1s2
即1N的力垂直均匀作用在1m2的面积上所 形成的压力值为1Pa。
其他压力单位： “工程大气压力”（kgf/cm2）、“毫米汞柱”
地增大。上述三种工作方式中， 全桥四臂工作方式的灵敏度最 高，双臂半桥次之，单臂半桥 灵敏度最低。采用全桥（或双 臂半桥）还能实现温度自补偿。
3、 应变片的温度误差及补偿
a. 应变片的温度误差
由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差, 称为应变片的温度误差。 产生应变片温度误差的主要因素有:
双臂电桥
R1、 R2为应变片，R3、 R4为固定电阻 。应变 片R1 、R2 感受到的 应变1~2以及产生
的电阻增量正负号相 间，可以使输出电压
Uo成倍地增大。
试 件
四臂全桥
全桥的四个桥臂都为应变片， 如果设法使试件受力后，应变
片R1 ~ R4产生的电阻增量（或 感受到的应变1~4）正负号相 间，就可以使输出电压Uo成倍
• 用应变片测试应变时，将应变片粘 贴在试件表面。当试件受力变形后， 应变片上的电阻丝也随之变形，从 而使应变片电阻值发生变化，通过 测量转换电路最终转换成电压或电 流的变化。
三、应变片的种类
1、金属应变片（应变式压力传感器） （1）金属丝式 （2）箔式 （3）薄膜式 2、半导体应变片（压阻式压力传感器）
人体 秤
吊钩秤
便携式
应变式数显扭矩扳 手
可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械 制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的 装配扭矩。量程2~500N.m，耗电量≤10mA， 有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等 功能。
3.4.4 应变式加速度传感器 用于物体加速度的测量。
依据：a=F/m。
2) 应变片自补偿，巧妙的安装应变片
应变片 被拉伸 被压缩
试件
2. 确定中心线
4 应变片的粘贴
1. 去污：采用手 持砂轮工具除去 构件表面的油污、 漆、锈斑等，并 用细纱布交叉打 磨出细纹以增加 粘贴力 ，用浸有 酒精或丙酮的纱 布片或脱脂棉球 擦洗。
3.贴片：在应变 片的表面和处理 过的粘贴表面上， 各涂一层均匀的 粘贴胶 ，用镊子 将应变片放上去， 并调好位置，然 后盖上塑料薄膜， 用手指揉和滚压， 排出下面的气泡 。
实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量R R与材料力学中 的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的，即
R R

Kx
K—电阻应变片的灵敏度
x — 称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变 x通常很小，在应变测
量中，也常将之称为微应变
对于不同的金属材料，K 略微不同，一般为2左右。而对半导体材
设有一长度为、截面积为A、半径为r、电阻率为 的金属单丝，它的电阻值R可表示为
R


l A


l
r2
当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时
，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生
变化。
例如
（1）金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大； （2）某些半导体受拉时,将变大，导致R变大。
金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应 变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但 其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。
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，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 。