第4章 结构型传感器

• （3） 多轴应变计又称应变花，在同一基底上有两个或两 个以上敏感栅排列成不同方向，用于测量主应力方向未知 的面应力或点应力。一般情况下，在需要确定应力的材料 上，粘贴应变片来测量三个方向的应力或应变，通过特定 的计算公式来计算其应力大小和应力方向，三轴互相夹角 有45°，60°或120°等。主要结构型式有“BA”、“CA” 、“CC”、“CAK”、“CDK” 、“BC”、“CB”四种，其中 “BA” “CA” “CC” 用于测量平面应力， “BC” “CB” 用于测 量点应力，“CAK”“CDK”用于测量残余应力。 （4）复式应变计是在同一基底上将多个敏感栅排列成所 需形状，且连接电路回路，它主要用于传感器。如圆膜片 （KA）
• 应变计选择方法 http://baike.baidu.com/view/2842777.htm
4.1.3 主要特性
静态特性是指应变计感受不随时间变化或变化 缓慢的应变时的输出特性，表征静态特性的指 标主要有：灵敏度系数、机械滞后、蠕变、应 变极限等。
1. 灵敏度系数（k）
将具有初始电阻值R的应变计安装于试件表面， 在其轴线方向的单向应力作用下，应变计阻 值的相对变化与试件表面轴向应变之比即为 灵敏度系数。 应变计的电阻－应变特性与单根电阻丝时不 同，一般情况下，应变计的灵敏系数小于相 应长度单根应变丝的灵敏系数。
第4章 结构型传感器
4.1 电阻应变式传感器 4.2 电容式传感器 4.3 电感式传感器
4.1 电阻应变式传感器
4.1.1 工作原理 4.1.2 结构与类型 4.1.3 主要特性 4.1.4 温度效应及其补偿 4.1.5 电桥测量电路
4.1.1 工作原理 电阻应变式传感器是利用电阻应 变片将应变转换为电阻的变化， 从而实现电测非电量的传感器。 电阻应变片的工作原理是基于电 阻应变效应。即在导体产生机械 变形时，它的电阻值相应发生变 化。
• 式中，Ks=(1+2μ)+E为半导体丝材的应变灵敏度系 数。前半部分为尺寸变化所致，后半部分为半导 体材料的压阻效应所致. 由以上分析可知，外力作用而引起的轴向应变， 将导致电阻丝的电阻成比例地变化，通过转换电 路可将这种电阻变化转换为电信号输出。这就是 应变片测量应变的基本原理。
4.1.2 结构与类型
4.1.1 工作原理
在外界力的作用下，将引起金属或半导体材料 发生机械变形，其电阻值将会相应发生变化， 这种现象称为“电阻应变效应”。对于不同的 材料，电阻率相对变化的受力效应是不同的。
1. 金属材料的应变电阻效应
• 通过研究发现，金属材料的电阻率相对变化正比 于体积的相对变化，即有
• 式中，C为由材料及加工方式决定的与金属导体晶 格结构相关的比例系数。
4. 电阻应变计的选用与粘贴
电阻应变片工作时，是用粘贴剂粘贴到被测试 件或传感器的弹性元件上的。粘贴剂形成的胶 层必须准确迅速地将被测应变传递到敏感栅上 去，所以粘贴剂以及粘贴技术对于测量结果有 着直接的影响。
4. 电阻应变计的选用与粘贴
• 敏感栅结构形状包括敏感栅的形状、数目和方向，横栅尺 寸，焊端的形状及分布，敏感栅的横向宽度等，现以中航 电测仪器股份有限公司应变计分类方法来做介绍： 可分为单轴应变计，多轴应变计和复式应变计。 （1）单轴应变计的主要特征是具有单一敏感栅，用于测 量敏感栅轴线方向应变。结构型式有“AA”和“AB”两种 。其中“AA”的敏感栅为单轴水平方向结构型式；“AB” 为单轴45°敏感栅结构型; （2）双栅应变计的主要特征是有两个敏感栅，两栅轴向 相互成90°或0°，一般情况下，使用这些应变计必须事 先预知其应力或应变方向。主要的结构型式有 “BB”“HA”“GB”“FB”四种。其中“BB”两栅互相垂直，即 “T””型应变计，主要用于测试轴向应变和横向应变（也 称泊松应变）；“HA”两栅互相垂直成90°，与水平方向 成45°，即“V”型应变计，主要用于测量剪切应力、扭矩 等物理量；“GB”两栅处于同一轴向，主要用于测量处于 同一轴向而受力方向不同的材料或结构。“FB”两栅互相 平行，主要用于测量并排的不同梯度应力或应变；
利用金属或半导体材料电阻丝（也称应变丝） 的应变电阻效应，可以制成测量试件表面应变 的敏感元件。为在较小的尺寸范围内敏感应变， 并产生较大的电阻变化，通常把应变丝制成栅 状的应变敏感元件，即电阻应变计，简称应变 计。
1. 应变片的结构
2. 应变计的类型
（1）按加工方法,可以将应变片分为以下四种： 丝式应变片、箔式应变片、半导体应变片、薄膜 应变片 （2）按敏感栅的材料,可将应变计分为金属应变 计和半导体应变计两大类
2. 半导体材料的应变电阻效应
• 研究发现，锗、硅等单晶半导体材料具有压阻效 应，即：
• 式中，为作用于材料上的轴向应力；为半导体 在受力方向的压阻系数；E为半导体材料的弹性模 量。
2. 半导体材料的应变电阻效应
• 将式（4-8）代入式（4-5）可得
dR (1 2 ) E K s R
1. 金属材料的应变电阻效应
• 将式（4-6）代入（4-5）可有
dR (1 2 ) C (1 2 ) K m R
• 式中，Km=(1+2μ)+C(1-2μ)为金属电阻丝的应变灵 敏度系数，它由两部分组成：前半部分为受力后 金属丝几何尺寸变化所致，后半部分为因应变而 发生的电阻率相对变化. • 由以上分析可见： 金属材料的电阻相对变化与其线应变ε成正比。 这就是金属材料的应变电阻效应。
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3. 电阻应变计的材料
制作应变片敏感栅常用的金属材料有康铜、镍 铬合金、铁铬铝合金、贵金属（铂、铂钨合金等） 材料等，其中康铜是目前应用最广泛的应变丝材 料。 除敏感栅以外，对基底材料、粘结剂、引线的材 料方面都有要求，可以根据应用对象的不同进行 选择。
4. 电阻应变计的选用与粘贴
选用应变计时，首先应根据使用的目的、要求、 对象及环境条件等，对应变计的类型进行选择； 然后根据使用温度、时间、最大应变量及精度要 求，选用合适的敏感栅、基底材料的应变计；接 着根据测量线路或仪器选择合适应变计的标准阻 值；最后还应根据试件表面可贴应变片的面积大 小选择合适尺寸的应变计。