[工学]第2章-应变式传感器.pptVIP

第2章 应变式传感器 2.1 概述 2.1.1 生活中常见的应变式传感器 2.1 概述 2.1.2 应变与应力的基本概念 当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变（Strain）。 材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力为应力（Stress）。或物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。 2.1 概述 2.1.3 应变式传感器基本工作原理 应变式传感器是将应变片粘贴于弹性体表面或者直 接将应变片粘贴于被测试件上。弹性体或试件的变 形通过基底和粘结剂传递给敏感栅，其电阻值发生 相应的变化，通过转换电路转换为电压或电流的变 化，即可测量应变。 若通过弹性体或试件把位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换成应变，则可测量上述各量，而做成各种应变式传感器。 2.1 概述 2.1.4 应变式传感器的特点 应用领域广泛。可测量力、扭矩、压力、加速度等。 测量范围广: 压力 力 结构简单，尺寸小，质量轻。应变片粘贴在被测试件上对其工作状态和应力分布的影响很小。同时使用维修方便。 灵敏度高、惯性很小、频率响应特性好。可测量0~50KHz的振动。 易于实现小型化、集成化。目前已有将测量电路甚至A/D转换器与传感器一体化。 2.1 概述 2.1.5 应变式传感器分类 丝式应变片 箔式应变片 金属应变片 金属丝式应变片是用0.01～0.05mm的金属丝做成敏感栅 箔式应变片是利用照相制版或光刻技术，将厚约为0.003～0.01mm的金属箔片制成敏感栅 2.1 概述 2.1.6 应变式传感器分类 半导体应变片 半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。 利用半导体的这种压组效应制成粘贴式的应变片 2.2 金属应变片传感器 2.2.1 金属丝应变实验 简单实验 金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 2.2 金属应变片传感器 一根金属丝长度为 ，截面积为 ，电阻率为 ，其电阻 2.2.2 应变效应 两边取微分： 整理得 两边取对数： 由： 2.2 金属应变片传感器 2.2.2 应变效应（续） 由材料力学可知 且 ——C为金属材料的某个常数。康铜丝C=1 2.2 金属应变片传感器 2.2.2 应变效应（续） 所以整理可得 其中 成为金属丝的灵敏度系数（一般在1.8～3.6） 用增量形式： 应变灵敏度系数的物理意义为单位应变引起的电阻相对变化 2.2 金属应变片传感器 2.2.3 应变片的结构与材料 均由1--敏感栅、2--基底、3--盖片、4--引线和粘接剂等组成 1、应变片的结构 2.2 金属应变片传感器 2.2.3 应变片的结构与材料（续） 敏感栅——应变片中实现应变—电阻转换的敏感元件。通常由直径为0.015～0.05mm的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。 图中l表示栅长，b表示栅宽。栅长大小关系到所测应变的准确度。（应变片测得的大小实际上是应变片栅长和栅宽所在面积的平均轴向应变量） 2.2 金属应变片传感器 2.2.3 应变片的结构与材料（续） 基底、盖片——基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置；盖片既能保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，还可以保护敏感栅，起着防潮、防蚀、防损等作用。 应变片工作时，基底起着把试件应变准确地传递给敏感栅的作用。为此，基底必须很薄，一般为0.02～0.04mm。 有用专门的薄纸制成的基片称为纸基。有用粘结剂和有机树脂薄膜制成的胶基。 2.2 金属应变片传感器 2.2.3 应变片的结构与材料（续） 1、应变片的结构 引线——它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。通常取直径约0.1～0.15mm的低阻镀锡铜线，并用钎焊与敏感栅端连接。 粘结剂——在制造应变片时，用它分别把盖片和敏感栅固结于基底；在使用应变片时，用它把应变片基底再粘贴在试件表面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。 有无机和有机两大类，分别适合于不同温度的，无机的适合高温，有机的适合于中低温和常温 对引线材料的要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。 2.2 金属应变片传感器 2.2.3 应变片的结构与材料（续） 丝状直径0.01～0.05mm 金属丝 箔状厚约为0.003～0.01mm 薄状箔片 同样的截面积，箔状应变片可以做的表面积很大。 那么电流通过应变片时散热性要比丝状的好； 对于箔状应变片和丝状应变片，有什么不同的呢？ 另外箔状应变片可以通过比较大的电流。 箔状应变片的应力分布状态和试