专题1应变式力与称重传感器

1、2022-4-291专题专题1 1 应变式力与称重传感器应变式力与称重传感器2022-4-292n1.1电阻应变原理与器件(72页到73页）1）相关概念电阻应变是力作用的结果，涉及应力、应变、弹性模量和泊松比等概念。应力：力/受力面积；应力为正，表拉长物体的拉应力，为负，表示物体受压；应力作用的结果是使物体产生应变。 应变：长度变化/未加应力时的原长。 图（a）中应变为=+l/l（拉伸），图（b）中应变为=l/l（压缩）。这两种情况都是纵向应变。应变与应力呈线性关系，直线的斜率称为物体的弹性模量E E=应力/应变对于线性拉伸或压缩，弹性模量称为杨氏模量E；对于剪应力，相关的弹性模量称为剪切模量

2、S。1. 电阻应变效应与器件2022-4-293n4.2.1电阻应变原理与器件1）应变效应金属或半导体制成的元件受力作用产生应变时，其电阻发金属或半导体制成的元件受力作用产生应变时，其电阻发生变化的现象称应变效应生变化的现象称应变效应；据此效应工作的元件称应变片。已知长为长为l、横向面积为、横向面积为A、电阻率为、电阻率为 的材料电阻为的材料电阻为R= l/A，当元件有应变时，其、l、A也变化，其电阻的相对变化为： 其中 l/l是元件的纵向应变是元件的纵向应变 L，设横截面积A=Wt(W为宽、t为厚)，则A/A=W/W+t/t=2T，其中 T是元件的横向应是元件的横向应变变。根据材料力学原理有

3、T=L(称为泊松比，由材料决定)。根据上述公式和关系，可得电阻的相对变化为： R/R= L2T+/=(1+2)L+/ RlARlA2022-4-2942）应变材料的灵敏系数(K)灵敏系数灵敏系数K定义为电阻的相对变化与应变之比定义为电阻的相对变化与应变之比，即： K=( R/R0)/ L, 其中R0是无应变时的电阻。因此，应变材料的电阻相对变化与其线应变成正比，即： R/R0 = KL 金属材料受力后电阻率的相对变化与体积V的变化关系为 d/=CdV/V，其中C是由材料和加工方式决定的常数。由V=lA可得： d /=C(dl/l+dA/A) =C(L+2T)=C(12)L因此，应变片的电阻变化

4、可用下式表示： R/R0=(1+2)L+C(12)L= KL由上可知，金属材料的应变效应主要由结构尺寸变化造成，灵敏系数主要由（1+2）决定。2022-4-2952）应变片的结构和灵敏系数金属电阻应变片的组成：保护片+敏感栅+基底+引线。如图所示，敏感栅为金属丝或金属箔，粘贴在绝缘基底上，上面再贴一层绝缘保护片，然后在敏感栅的两引出点引线。 敏感栅存在横向效应等因素影响，使应变片的灵敏系数小于敏感栅材料的灵敏系数。 通常应变片的灵敏系数通过实验由给定应变下的电阻值变化确定，即K=(R/R). 2022-4-2962）应变片的结构和灵敏系数 半导体应变片主要基于半导体的压阻效应，直接用单晶锗或硅

5、等材料经切割、研磨、切条、接引线、粘贴等工艺制成，其结构如右图所示。 相对金属电阻应变片，半导体应变片的灵敏度系数很高，但其温度稳定性及重复性不如金属应变片。 概念小结：金属应变片的应变效应及灵敏系数；半导体应变片的应变效应及灵敏系数。2022-4-297半导体应变片半导体应变片及金属及金属丝式应变片的结构丝式应变片的结构半导体应变片半导体应变片外形外形金属丝式应变片的金属丝式应变片的内部结构内部结构2022-4-2983）应变片和应变式传感器的特点及应用（74页）(1) 应变片的应用 主要用于结构应力、应变分析和作为传感器的转换元件。 在第一种应用中，将应变片贴于待测构件的测量部位，测量构件

6、的应力或应变，用于机械、建筑等构件的受力、变形测试分析，为构件结构的设计、校验等提供可靠数据。 在第二种应用中，应变片作为转换元件贴于弹性元件上，与弹性元件组合实现测量力/压力及位移、加速度的传感器。(2) 应变电阻测量应变片阻值变化常用电桥法测量。为提高灵敏度、克服非线为提高灵敏度、克服非线性，常用差动半桥性，常用差动半桥(双片双片)或差动全桥或差动全桥(四片四片)方式方式。2022-4-2993）应变片和应变式传感器的特点及应用（74页）(3) 应变式传感器的主要特点 （a）测量范围广：几到数千(1=10-6)应变，10-2107 N力, 10-1106 Pa压力。（b）线性度好，精度较高

7、（误差可小于0.1%或更小）。（c）频率响应好：一般响应时间10-7s，半导体达10-11s，动态测量l05 Hz级；但实际反映的是应变片所受应变的均值。（d）性能稳定，工作可靠，性价比高。（e）适应恶劣环境、大加速度和振动条件：经适当结构设计及选材，可在高、低温，强腐蚀及核辐射下可靠工作。（f）须考虑横向效应引起的横向灵敏度与温度影响的补偿。另外，应变片粘贴涉及被测表面变形能否正确传给应变片；黏合剂须与应变片材料和试件材料相适应，遵循正确工艺。2022-4-2910优点： 精度高，测量范围广；精度高，测量范围广； 频率响应特性较好；频率响应特性较好； 结构简单，尺寸小，重量轻；结构简单，尺寸

8、小，重量轻； 可在高可在高(低低)温、高速、高压、强烈振动、强温、高速、高压、强烈振动、强磁磁 场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作；场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作； 易于实现小型化、固态化；易于实现小型化、固态化； 价格低廉，品种多样，便于选择。价格低廉，品种多样，便于选择。 电阻应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。 缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下的测量。 2022-4-2911应变应变片的工作原理的

9、工作原理 2llRAr金属丝受拉时，金属丝受拉时，l变长、变长、r变小，导致变小，导致R变大变大 。2022-4-2912应变片的工作原理应变片的工作原理 设有一长度为设有一长度为l、截面积为、截面积为A、半径为、半径为r、电阻率、电阻率为为 的金属单丝，它的电阻值的金属单丝，它的电阻值R可表示为可表示为 当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中时，上式中 、r、l都将发生变化，从而导致电阻值都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如金属丝受拉时，发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、将变长、r变小，变小，均导致均导致R变大；又如，某些半

10、导体受拉时，变大；又如，某些半导体受拉时， 将变大将变大，导致，导致R变大。变大。 实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量实验证明，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与材料力学中的轴向应变 x的关系在很大范围内是的关系在很大范围内是线性的，即线性的，即 2llRAr 2-1xRKRK电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度2022-4-2913应变片用于测量力应变片用于测量力F的计算公式的计算公式 由材料力学可知，由材料力学可知， x=F /（AE），所以），所以 R /R又又可表示为可表示为 如果应变片的灵敏度如果应变片的灵敏度K K 和试件的横截面积和试件的横截面积

11、A A以及以及弹性模量弹性模量均为已知，则只要设法测出均为已知，则只要设法测出 R R / /R R的数值的数值，即可获知试件受力，即可获知试件受力的大小，例如可用于电子秤的大小，例如可用于电子秤的称重。的称重。 2-2RFKRAE2022-4-2914应变片的种类与结构应变片的种类与结构 应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前箔式应变片应用可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前箔式应变片应用较多。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于较多。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属

12、丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所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、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。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。还间测量时的蠕变

13、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、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，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。式传感器中。2022-4-2915箔式应变片的外形箔式应变片的外形2022-4-2916应变片的粘贴：应变片的粘贴： 1. 去污：采用去污：采用手持砂轮工具除去手持砂轮工具除去构件表面的油污、构件表面的油污、漆、锈斑等，并用漆、锈斑等，并

14、用细纱布交叉打磨出细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴细纹以增加粘贴力力 ，用浸有酒精，用浸有酒精或丙酮的纱布片或或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。脱脂棉球擦洗。 2022-4-2917 2.2.贴片：在应变贴片：在应变片的表面和处理过的片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶层均匀的粘贴胶 ，用镊子将应变片放上用镊子将应变片放上去，并调好位置，然去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出手指揉和滚压，排出下面的气泡下面的气泡 。2022-4-2918 3.测量测量 ：从：从分开的端子处，分开的端子处，预先用万用表测预先用万用表测量应变片的电阻，

15、量应变片的电阻，发现端子折断和发现端子折断和坏的应变片。坏的应变片。2022-4-2919 4.焊接：焊接： 将引线和端子用将引线和端子用烙铁焊接起来，烙铁焊接起来，注意不要把端子注意不要把端子扯断。扯断。 2022-4-2920 5.固定：固定： 焊接后用胶焊接后用胶布将引线和布将引线和被测对象固被测对象固定在一起，定在一起，防止损坏引防止损坏引线和应变片。线和应变片。 2022-4-29212.2.应变式力与称重传感器（应变式力与称重传感器（158158页到页到163163页）页） 导体或半导体材料在外界力的作用下，导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变会

16、产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。化，这种现象称为应变效应。 称重传感器构成：弹性元件称重传感器构成：弹性元件+ +应变片应变片+ +测量电测量电路。路。2022-4-29222.1测量电路测量电路不平衡电桥不平衡电桥 金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测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。量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。 3i124o1234() 4RURRRURRRR2022-4-2923电桥平衡的条件电桥平衡的条件 ：R1/R2=R4/R3 调节调节RPRP，最终可以，最终可以使使R R1

17、 1 / /R R2 2 = =R R4 4/ /R R3 3（ R R1 1 、R R2 2 是是R R1 1、R R2 2并联并联RPRP后的后的等效电阻）等效电阻），电桥趋于，电桥趋于平衡，平衡，U Uo o被预调到零位，被预调到零位，这一过程称为调零。图这一过程称为调零。图中的中的R R5 5是用于减小调节是用于减小调节范围的限流电阻。范围的限流电阻。 2022-4-2924单臂电桥单臂电桥 全桥四臂工全桥四臂工作方式的灵敏作方式的灵敏度最高，双臂度最高，双臂半桥次之，单半桥次之，单臂半桥灵敏度臂半桥灵敏度最低。最低。2022-4-2925 双臂电桥双臂电桥 R1、 R2为应变为应变片

18、，片， R3、R4为固定为固定电阻电阻 。应变片。应变片R1 、R2 感受到的应变感受到的应变 1 2以及产生的电以及产生的电阻增量正负号相间，阻增量正负号相间，可以使输出电压可以使输出电压Uo成倍地增大。成倍地增大。2022-4-2926四臂全桥四臂全桥 全桥的四个桥臂都为应变片，全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变如果设法使试件受力后，应变片片R1 R4产生的电阻增量（或产生的电阻增量（或感受到的应变感受到的应变 1 4）正负号相）正负号相间，就可以使输出电压间，就可以使输出电压Uo成倍成倍地增大。上述三种工作方式中，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全

19、桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。臂半桥）还能实现温度自补偿。2022-4-2927全桥的温度补偿原理全桥的温度补偿原理 当环境温度升高当环境温度升高时，桥臂上的应变片时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能较小；半桥也同样能克服温漂。克服温漂。 2022-4-29282.2 2.2 各种类型称重传感器各种类型称重传感器 应变式力传感器

20、应变式力传感器 FFFF2022-4-2929各种悬臂梁（书上所说的梁式力传感器）各种悬臂梁（书上所说的梁式力传感器） 2022-4-2930各种悬臂梁（梁式力传感器）各种悬臂梁（梁式力传感器） FF固定点固定点固定点固定点电缆2022-4-2931应变片在悬臂梁上的粘贴及变形（梁式力传感器）应变片在悬臂梁上的粘贴及变形（梁式力传感器） 应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置（就是应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置（就是书上所说的柱筒式力传感器）书上所说的柱筒式力传感器）FR1R2 R4应变式荷重传感器外形及受力位置（柱筒式力传感器）应变式荷重传感器外形及受力位置（柱筒式力传感器）FF

21、应变式荷重传感器外形及受力位置（柱筒式力传感器）应变式荷重传感器外形及受力位置（柱筒式力传感器）FF荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示（柱筒式力传感器）（柱筒式力传感器） 荷重传荷重传感器上的应感器上的应变片在重力变片在重力作用下产生作用下产生变形。轴向变形。轴向变短，径向变短，径向变长。变长。 2022-4-2936汽车衡汽车衡2022-4-2937汽车衡汽车衡（以下参考（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 ）汽车衡汽车衡称重系统称重系统荷重传感器用于构件荷重传感器用于构件的称重的称重 荷重传感器荷重传感器（共（共 3个，个，120度分布，以达到度分布，以达到均衡目的，另两个未拍出）均衡目的，另两个未拍出）底座底座垫块垫块电缆电缆电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示电子天平电子天平电子天平的精度电子天平的精度可达十万