第3章 应变片1工作原理

1、 第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 3.1 3.1 工作原理工作原理 3.2 3.2 应变片的结构、材料及粘贴应变片的结构、材料及粘贴 3.3 3.3 电阻应变片的特性电阻应变片的特性 3.4 3.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 3.5 3.5 应变片传感器的应用应变片传感器的应用应变电阻应变片电阻变化电阻应变片（应变片）电阻应变式传感器：结构简单、体积小、电阻应变式传感器：结构简单、体积小、测量范围广、频率响应特性好、适合动态测量范围广、频率响应特性好、适合动态和静态测量、使用寿命长、性能稳定可和静态测量、使用寿命长、性能稳定可靠靠 3.1 工工 作原理作原理 3.1.

2、1 金属电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理 电阻应变效应：电阻应变效应： 导体导体在外界在外界力力的作用下产生机械的作用下产生机械变变形（拉伸或压缩）形（拉伸或压缩）时，时， 其其电阻值电阻值相应发生变化。相应发生变化。 一根金属电阻丝，未受力时，原始一根金属电阻丝，未受力时，原始电阻值为电阻值为 lRA 图3-1 金属电阻丝应变效应 当电阻丝受到拉力当电阻丝受到拉力 F 作用时，作用时， 当电阻丝受到拉力当电阻丝受到拉力 F 作用时，作用时， 将伸长将伸长l， 横截面积相应减小横截面积相应减小A， 电阻率电阻率因材料晶格发生变形等因素因材料晶格发生变形等因素影响而改变了影响而改变了

3、d， 从而引起电阻值相对变化量为从而引起电阻值相对变化量为 dl/l长度相对变化量，称为长度相对变化量，称为应变应变 dRdldAdRlA d ll ， 2dAdrAr drdlrl 为电阻丝材料的为电阻丝材料的泊松比泊松比，负号表示应变方向相反。负号表示应变方向相反。 dl/l=为金属电阻丝的为金属电阻丝的轴向应变轴向应变，轴，轴向应变和向应变和径向应变径向应变的关系为的关系为 单位应变所引起的电阻相对变化量单位应变所引起的电阻相对变化量称为电阻丝的称为电阻丝的灵敏系数灵敏系数。 (12)ddRR12dd RRK K 受两个因素影响：受两个因素影响： 一个是应变片受力后一个是应变片受力后材料

4、几何尺寸材料几何尺寸的变化，即的变化，即1+2； 另一个是应变片受力后材料的另一个是应变片受力后材料的电阻电阻率率发生的变化，即（发生的变化，即（d/）/。 对金属材料，对金属材料， 1+2的值要比的值要比(d/)/大得多，大得多， 而半导体材料的而半导体材料的(d/)/项的值比项的值比1+2大得多。大得多。 在在电阻丝拉伸极限内电阻丝拉伸极限内，电阻的相对，电阻的相对变化与应变成正比，即变化与应变成正比，即K为为常数常数。 半导体应变片是用半导体材料制成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的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。阻效应。 压阻效应：压阻效应： 当

5、当半导体材料半导体材料受到某一轴向外力作受到某一轴向外力作用时，其用时，其电阻率电阻率发生变化的现象。发生变化的现象。 3.1.2 半导体电阻应变片的工作原理半导体电阻应变片的工作原理 当半导体应变片受轴向力作用时，当半导体应变片受轴向力作用时， (12)d RdR dE 半导体材料的半导体材料的压阻系数压阻系数； 半导体材料所受半导体材料所受应变力应变力; E 半导体材料的半导体材料的弹性模量弹性模量; 半导体材料的半导体材料的应变应变。 (12)d RER 对于对于半导体半导体应变片，应变片， E 比比 1+2大上百倍，大上百倍， 1+2可以忽略。可以忽略。 半导体应变片的半导体应变片的

6、K 比金属丝式高比金属丝式高5080倍倍， 但但半导体材料的温度系数大半导体材料的温度系数大， 应变时非线性比较严重，应变时非线性比较严重， 使它的应用范围受到一定的限制。使它的应用范围受到一定的限制。d RRKE 应力应力与与应变应变的关系：的关系： = E 3.2 应变片的结构、材料及粘贴应变片的结构、材料及粘贴 3.2.1 金属电阻应变片的结构金属电阻应变片的结构 引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅lb 敏感栅敏感栅是应变片的核心部分，它粘是应变片的核心部分，它粘贴在贴在绝缘的基片绝缘的基片上，其上再粘贴起保护上，其上再粘贴起保护作用的作用的覆盖层覆盖层，两端焊接引出导线。，两端焊接引出导线。

7、 金属电阻应变片的敏感栅的形式：金属电阻应变片的敏感栅的形式： 丝式丝式和和箔式箔式， 丝式敏感栅的直径丝式敏感栅的直径0.010.05mm ， 平行排列而成。平行排列而成。 箔式应变片是利用箔式应变片是利用光刻光刻、腐蚀腐蚀等工等工艺制成的很薄的金属箔栅，艺制成的很薄的金属箔栅， 其厚度为其厚度为0.0030.01mm，可制成各，可制成各种形状的敏感栅（即种形状的敏感栅（即应变花应变花）。）。 箔式应变片的优点：箔式应变片的优点： 表面积和截面积之比大，表面积和截面积之比大， 散热性能好，散热性能好， 允许通过的电流较大，允许通过的电流较大， 可制成各种形状，便于批量生产。可制成各种形状，便

8、于批量生产。 覆盖层与基片将敏感栅紧密地粘贴覆盖层与基片将敏感栅紧密地粘贴在中间，在中间， 对敏感栅起几何形状的对敏感栅起几何形状的固定固定和和绝缘绝缘、保护保护作用。作用。 基片将被测体的应变准确地基片将被测体的应变准确地传递传递到到敏感栅上，敏感栅上， 基片很薄，基片很薄，0.030.06mm, 基片与被测体及敏感栅能牢固地粘基片与被测体及敏感栅能牢固地粘合在一起。合在一起。 基片要求有良好的性能：基片要求有良好的性能： 绝缘性能绝缘性能 抗潮性能抗潮性能 耐热性能耐热性能 基片和覆盖层的材料：基片和覆盖层的材料： 胶膜胶膜 纸纸 玻璃纤维布等。玻璃纤维布等。 3.2.2 金属电阻应变片的

9、材料金属电阻应变片的材料 对电阻丝材料的要求：对电阻丝材料的要求： 灵敏系数灵敏系数大大， 且在相当大的应变范围内保持且在相当大的应变范围内保持常数常数； 值大，即在同样长度、同样横值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；截面积的电阻丝中具有较大的电阻值； 电阻温度系数小电阻温度系数小，否则因环境温，否则因环境温度变化也会改变其阻值；度变化也会改变其阻值； 与铜线的与铜线的焊接焊接性能好，性能好， 与其它金属的与其它金属的接触电势接触电势小；小； 机械强度高，机械强度高， 具有优良的机械加工性能。具有优良的机械加工性能。 表表3-1 常用金属电阻丝材料的性能常用金属电阻丝材

10、料的性能 康铜（镍康铜（镍Ni：45；铜；铜Cu：55）是目前应用最广泛的应变丝材料。是目前应用最广泛的应变丝材料。 镍：近似镍：近似银白色银白色、硬而有延展性并、硬而有延展性并具有铁磁性的金属元素具有铁磁性的金属元素, 它能够高度磨光和抗腐蚀。它能够高度磨光和抗腐蚀。 康铜的特性：康铜的特性： 灵敏系数稳定性好，灵敏系数稳定性好， 不但在不但在弹性弹性变形范围内能保持为常数，变形范围内能保持为常数， 进入进入塑性塑性变形范围内也基本上能保变形范围内也基本上能保持为常数；持为常数； 康铜的电阻温度系数较小且稳定，康铜的电阻温度系数较小且稳定， 采用合适的热处理工艺时，可使电采用合适的热处理工艺

11、时，可使电阻温度系数在阻温度系数在50106/的范围内；的范围内； 康铜的加工性能好，易于康铜的加工性能好，易于焊接焊接， 国内外多以康铜作为应变丝材料。国内外多以康铜作为应变丝材料。 3.2.3 金属电阻应变片的粘贴金属电阻应变片的粘贴 应变片用应变片用粘结剂粘结剂粘贴到被测件上。粘贴到被测件上。 粘结剂形成的粘结剂形成的胶层胶层必须准确迅速地必须准确迅速地将被测件的应变将被测件的应变传递传递到敏感栅上。到敏感栅上。 选择选择粘结剂粘结剂时必须考虑应变片材料时必须考虑应变片材料和被测件材料性能，粘接力强，机械性和被测件材料性能，粘接力强，机械性能可靠，能可靠， 粘合层要有足够大的剪切弹性模量

12、，粘合层要有足够大的剪切弹性模量，良好的电绝缘性，良好的电绝缘性，蠕变蠕变和和滞后滞后小，耐湿，小，耐湿，耐油，耐老化，动态测量时耐疲劳等。耐油，耐老化，动态测量时耐疲劳等。 蠕变蠕变：在温度一定时，应变片承受：在温度一定时，应变片承受一恒定的机械应变时，指示应变随时间一恒定的机械应变时，指示应变随时间变化。变化。 还要考虑应变片的工作条件，如温还要考虑应变片的工作条件，如温度、相对湿度、稳定性要求以及贴片固度、相对湿度、稳定性要求以及贴片固化时加热加压的可能性等。化时加热加压的可能性等。 粘结剂类型：粘结剂类型： 硝化纤维素型硝化纤维素型 氰基丙稀酸型氰基丙稀酸型 聚酯树脂型聚酯树脂型 环氧

13、树脂型环氧树脂型 酚醛树脂型等。酚醛树脂型等。 3.3 电阻应变片的特性电阻应变片的特性 3.3.1 弹性敏感元件及其基本特性弹性敏感元件及其基本特性 物体在外力作用下改变原来尺寸或物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象称为形状的现象称为变形变形， 而当外力去掉后物体又能完全恢复而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，称为其原来的尺寸和形状，称为弹性变形弹性变形。 具有弹性变形特性的物体称为具有弹性变形特性的物体称为弹性弹性元件元件。 弹性元件首先把力、力矩或压力变弹性元件首先把力、力矩或压力变换成应变或位移，换成应变或位移， 然后传递给粘贴在弹性元件上的应然后传递给粘贴在弹性元件

14、上的应变片，通过应变片将力、力矩或压力转变片，通过应变片将力、力矩或压力转换成相应的电阻值。换成相应的电阻值。 弹性元件的基本特性：弹性元件的基本特性： 1. 刚度刚度 刚度是弹性元件受外力作用下变形刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，其定义是弹性元件单位变大小的量度，其定义是弹性元件单位变形时所需要的力。形时所需要的力。 limFdFCxdx F外力，牛顿（外力，牛顿（N）；）； x变形，毫米（变形，毫米（mm）。）。 刚度可以从弹性特性曲线上求得。刚度可以从弹性特性曲线上求得。 图3- 4 弹性特性曲线 2. 灵敏度灵敏度1d xSCd F S是单位力作用下弹性元件产生变形是单位力作

15、用下弹性元件产生变形的大小，的大小， 灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。 与与C相似，如果弹性特性是线性的，相似，如果弹性特性是线性的，则则 S 为一常数。为一常数。 若弹性特性是非线性的，则若弹性特性是非线性的，则 S 为一为一变数，变数， 即表示此弹性元件在弹性变形范围即表示此弹性元件在弹性变形范围内，各处由单位力产生的变形大小是不内，各处由单位力产生的变形大小是不同的。同的。 表表3-2 常用弹性元件的结构和特性常用弹性元件的结构和特性 表表3-2 常用弹性元件的结构和特性常用弹性元件的结构和特性 弹性元件的材料：弹性元件的材料： 合金钢合金钢（40Cr

16、， 35CrMnSiA等）等） 铍青铜（铍青铜（Qbe2，QBr2.5等）等） 不锈钢不锈钢（1Cr18Ni9Ti等）等） 传感器中弹性元件的输入量是力或传感器中弹性元件的输入量是力或压力，输出量是应变或位移。压力，输出量是应变或位移。 3.3.2 电阻应变片的静态特性电阻应变片的静态特性 应变片的电阻值是指应变片没有粘贴应变片的电阻值是指应变片没有粘贴且未受应变时，在室温下测定的电阻值，且未受应变时，在室温下测定的电阻值，即初始电阻。即初始电阻。60、120 、250 、350 、1000 1. 灵敏系数灵敏系数 当具有初始电阻值当具有初始电阻值 R 的应变片粘贴的应变片粘贴于试件表面时，试

17、件受力引起的表面应于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化生电阻相对变化R/R。tRKR t 为应变片的轴向应变为应变片的轴向应变 K=(R/R)/t 为应变片的灵敏系数。为应变片的灵敏系数。 应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数 K 并不等于其敏并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数感栅整长应变丝的灵敏系数K0， K K0 因为，在单向应力产生应变时，因为，在单向应力产生应变时，K 除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧

18、部分横向效应的影响。端圆弧部分横向效应的影响。 应变片的应变片的灵敏系数灵敏系数直接关系到应变直接关系到应变测量的测量的精度精度。实测实测k（标称灵敏系数），所需测试条（标称灵敏系数），所需测试条件：件： 试件材料取泊松比试件材料取泊松比0=0.285的钢材；的钢材； 试件单向受力；试件单向受力； 应变片轴向与主应力方向一致。应变片轴向与主应力方向一致。 2. 横向效应横向效应 应变片的敏感栅是由应变片的敏感栅是由 n 条直线段和条直线段和n-1个半圆圆弧组成。个半圆圆弧组成。图3-5 应变片轴向受力及横向效应（a） 应变片及轴向受力图； （b） 应变片的横向效应图 应变片承受轴向应力而产生纵

19、向拉应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变应变x 时，时， 各各直线段直线段的电阻将增加，的电阻将增加， 但在半圆弧段则受到从但在半圆弧段则受到从 +x 到到x 之间之间变化的应变变化的应变 ， 其电阻的变化将其电阻的变化将小于小于沿轴向安放的沿轴向安放的同样长度电阻丝电阻的变化。同样长度电阻丝电阻的变化。 将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，长度不变，应变状态相同， 但由于敏感栅的电阻变化减小，但由于敏感栅的电阻变化减小， 因而其灵敏系数因而其灵敏系数 K 较整长电阻丝的较整长电阻丝的灵敏系数灵敏系数 K0 小，小， 称为应变片的称为应变片的横向效应横向效应。 为了减小横向效应产生的测量误差，为了减小横向效应产生的测量误差， 多采用多采用箔式箔式应变片。应变片。 3. 绝缘电阻绝缘电阻和最大工作电流和最大工作电流 已粘贴的应变片的引线与被测件之已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值间的电阻值 Rm 。 通常要求通常要求 Rm 在在 50100 M以上。以上。 绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏度降低，度降低， 使应变片的指示应变产生误差。使应变片的指