应变片工作原理学习教案

1、会计学1应变片工作应变片工作(gngzu)原理原理第一页，共62页。 一根(y n)金属电阻丝，未受力时，原始电阻值为 lRA第1页/共62页第二页，共62页。 图3-1 金属电阻丝应变(yngbin)效应 FlrrlF第2页/共62页第三页，共62页。 当电阻丝受到拉力 F 作用时， 将伸长l， 横截面积相应减小A， 电阻率因材料晶格发生(fshng)变形等因素影响而改变了d， 从而引起电阻值相对变化量为 第3页/共62页第四页，共62页。 dRdldAdRlA dl/l长度相对长度相对(xingdu)变化量，称变化量，称为应变为应变 d ll ， 2dAdrAr第4页/共62页第五页，共6

2、2页。 drdlrl 为电阻丝材料的泊松比，为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向负号表示应变方向(fngxing)相反相反。 dl/l=为金属电阻丝的轴向应变为金属电阻丝的轴向应变(yngbin)，轴向应变，轴向应变(yngbin)和径向应和径向应变变(yngbin)的关系为的关系为 第5页/共62页第六页，共62页。 单位应变所引起的电阻相对变化单位应变所引起的电阻相对变化(binhu)量称为电阻丝的灵敏系数量称为电阻丝的灵敏系数。 (12)ddRR第6页/共62页第七页，共62页。12dd RRK K 受两个因素影响(yngxing)： 一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2；

3、另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（d/）/。第7页/共62页第八页，共62页。 对金属材料对金属材料(cilio)， 1+2的值要比的值要比(d/)/大得多，大得多， 而半导体材料而半导体材料(cilio)的的(d/)/项的项的值比值比1+2大得多。大得多。 在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即化与应变成正比，即K为常数。为常数。 第8页/共62页第九页，共62页。 半导体应变片是用半导体材料制成的半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作，其工作(gngzu)原理是基于半导体材原理是基于半导体材料的压阻效应。料的压阻效应。 压阻效应：

4、压阻效应： 当半导体材料受到某一轴向外力作用当半导体材料受到某一轴向外力作用时，其电阻率时，其电阻率发生变化的现象。发生变化的现象。 第9页/共62页第十页，共62页。 当半导体应变当半导体应变(yngbin)片受轴向力作片受轴向力作用时，用时， (12)dd RR dE 第10页/共62页第十一页，共62页。 半导体材料的压阻系数半导体材料的压阻系数(xsh)； 半导体材料所受应变力半导体材料所受应变力; E 半导体材料的弹性模量半导体材料的弹性模量; 半导体材料的应变。半导体材料的应变。第11页/共62页第十二页，共62页。 (12)dRER 对于半导体应变片，对于半导体应变片， E 比比

5、 1+2大上百倍，大上百倍， 1+2可以可以(ky)忽略。忽略。 第12页/共62页第十三页，共62页。d RRKE 半导体应变片的半导体应变片的 K 比金属丝式高比金属丝式高5080倍，倍， 但半导体材料的温度系数大，但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， 使它的应用使它的应用(yngyng)范围受到一定的限制。范围受到一定的限制。第13页/共62页第十四页，共62页。 应力与应变应力与应变(yngbin)的关系：的关系： = E 第14页/共62页第十五页，共62页。 3.2 应变应变(yngbin)片的种类、材料及粘片的种类、材料及粘贴贴 3.2.1 金

6、属电阻应变金属电阻应变(yngbin)片的种类片的种类 第15页/共62页第十六页，共62页。 引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅lb第16页/共62页第十七页，共62页。 敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘(juyun)的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。 金属电阻应变片的敏感栅的形式： 丝式和箔式， 丝式敏感栅的直径0.010.05mm ， 平行排列而成。第17页/共62页第十八页，共62页。 箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的很薄的金属(jnsh)箔栅， 其厚度为0.0030.01mm，可制成各种形状的敏感栅（即应变花）。第18页/共62页第十九页，共62页。No

7、Image第19页/共62页第二十页，共62页。 箔式应变片的优点： 表面积和截面积之比大， 散热性能好， 允许通过的电流(dinli)较大， 可制成各种形状，便于批量生产。第20页/共62页第二十一页，共62页。 覆盖层与基片将敏感栅紧密地粘贴在中间， 对敏感栅起几何形状的固定和绝缘(juyun)、保护作用。 基片将被测体的应变准确地传递到敏感栅上， 基片很薄，0.030.06mm, 基片与被测体及敏感栅能牢固地粘合在一起。第21页/共62页第二十二页，共62页。 基片要求有良好基片要求有良好(lingho)的性能：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。第22页/

8、共62页第二十三页，共62页。 基片和覆盖层的材料基片和覆盖层的材料(cilio)： 胶膜胶膜 纸纸 玻璃纤维布等。玻璃纤维布等。 第23页/共62页第二十四页，共62页。 3.2.2 金属电阻应变片的材料 对电阻丝材料的要求(yoqi)： 灵敏系数大， 且在相当大的应变范围内保持常数； 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； 第24页/共62页第二十五页，共62页。 电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值； 与铜线的焊接性能好， 与其它金属(jnsh)的接触电势小； 机械强度高， 具有优良的机械加工性能。 第25页/共62页第二十六页，共62页。表表3-1 常

9、用金属常用金属(jnsh)电阻丝材料的性能电阻丝材料的性能 第26页/共62页第二十七页，共62页。 康铜(kn tn)（镍Ni：45；铜Cu：55）是目前应用最广泛的应变丝材料。第二十八页，共62页。 第二十九页，共62页。 镍：近似银白色、硬而有延展性并镍：近似银白色、硬而有延展性并具有具有(jyu)铁磁性的金属元素铁磁性的金属元素, 它能够高度磨光和抗腐蚀。它能够高度磨光和抗腐蚀。 第三十页，共62页。 第三十一页，共62页。 康铜的特性：康铜的特性： 灵敏灵敏(ln mn)系数稳定性好，系数稳定性好， 不但在弹性变形范围内能保持为常数，不但在弹性变形范围内能保持为常数， 进入塑性变形范

10、围内也基本上能保持进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；为常数；第三十二页，共62页。 康铜的电阻温度系数较小且稳定， 采用合适的热处理工艺(gngy)时，可使电阻温度系数在50106/的范围内； 康铜的加工性能好，易于焊接， 国内外多以康铜作为应变丝材料。 第三十三页，共62页。 3.2.3 金属电阻应变片的粘贴 应变片用粘结剂粘贴到被测件上。 粘结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测件的应变传递(chund)到敏感栅上。 第三十四页，共62页。 选择粘结剂时必须考虑应变片材料和被测件材料性能(xngnng)，粘接力强，机械性能(xngnng)可靠， 粘合层要有足够大的剪切弹性模量，良好的电绝

11、缘性，蠕变和滞后小，耐湿，耐油，耐老化。 第三十五页，共62页。 蠕变：在温度一定(ydng)时，应变片承受一恒定的机械应变时，指示应变随时间变化。 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化时加热加压的可能性等。 第三十六页，共62页。 粘结剂类型(lixng)： 硝化纤维素型 氰基丙稀酸型 聚酯树脂型 环氧树脂型 酚醛树脂型等。 第三十七页，共62页。 3.3 电阻应变片的特性 3.3.1 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形状的现象称为变形， 而当外力去掉(q dio)后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，称为弹性变形。 具有弹性变形特性的物

12、体称为弹性元件。 第三十八页，共62页。 弹性元件首先把力、力矩或压力变换成应变或位移(wiy)， 然后传递给粘贴在弹性元件上的应变片，通过应变片将力、力矩或压力转换成相应的电阻值。 弹性元件的基本特性： 第三十九页，共62页。 1. 刚度 刚度是弹性元件受外力作用下变形大小(dxio)的量度，其定义是弹性元件单位变形时所需要的力。 limFdFCxdx第四十页，共62页。 F外力，牛顿（N）； x变形(bin xng)，毫米（mm）。 刚度可以从弹性特性曲线上求得。第四十一页，共62页。 图3- 4 弹性(tnxng)特性曲线 OFA1230 x第四十二页，共62页。 2. 灵敏度灵敏度1d

13、 xSCd F S是单位力作用(zuyng)下弹性元件产生变形的大小， 灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。第四十三页，共62页。 与C相似，如果弹性特性是线性的，则 S 为一常数。 若弹性特性是非线性的，则 S 为一变数， 即表示此弹性元件在弹性变形范 围 内 ， 各 处 由 单 位 力 产 生(chnshng)的变形大小是不同的。 第43页/共62页第四十四页，共62页。表表3-2 常用常用(chn yn)弹性元件的结构和特性弹性元件的结构和特性 第44页/共62页第四十五页，共62页。表表3-2 常用弹性元件的结构常用弹性元件的结构(jigu)和特性和特性 第45页/共62页第四十六页，共

14、62页。 弹性元件的材料(cilio)： 合金钢（40Cr， 35CrMnSiA等） 铍青铜（Qbe2，QBr2.5等） 不锈钢（1Cr18Ni9Ti等） 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。 第46页/共62页第四十七页，共62页。 3.3.2 灵敏系数 当初始电阻值 R 的应变(yngbin)片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变(yngbin)，将传递给应变(yngbin)片的敏感栅，使其产生电阻相对变化R/R。tRKR第47页/共62页第四十八页，共62页。 t 为应变片的轴向应变 K=(R/R)/t 为应变片的灵敏系数。 应变片的灵敏系数 K 并不等于其敏感栅

15、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，K 除受到敏感栅结构形状(xngzhun)、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。第48页/共62页第四十九页，共62页。 应变片的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。 实测 k ，所需测试条件： 试件材料取泊松比0=0.285的钢材； 试件单向(dn xin)受力； 应变片轴向与主应力方向一致。 第49页/共62页第五十页，共62页。 3.3.3 横向效应 应变片的敏感(mngn)栅是由 n 条直线段和n-1个半圆圆弧组成。第50页/共62页第五十一页，共62页。图3-5 应变(yngbin)片

16、轴向受力及横向效应（a） 应变(yngbin)片及轴向受力图； （b） 应变(yngbin)片的横向效应图 Fll1Frxyar(a)(b)第51页/共62页第五十二页，共62页。 应变片承受应变片承受(chngshu)轴向应力而轴向应力而产生纵向拉应变产生纵向拉应变x 时，时， 各直线段的电阻将增加，各直线段的电阻将增加，第52页/共62页第五十三页，共62页。 但在半圆弧段则受到从 +x 到x 之间变化的应变 ， 其电阻(dinz)的变化将小于沿轴向安放的同样长度电阻(dinz)丝电阻(dinz)的变化。 第53页/共62页第五十四页，共62页。 将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应

17、变状态相同， 但由于敏感栅的电阻变化减小， 因而其灵敏系数 K 较整长电阻丝的灵敏系数 K0 小， 称为应变片的横向(hn xin)效应。 第54页/共62页第五十五页，共62页。 为了减小横向为了减小横向(hn xin)效应产生的效应产生的测量误差，测量误差， 多采用箔式应变片。多采用箔式应变片。 第55页/共62页第五十六页，共62页。 3.3.4 绝缘电阻和最大工作电流 已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值 Rm 。 通常要求 Rm 在 50100 M以上。 绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏度降低， 使应变片的指示(zhsh)应变产生误差。 第56页/共62页第五十七页，共62页。 Rm取决于粘结剂及基底材料的种类及固化工艺。 在常温下要采取防潮措施(cush)， 在中温或高温条件下，要选取电绝缘性能良好的粘结剂和基底材料。第57页/共62页第五十八页，共62页。 最大工作电流是指已安装的应变片最大工作电流是指已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响允许通过敏感栅而不影响(yngxing)其其工作特性的最大电流工作特性的最大电流Imax。 第58页/共62页第五十九页，共62页。 工作电流大，输出信号也大，灵敏度就高。 但工作电流过大会使应变片过热，灵