检测技术基础3周-应变片课件

检测技术基础检测就是去认识——科学家西门子（W.Ven.Siemens）非电量检测技术在生产过程中，检测技术研究的对象大多数是非电量的测量技术。常见的测量对象如：热工量：压力，温度，流量；机械量：位移，压力，长度，物位，速度，加速度，振动；

学习非电量检测技术，首先需要学习传感技术。传感技术对国民经济的重要性是无可低估的，没有性能好的传感器，就不会有良好的检测技术的发展。国内传感器共分10大类，24小类，6000个品种，而国外品种更多，如美国约有17000种传感器，所以发展传感器品种的领域很宽广。化工量：浓度，成份，PH值，黏度；一、电阻应变式传感器应变片传感器用途:压力,荷重,扭矩,加速度等的测量。特点:体积小,性能稳定,精度高,结构简单,测量范围大,抗干扰能力强等.目前主要有两种:金属电阻丝应变片,半导体应变片。下图为金属电阻丝应变片的外形结构.应变效应——金属丝金属电阻丝的电阻关系:当电阻丝受到外力作用发生形变,影响电阻变化的三个参数（电阻率、长度、截面积）:全微分方程:应变效应——金属丝电阻相对变化量:对于截面积变化量转换为直径变化:根据材料力学横向收缩和纵向伸长关系:整理::泊松系数,=0.3→0.5;ε和分别为纵向应变（长度相对变化量）和横向应变（横向相对变化量）金属-半导体区别(1)对于金属电阻丝应变片的电阻率受力后变化甚微,故可以忽略不计:

为电阻丝灵敏系数，μ在0.3-0.5，所以K为1.6-2.0。(2)对于半导体应变片是根据压阻效应工作的电阻率的变化要比前两项大得多.其中:r压阻系数;沿纵向的应变;E材料的弹性模量;K灵敏系数。K=50-70远比金属电阻丝应变片的灵敏度高。灵敏系数k-补充当具有初始电阻值的应变计粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变计的敏感栅，使其产生电阻相对变化。实验证明，在一定的应变范围内，有下列关系：式中：为应变计轴向应变；

为应变计的灵敏系数。两种应变片的特性小结1.灵敏度

金属电阻丝:K=1+2,为金属材料的泊松系数,=0.3-0.5.

所以,应变片灵敏系数最大为K=2.半导体材料:K=50~70，可测微小应变（600微应变，长度相对变化量为10-6为1微应变）2.线性度:金属电阻丝:非线性误差小,在较大测量范围内应变片灵敏系数基本不变。半导体材料:非线性误差严重,测量范围小。3.动态特性:

金属电阻丝:响应速度在低频时较好,但随频率提高,响应速度有可能跟不上而导致失真.半导体材料:因体积小,保证响应速度良好的频率范围较宽.4.其他特性:

半导体材料的横向效应,机械滞后小于金属电阻丝.金属应变的类型金属丝式金属箔式金属薄膜式金属丝式金属箔式应变片在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求;（2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅;（3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流大，灵敏度提高;（4）横向效应可以忽略;（5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。金属电阻丝应变片的横向效应1.实际灵敏系数上述讨论的灵敏系数K=1+2,指的是一根金属导体,但是当金属丝绕制成栅状片时,增加了多处的弯角,金属丝无论是在拉伸还是压缩,直线部分与弯角部分的应变不相同。金属丝受外力后,直线部分仅受到纵向应变,而弯角部分将同时受到纵向和横向两个方向的应变.使弯角部分的电阻变化减少。这就是横向效应。2.横向效应的缺点：（1）灵敏系数减小，（2）电阻与应变的关系存在非线性。减少横向效应的几种措施敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。

（1）减少弯角横向长度：（2）加粗弯角宽度：（3）弯角采用良导体材料：金属电阻丝应变片的温度误差及补偿使用应变片测量应变时，总希望应变片电阻仅同受力应变有关,不受其他因素影响。但实际上环境温度变化必然会导致应变片产生附加误差。

电阻温度系数的影响：敏感栅的电阻丝随温度变化的关系式如下：Ra：温度t时的电阻值；Ro：温度to时的电阻值；：参考温度to时的电阻温度系数。其中：R=Rot表示温度变化后产生的电阻变化量，这是在测量应变时温度变化引起的误差之一。工件材料与电阻丝材料的线膨胀系数的影响设金属丝的线胀系数为s，工件弹性体的线胀系数为g，当温度变化后各自自由伸长。实际使用时，应变片基片与工件（弹性体）是采用特殊粘结剂作刚性连接，受力后两者之间不产生滑动。如果两者的线胀系数相同，则金属丝的变形处于自由状态，不会产生附加形变。否则两者因线胀量不一致，导致相互牵扯而引起附加形变。

电阻丝：工件弹性体：总的附加电阻：附加电阻：附加应变：附加伸长：电阻应变片的温度补偿方法R1RBR3R4R1RB初始状态Uo=A（R1R4-RBR3）=0温度变化后Uo=A［（R1+ΔR1t）R4-(RB+ΔRBt)R3］=0R1=RBR3=R4补偿了温度温度引起的误差可由半桥和全桥补偿优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好缺点：在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。弹性模量E的温度补偿弹性模量E随温度上升而减小，导致应变阻值减小，产生误差。金属丝电阻应变片的表示方法横向应变与纵向应变的关系:用长方形符号表示电阻应变片.图(a)受到的是压力,纵向受力电阻减小,横向受力电阻增加;图(b)受到的是拉力,纵向受力电阻增加,横向受力电阻减小;应变片电阻测量简单电路将受力形变后的应变片电阻变化量转化为电压信号:

图中R1为固定电阻,R2为应变片电阻.

输出电压:(1)应变片受力形变前:(2)应变片受力形变后:不足：输入输出信号不一致:受力为0时,输出电压不为0;不能反映受力方向:应变片无论拉伸还是压缩输出电压总是正电压.直流电桥平衡条件电桥输出电压平衡条件对电桥输出电压:若R1-R4受到应变作用阻值=Ri+Ri。若，负载电阻无穷大，输出电压可近似为：Ri=R(1)单臂电桥R1-R4只有一个为工作的应变片(如R1),其余为固定电阻.则:R1=R2=R3=R4;ΔR1=ΔR，

ΔR2-4=0提高电压U或选用灵敏度系数高的应变片能提高桥路的电压灵敏度。由于应变片有功率限制，因此桥路电压有上限。(2)对称电桥:通常只有两个桥臂为工作的应变片(如R1,R2),其余为固定电阻.<1>若R1纵向应变ε,R2横向应变ετ<2>若R1,R3均为纵向应变ε

(3)非对称电桥:

a=?使输出最大?R1和R4产生不同的应变a=1,令t=a+1,变换后求导。对称电桥是非对称电桥的特例，其优点是非线性误差较小。（4）全桥电路（4个电阻都是应变电阻）:欲使输出电压最大，R２＜０，R４＜０，则让R1、R3产生纵向应变，R2、R4产生横向应变。电压灵敏度最高，因此是最常用的一种桥路非线性误差非线性误差9半桥差动电路R1+ΔR1R2-ΔR2若ΔR1=ΔR2,R1=R2,R3=R4,则得Uo与（ΔR1/R1）呈线性关系,差动电桥无非线性误差,而且电桥电压灵敏度KU=E/2,比单臂工作时提高一倍,同时还具有温度补偿作用。在试件上安装两个工作应变片,一个受拉应变,一个受压应变,接入电桥相邻桥臂,称为半桥差动电路,该电桥输出电压为结论<2>对于半桥和全桥,通常采用同性质的敏感元件作为桥臂.那么各自的电桥输出电压如下:<1>无论哪一种电桥,全桥的灵敏度最高;全桥工作时:半桥工作时:单臂工作时:结论<3>选用半桥和全桥测量电路不仅可以提高电桥的灵敏度,还可以克服非线性和温度引起的干扰.<4>为了提高电桥的灵敏度,可以适当提高电源电压.但是电源电压过高会引起电流增加,导致温度对敏感元件的影响而造成附加误差.电桥调零制造工艺原因可能是的电桥不受载荷时输出电压不为零，因此必须调零。P107例题1如图所示,初始状态R1=R2=R3=R4=120Ω，U=12V,求输出电压U0。(1)只有R1为工作的应变片,k=2,ε=0.0016;(2)只有R1,R2为工作的应变片,k=2,ε1=0.0016;ε2=-0.0016;(3)R1-R4均为工作的应变片,k=2,ε1=ε3=0.0016;ε2=ε4=-0.0016;解:(1)只有R1为工作的应变片,k=2,ε=0.0016(3)R1-R4均为工作的应变片,k=2,ε1=ε3=0.0016;

ε2=ε4=-0.0016;(2)只有R1,R2为工作的应变片,k=2,ε1=0.0016;ε2=-0.0016;交流电桥或者:交流电桥的参数为阻抗:1.平衡条件:与直流电桥类似.阻抗参数也可以用复数形式表示:交流电桥的平衡条件:实部相等:虚部相等:例:如图所示,某个交流电桥,已知Z1=R1+jX1=5+j6,Z2=R2+jX2=4-j2,Z3=R3+jX3=6+j2,为了满足平衡条件,Z4取多少?虚部相等:解:交流电桥的平衡条件:实部相等:联立方程,求得:R4=-1(Ω),X4=11(Ω),联立方程,求得:R4=5.8(Ω),X4=9.4(Ω).上述结果说明该交流电桥能达到平衡.实部相等:虚部相等:若Z3=R3+jX3=6-j2,则:上述结果说明该交流电桥不可能达到平衡常见的电阻应变片传感器的结构1.悬臂梁特点：灵敏度高，测量范围小在梁的同一位置的上方与下方各粘贴同性质的应变片,可以得到大小相同方向相反的应变。F：外部施力；E：梁材料的弹性模量；b:宽度；受力关系:续例题有一应变式等强度悬臂梁式力传感器,假设悬臂梁的热胀系数相等,R1=R2,构成半桥双臂电路。设悬臂梁的厚度h=0.5mm,固定端宽度b=18mm,l=15mm材料的弹性模量E=21011N/m2,应变片灵敏度K=2,桥路的电源电压Ui=2V,若输出电压为1.0mV,计算作用力F.

解:计算作用力F:悬臂梁的应变与外力的关系:桥路输出电压与电阻变化关系