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文档简介
第二章电阻式传感器2
概述基本原理将被测的非电量转换成电阻值的变化通过测量电阻值变化实现非电量测量电阻材料导体、半导体、电解质溶液被测量(非电量)力、压力、位移、应变、加速度、温度等敏感元件应变片(应变式传感器)半导体膜片(压阻式传感器)3第一节应变式传感器一、工作原理二、应变片的主要特性三、应变片的类型和材料四、转换电路五、温度误差及其补偿六、应用4实验:取一根细电阻丝,两端接上一台数字式欧姆表,记下其初始阻值(图中为10.01
)。当用力将该电阻丝拉长时,阻值略有增加(图中增加到为10.05
)。5一、工作原理(一)电阻应变效应导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时,其电阻值相应发生变化现象(1856年W.Thomson发现)。机械变形电阻值变化6一根金属电阻丝,未受力时,电阻值为式中:ρ——电阻丝的电阻率;
l——电阻丝的长度;
S——电阻丝的截面积。
lΔlΔrrFF7lΔlΔrrFF电阻丝受到拉力F作用长度伸长Δl横截面积相应减小ΔS电阻率因材料晶格发生变形等影响而改变了Δρ电阻值相对变化量为8电阻丝轴向应变截面积相对变化量由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短。轴向应变和径向应变的关系可表示为μ为电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反9“应变效应”表达式10K0—金属电阻丝的灵敏系数物理意义:单位应变所引起的电阻相对变化量K0受两个因素影响
,应变片受力后材料几何尺寸的变化,应变片受力后材料的电阻率的变化11金属材料:K0主要由材料的几何尺寸变化引起—电阻应变效应实验证明,在电阻丝拉伸极限内,电阻的相对变化与应变成正比,K0为常数,约为2。半导体:K0主要由半导体材料的电阻率变化所决定—压阻效应12(二)应变片的基本结构及测量原理敏感栅:应变片的核心部分绝缘基片:将被测体的应变准确地传递到敏感栅上,材料胶膜、纸、玻璃纤维布等覆盖层:起保护作用引线:转换和测量电阻l:应变片的基长b:应变片基宽l×b:应变片使用面积13应变片在悬臂梁上的粘贴及变形14荷重传感器原理演示
荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短,周向变长。
15用应变片测量应力的测量原理在外力作用下,被测对象产生微小机械变形应变片敏感栅发生变形应变片电阻值发生相应变化应力σ与应变ε之间关系当测得应变片电阻值变化量为ΔR时,可得被测对象的应变值及所受到的应力σ=E·εE—材料弹性模量
16二、应变片的主要特性灵敏系数具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面试件受力引起表面应变,传递给应变片的敏感栅敏感栅电阻相对变化量ΔR/R定义K为应变片的灵敏系数,表示安装于试件表面上的应变片,在其轴向受到单向应力时,应变片电阻相对变化量(ΔR/R)与试件表面轴向应变(ε)之比。K<K0
?17横向效应敏感栅是由n条长度为l1的直线段和直线段端部的n-1个半径为r的半圆圆弧或直线组成。应变片承受轴向应力而产生轴向拉应变εx各直线段的电阻将增加半圆弧段则受到从+εx到-εy
之间变化的应变,其电阻的变化将小于沿轴向安放的同样长度电阻丝电阻的变化。18将直的电阻丝绕成敏感栅后,虽然长度不变,但应变状态不同,应变片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,这种现象称为应变片的横向效应。横向效应使灵敏系数降低。19机械滞后定义:加载特性曲线与卸载特性曲线不一致的现象。原因:敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变后留下的残余变形。改进:选用合适粘合剂、做三次以上加卸载循环再使用。20零漂和蠕变—衡量时间稳定性零漂:粘贴在试件上的应变片,在温度保持恒定、不承受机械应变时,其电阻值随时间变化的特性。蠕变:在一定温度下,使其承受恒定的机械应变,其电阻值随时间变化的特性。21应变极限和疲劳寿命应变极限:一定温度下,应变片指示应变对测试值的真实应变相对误差(一般为10%)不超过规定范围时的最大真实应变值。疲劳寿命:在恒定幅值的交变力作用下,可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。22最大工作电流和绝缘电阻最大工作电流:已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流Imax。工作电流大,输出信号也大,灵敏度就高。工作电流过大会使应变片过热,灵敏系数产生变化,零漂及蠕变增加,甚至烧毁应变片。工作电流的选取:根据试件的导热性能及敏感栅形状和尺寸来决定。静态测量时取25mA左右。动态测量时可取75~100mA。箔式应变片散热条件好,电流可取得更大一些。在测量塑料、玻璃、陶瓷等导热性差的材料时,电流可取得小一些。23绝缘电阻:应变片的引线与被测试件之间的电阻值Rm。绝缘电阻过低会造成漏电,使测量系统的灵敏度降低,使应变片的指示应变产生误差。通常要求Rm在50~100MΩ以上。Rm取决于粘结剂及基底材料的种类及固化工艺。在常温使用条件下要采取必要的防潮措施,而在中温或高温条件下,要注意选取电绝缘性能良好的粘结剂和基底材料。24应变片电阻R应变片在未经安装也不受外力情况下,在室温下测得的电阻值。增大电阻值,可以加大应变片的承受电压,输出信号大,敏感栅尺寸增大。常用电阻系列:60Ω、120Ω、200Ω、350Ω、500Ω、1000Ω。25动态响应特性测量变化频率较高的动态应变时,要考虑动态响应特性。电阻应变片在测量频率较高的动态应变时,应变是以应变波的形式在材料中传播的,它的传播速度与声波相同,对于钢材v≈5000m/s。由于应变片的敏感栅相对较长,当应变波在纵栅长度方向上传播时,只
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