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1、第第2 2章章应变式传感器应变式传感器各种电子秤各种电子秤广泛应用于广泛应用于概述概述概述概述第第第第2 2 2 2章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述第第第第2 2 2 2章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器概述概述概述概述第第第第2 2 2 2章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器概述概述概述概述高高精精度度电电子子汽汽车车衡衡 动态电子秤动态电子秤电子天平电子天平概述概述概述概述第第第第2 2 2 2章章章章 应变式传感器应变式传
2、感器应变式传感器应变式传感器机械秤包装机机械秤包装机吊秤吊秤概述概述概述概述第第第第2 2 2 2章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器概述概述概述概述概述概述概述概述第第第第2 2 2 2章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述第第第第2 2 2 2章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述概述第第第第2 2 2 2章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器概述概述概述概述5斜拉桥上的斜拉绳应变测试斜拉桥上的斜拉绳应变测试 第第第第
3、2 2 2 2章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器概述概述概述概述结构受力和变形测量结构受力和变形测量可制成多种用途的传感器，应用领域非常广泛。可制成多种用途的传感器，应用领域非常广泛。概述概述概述概述第第第第2 2 2 2章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器 金属应变片式传感器金属应变片式传感器 -金属应变效应。金属应变效应。半半导导体体压压阻阻式式传传感感器器 -半半导导体体材材料料的的压压阻效应。阻效应。概述概述概述概述 有两种类型：有两种类型：2.1 2.1 金属应变片式传感器金属应变片式传感器基本原理基本原理基本结构基本结构基本测量电路基本
4、测量电路主要特性主要特性温度误差及其补偿温度误差及其补偿常用应变式传感器常用应变式传感器第第第第2 2 2 2章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器金属应变式传感器的核心元件是金属应变式传感器的核心元件是电阻应变片电阻应变片，它，它可将试件上的可将试件上的应变的应变的变化转换成变化转换成电阻变化电阻变化。应变效应：应变效应：导体或半导体在受到外界力的作用时产生导体或半导体在受到外界力的作用时产生机械变形，导致其阻值发生变化，这种现机械变形，导致其阻值发生变化，这种现象称为象称为应变效应应变效应。2.12.1金属应变片式传感器金属应变片式传感器金属应变片式传感器金属应变片式传
5、感器金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理2.1 2.1 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器对对于于一一长长为为L L、横横截截面面积积为为S S、电电阻阻率率为为的的金金属属丝丝，其其电电阻阻值值R R为：为：受力受力受力受力F F2rL受力受力受力受力F F2r2r金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片
6、的基本工作原理当当当当受受受受到到到到轴轴轴轴向向向向拉拉拉拉力力力力F F F F作作作作用用用用时时时时，金金金金属属属属丝丝丝丝几几几几何何何何尺尺尺尺寸寸寸寸变变变变化化化化引起电阻的相应变化：引起电阻的相应变化：引起电阻的相应变化：引起电阻的相应变化：2.1 2.1 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器应变应变：为金属材料的为金属材料的泊松系数泊松系数。金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理2.1 2.1 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感
7、器金属应变式传感器由由由由材料力学材料力学材料力学材料力学泊松定律泊松定律，在弹性范围内金属丝，在弹性范围内金属丝，在弹性范围内金属丝，在弹性范围内金属丝轴向应变轴向应变轴向应变轴向应变 和和和和径向径向径向径向应变应变应变应变rr的关系为：的关系为：的关系为：的关系为：rr：径向应变径向应变径向应变径向应变无应变时的电阻值无应变时的电阻值金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理2.1 2.1 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器代入得：代入得：金属材料的泊松比金属材料的泊松比金
8、属材料的某个常数金属材料的某个常数轴向应变大小轴向应变大小应变灵敏系数应变灵敏系数Ks约在1.83.6之间无应变时的电阻值无应变时的电阻值有应变时的电阻值变化大小有应变时的电阻值变化大小金属材料的泊松比金属材料的泊松比金属材料的某个常数金属材料的某个常数轴向应变大小轴向应变大小金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理2.1 2.1 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属丝受到应变的作用会引起金属丝阻值发生金属丝受到应变的作用会引起金属丝阻值发生变化。变化。应变式传感器的工作原理
9、：应变式传感器的工作原理：根据这种原理可以制成各种应变片。根据这种原理可以制成各种应变片。应变片的基本结构应变片的基本结构应变片的基本结构应变片的基本结构2.1 2.1 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属电阻应变片主要有三种：金属电阻应变片主要有三种：金属丝式金属丝式箔式箔式薄膜式薄膜式应变片的基本结构应变片的基本结构应变片的基本结构应变片的基本结构2.1 2.1 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器典型的电阻应变片结构示意图典型的电阻应变片结构示意图由由由由敏感栅敏感栅敏感栅敏感栅1 1、基底基底基
10、底基底2 2、盖片盖片盖片盖片3 3、引线引线引线引线4 4和和和和粘结剂粘结剂粘结剂粘结剂等组成。等组成。等组成。等组成。这这这这些些些些部部部部分分分分所所所所选选选选用用用用的的的的材材材材料料料料将将将将直直直直接接接接影影影影响响响响应应应应变变变变片片片片的的的的性性性性能能能能。因因因因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。2341bl栅长栅长栅宽栅宽金属丝式应变片基本结构金属丝式应变片基本结构金属丝式应变片基本结构金属丝式应变片基本结构金属丝式应变片的基本结
11、构金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构2.1 2.1 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器 23411-1-敏感栅敏感栅敏感栅敏感栅由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的阻值为由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的阻值为由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的阻值为由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的阻值为6060、120120、200200等多种规格，以等多种规格，以等多种规格，以等多种规格，以120120最为常用。最为常用。最为常用。最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测
12、应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。轴向应变量。轴向应变量。轴向应变量。2.1 2.1 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器 23411-1-敏感栅敏感栅敏感栅敏感栅对敏感栅的材料的要求：对敏感栅的材料的要求：对敏感栅的材料的要求：对敏感栅的材料的要求：应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；应变
13、灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻温度系数要小；电阻温度系数要小；电阻温度系数要小；电阻温度系数要小；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；
14、在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；加工性能良好加工性能良好加工性能良好加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；易于拉制成丝或轧压成箔材；易于拉制成丝或轧压成箔材；易于拉制成丝或轧压成箔材；易于焊接，对引线材料的热电势小。易于焊接，对引线材料的热电势小。易于焊接，对引线材料的热电势小。易于焊接，对引线材料的热电势小。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构2.1
15、2.1 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器 2341基底基底2和和盖片盖片3基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置。基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置。基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置。基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置。盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。护敏感栅。护敏感栅。护敏感栅。基底的全长称为基底的全长称为基底的全长称为基底的全长称为基底长基底长基
16、底长基底长，其宽度称为，其宽度称为，其宽度称为，其宽度称为基底宽基底宽基底宽基底宽。金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构2.1 2.1 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器 2341引线引线4是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对对对对引引引引线线线线材材材材料料料料的的的的性性性性能能能能要要要要求求求求：电电电电阻阻阻阻率率率率低低低低、电电电电阻阻阻阻温温温温度度度度系系系系数数
17、数数小小小小、抗氧化性能好、易于焊接。抗氧化性能好、易于焊接。抗氧化性能好、易于焊接。抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。大多数敏感栅材料都可制作引线。大多数敏感栅材料都可制作引线。大多数敏感栅材料都可制作引线。金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构2.1 2.1 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器 2341粘结剂粘结剂作用：作用：作用：作用：1 1将将将将敏敏敏敏感感感感栅栅栅栅固固固固定定定定于于于于基基基基底底底底上上上上，并并并并将将将将盖盖盖盖片片片片与与与与基基
18、基基底底底底粘粘粘粘贴贴贴贴在在在在一一一一起。起。起。起。2.2.将应变片粘贴在弹性元件上，构成传感器。将应变片粘贴在弹性元件上，构成传感器。将应变片粘贴在弹性元件上，构成传感器。将应变片粘贴在弹性元件上，构成传感器。常用的粘结剂：常用的粘结剂：常用的粘结剂：常用的粘结剂：分为分为分为分为有机有机有机有机和和和和无机无机无机无机两大类。两大类。两大类。两大类。有有有有机机机机粘粘粘粘结结结结剂剂剂剂用用用用于于于于低低低低温温温温、常常常常温温温温和和和和中中中中温温温温。常常常常用用用用的的的的有有有有聚聚聚聚丙丙丙丙烯烯烯烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。酸酯、酚醛树脂、有机硅树
19、脂，聚酰亚胺等。酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无无无无机机机机粘粘粘粘结结结结剂剂剂剂用用用用于于于于高高高高温温温温，常常常常用用用用的的的的有有有有磷磷磷磷酸酸酸酸盐盐盐盐、硅硅硅硅酸酸酸酸、硼硼硼硼酸酸酸酸盐等。盐等。盐等。盐等。金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构应变片的基本结构应变片的基本结构应变片的基本结构应变片的基本结构2.1 2.1 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属箔式应变片金属箔式应变片金属箔式应变片金属箔式应变片利
20、利利利用用用用光光光光刻刻刻刻、腐腐腐腐蚀蚀蚀蚀等等等等工工工工艺艺艺艺制制制制成成成成一一一一种种种种很很很很薄薄薄薄的的的的金金金金属属属属箔箔箔箔栅栅栅栅，厚厚厚厚度度度度一一一一般般般般在在在在0.0030.0100.0030.010mmmm，粘粘粘粘贴贴贴贴在在在在基基基基片片片片上上上上，上上上上面面面面再再再再覆覆覆覆盖盖盖盖一层薄膜而制成。一层薄膜而制成。一层薄膜而制成。一层薄膜而制成。应变片的基本结构应变片的基本结构应变片的基本结构应变片的基本结构2.1 2.1 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属箔式应变片和丝式应变片相比较，
21、有如下金属箔式应变片和丝式应变片相比较，有如下金属箔式应变片和丝式应变片相比较，有如下金属箔式应变片和丝式应变片相比较，有如下特点特点特点特点。金金金金属属属属箔箔箔箔栅栅栅栅很很很很薄薄薄薄，与与与与试试试试件件件件表表表表面面面面的的的的应应应应力力力力状状状状态态态态更更更更为为为为接接接接近近近近。其其其其次次次次，接接接接触触触触面面面面积积积积比比比比丝丝丝丝材材材材大大大大，使使使使它它它它能能能能更更更更好好好好地地地地和和和和试试试试件件件件共共共共同同同同工工工工作作作作。第第第第三三三三，箔箔箔箔栅栅栅栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度。的端部较宽，横向
22、效应较小，因而提高了应变测量的精度。的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度。的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度。箔箔箔箔材材材材表表表表面面面面积积积积大大大大，散散散散热热热热条条条条件件件件好好好好，故故故故允允允允许许许许通通通通过过过过较较较较大大大大电电电电流流流流，因因因因而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。箔箔箔箔栅栅栅栅的的的的尺尺尺尺寸寸寸寸准准准准确确确确、均均均均匀匀匀匀，且且且且能能能能制制制制成成成成任任任任意意意意形形形形状
23、状状状，特特特特别别别别是是是是为为为为制制制制造造造造应应应应变变变变花花花花和和和和小小小小标标标标距距距距应应应应变变变变片片片片提提提提供供供供了了了了条条条条件件件件，从从从从而而而而扩扩扩扩大大大大了了了了应应应应变变变变片片片片的的的的使使使使用范围。用范围。用范围。用范围。便于成批生产。便于成批生产。便于成批生产。便于成批生产。缺缺缺缺点点点点：电电电电阻阻阻阻值值值值分分分分散散散散性性性性大大大大，有有有有的的的的相相相相差差差差几几几几十十十十，故故故故需需需需要要要要作作作作阻阻阻阻值值值值调调调调整整整整；生生生生产产产产工工工工序序序序较较较较为为为为复复复复杂杂杂
24、杂，因因因因引引引引出出出出线线线线的的的的焊焊焊焊点点点点采采采采用用用用锡锡锡锡焊焊焊焊，因因因因此此此此不不不不适适适适于于于于高高高高温温温温环境下测量；此外价格较贵。环境下测量；此外价格较贵。环境下测量；此外价格较贵。环境下测量；此外价格较贵。应变片的基本结构应变片的基本结构应变片的基本结构应变片的基本结构2.1 2.1 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属薄膜应变片金属薄膜应变片采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成
25、应变片。以形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。流密度大，工作温度范围较广。应变片的基本结构应变片的基本结构应变片的基本结构应变片的基本结构2.1 2.1 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器应变片的基本结构应变片的基本结构应变片的基本结构应变片的基本结构2.1 2.1 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变计金属应变计2.1 2.1 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变片的主
26、要特性金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性1.1.灵敏度系数灵敏度系数2.2.横向效应横向效应3.3.机械滞后机械滞后4.4.零点漂移和蠕变零点漂移和蠕变5.5.应变极限应变极限6.6.动态特性动态特性金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性1.1.1.1.灵敏度系数灵敏度系数灵敏度系数灵敏度系数应变片应变片应变片应变片的灵敏系数的灵敏系数的灵敏系数的灵敏系数K K K K表示，表示，表示，表示，K K K K恒小于恒小于恒小于恒小于K K K KS S S S。被测体被测体被测体被测体应变片应变片应变片应变片(1)(1)(1)(
27、1)胶层传递变形失真胶层传递变形失真胶层传递变形失真胶层传递变形失真(2)(2)(2)(2)横向效应。横向效应。横向效应。横向效应。主要原因主要原因主要原因主要原因:金属应变丝金属应变丝金属应变丝金属应变丝的灵敏度系数的灵敏度系数的灵敏度系数的灵敏度系数K K K KS S S S表示。表示。表示。表示。金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性2.2.2.2.横向效应横向效应横向效应横向效应bl栅长栅长栅长栅长栅宽栅宽栅宽栅宽实实实实际际际际上上上上，构构构构件件件件横横横横向向向向应应应应变变变变与与与与纵纵纵纵向向向向应应应应变变变变的的的的方方方方
28、向向向向总总总总是是是是相相相相反反反反的的的的，因因因因此此此此横向效应的存在将减小应变片的灵敏度。横向效应的存在将减小应变片的灵敏度。横向效应的存在将减小应变片的灵敏度。横向效应的存在将减小应变片的灵敏度。应应应应变变变变片片片片的的的的这这这这种种种种既既既既受受受受轴轴轴轴向向向向应应应应变变变变影影影影响响响响，又又又又受受受受横横横横向向向向应应应应变变变变影影影影响响响响而引起电阻变化的现象称为而引起电阻变化的现象称为而引起电阻变化的现象称为而引起电阻变化的现象称为横向效应横向效应横向效应横向效应。设设设设敏敏敏敏感感感感栅栅栅栅有有有有n n n n根根根根纵纵纵纵栅栅栅栅，每
29、每每每根根根根长长长长为为为为l l l l，横横横横栅栅栅栅半半半半径为径为径为径为r r r r，在轴向应变，在轴向应变，在轴向应变，在轴向应变作用下作用下作用下作用下应变片敏感栅的总变形为应变片敏感栅的总变形为:可见，敏感栅电阻的相对变化分别是可见，敏感栅电阻的相对变化分别是可见，敏感栅电阻的相对变化分别是可见，敏感栅电阻的相对变化分别是 和和和和 r r r r作用的结果。作用的结果。作用的结果。作用的结果。横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应系数横向效应系数横向
30、效应系数横向效应系数H H H H。即：。即：。即：。即：可见，可见，可见，可见，r r r r愈小、愈小、愈小、愈小、l l l l愈大，则愈大，则愈大，则愈大，则H H H H愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。变片，其横向效应引起的误差越小。变片，其横向效应引起的误差越小。变片，其横向效应引起的误差越小。2.2.2.2.横向效应横向效应横向效应横向效应金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性3.3.3.3.机械滞后机械滞后机械
31、滞后机械滞后应应应应变变变变片片片片粘粘粘粘贴贴贴贴在在在在被被被被测测测测试试试试件件件件上上上上，当当当当温温温温度度度度恒恒恒恒定定定定时时时时，其其其其加加加加载载载载特特特特性与卸载特性不重合，即为性与卸载特性不重合，即为性与卸载特性不重合，即为性与卸载特性不重合，即为机械滞后机械滞后机械滞后机械滞后。1 1 1 1机械应变机械应变机械应变机械应变 R R R R卸载卸载卸载卸载加载加载加载加载指指指指示示示示应应应应变变变变 i i i i图图图图2-3 2-3 2-3 2-3 应变片的机械滞后应变片的机械滞后应变片的机械滞后应变片的机械滞后金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性
32、金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性3.3.3.3.机械滞后机械滞后机械滞后机械滞后减小措施：减小措施：减小措施：减小措施：通通通通常常常常在在在在实实实实验验验验之之之之前前前前应应应应将将将将试试试试件件件件预预预预先先先先加加加加、卸卸卸卸载载载载若若若若干干干干次次次次，以以以以减减减减少少少少因因因因机机机机械械械械 滞后所产生的实验误差；滞后所产生的实验误差；滞后所产生的实验误差；滞后所产生的实验误差；粘结剂充分固化。粘结剂充分固化。粘结剂充分固化。粘结剂充分固化。产生原因：产生原因：产生原因：产生原因：应应应应变变变变片片片片在在在在承承承承受受受受机机机机械械械械应应应应变
33、变变变后后后后的的的的残残残残余余余余变变变变形形形形，使使使使敏敏敏敏感感感感栅栅栅栅电电电电阻阻阻阻发发发发生生生生少少少少量量量量不可逆变化；不可逆变化；不可逆变化；不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的不适当的变形；在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的不适当的变形；在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的不适当的变形；在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的不适当的变形；粘结剂固化不充分等。粘结剂固化不充分等。粘结剂固化不充分等。粘结剂固化不充分等。金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性4.4.4.4.零点漂移和蠕变零点漂移和蠕变零点漂移和蠕变零点漂
34、移和蠕变对对于于粘粘贴贴好好的的应应变变片片，当当温温度度恒恒定定时时，不不承承受受应应变变时时，其其电电阻阻值值随随时时间间增增加加而而变变化化的的特特性性，称称为应变片的为应变片的零点漂移零点漂移。产生的原因：产生的原因：产生的原因：产生的原因：敏感栅通电后的温度效应；敏感栅通电后的温度效应；敏感栅通电后的温度效应；敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；应变片的内应力逐渐变化；应变片的内应力逐渐变化；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。粘结剂固化不充分等。粘结剂固化不充分等。粘结剂固化不充分等。解决方案：解决方案：解决方案：解决方案：老化、充分固化老化、充分固化老化、充分
35、固化老化、充分固化金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性4.4.4.4.零点漂移和蠕变零点漂移和蠕变零点漂移和蠕变零点漂移和蠕变如如如如果果果果在在在在一一一一定定定定温温温温度度度度下下下下，使使使使应应应应变变变变片片片片承承承承受受受受恒恒恒恒定定定定的的的的机机机机械械械械应应应应变变变变，其其其其电电电电阻阻阻阻值值值值随随随随时时时时间间间间增增增增加加加加而而而而变变变变化化化化的的的的特特特特性性性性称称称称为为为为蠕蠕蠕蠕变变变变。一一一一般般般般蠕蠕蠕蠕变的方向与原应变量的方向相反。变的方向与原应变量的方向相反。变的方向与原应变量的
36、方向相反。变的方向与原应变量的方向相反。产产产产生生生生的的的的原原原原因因因因：由由由由于于于于胶胶胶胶层层层层之之之之间间间间发发发发生生生生“滑滑滑滑动动动动”，使使使使力力力力传传传传到到到到敏感栅的应变量逐渐减少。敏感栅的应变量逐渐减少。敏感栅的应变量逐渐减少。敏感栅的应变量逐渐减少。解决方案：解决方案：解决方案：解决方案：充分固化充分固化充分固化充分固化金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性5.5.5.5.应变极限应变极限应变极限应变极限在在在在一一一一定定定定温温温温度度度度下下下下，应应应应变变变变片片片片的的的的指指指指示示示示应应应
37、应变变变变对对对对测测测测试试试试值值值值的的的的真真真真实实实实应应应应变的相对误差不超过规定范围（一般为变的相对误差不超过规定范围（一般为变的相对误差不超过规定范围（一般为变的相对误差不超过规定范围（一般为10%10%10%10%）时的值）时的值）时的值）时的值最大真实应变值。最大真实应变值。最大真实应变值。最大真实应变值。反应应变片可工作的正常上限。反应应变片可工作的正常上限。反应应变片可工作的正常上限。反应应变片可工作的正常上限。lim真实应变z指示应变i图图2-4 2-4 应变片的应变极限应变片的应变极限10%1金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性金属应变片的
38、主要特性6.6.6.6.动态特性动态特性动态特性动态特性应应应应变变变变片片片片本本本本身身身身质质质质量量量量很很很很轻轻轻轻，所所所所以以以以动动动动态态态态响响响响应应应应特特特特性性性性比比比比较较较较好好好好，通通通通常常常常应应应应变式传感器的动态特性主要取决于弹性元件的动态性能。变式传感器的动态特性主要取决于弹性元件的动态性能。变式传感器的动态特性主要取决于弹性元件的动态性能。变式传感器的动态特性主要取决于弹性元件的动态性能。由由由由于于于于应应应应变变变变片片片片测测测测量量量量的的的的是是是是其其其其长长长长度度度度范范范范围围围围内内内内的的的的平平平平均均均均应应应应变变
39、变变。动动动动态态态态特特特特性性性性由应变片长度决定。由应变片长度决定。由应变片长度决定。由应变片长度决定。设设设设一一一一频频频频率率率率为为为为 f f f f 的的的的正正正正弦弦弦弦应应应应变变变变波波波波在在在在构构构构件件件件中中中中以以以以速速速速度度度度 v v v v 沿沿沿沿应应应应变变变变片片片片栅栅栅栅长长长长方向传播，在某一瞬时方向传播，在某一瞬时方向传播，在某一瞬时方向传播，在某一瞬时 t t t t，应变量沿构件分布如图所示，应变量沿构件分布如图所示，应变量沿构件分布如图所示，应变量沿构件分布如图所示:图图2-52-5应变片对应变波的动态响应应变片对应变波的动态
40、响应0llxtx应变片应变片应变片应变片设设设设一一一一频频频频率率率率为为为为 f f f f 的的的的正正正正弦弦弦弦应应应应变变变变波波波波在在在在构构构构件件件件中中中中以以以以速速速速度度度度 v v v v 沿沿沿沿应应应应变变变变片片片片栅栅栅栅长长长长方方方方向向向向传传传传播播播播，在某一瞬时在某一瞬时在某一瞬时在某一瞬时 t t t t，应变量沿构件分布如图所示，应变量沿构件分布如图所示，应变量沿构件分布如图所示，应变量沿构件分布如图所示:图图2-5 2-5 应变片对应变波的动态响应应变片对应变波的动态响应0llxtx应变片应变片应变片应变片瞬时瞬时瞬时瞬时t t t t
41、时应变波沿构件分布为：时应变波沿构件分布为：时应变波沿构件分布为：时应变波沿构件分布为：应变片中点的应变为应变片中点的应变为应变片中点的应变为应变片中点的应变为应应应应变变变变片片片片测测测测得得得得的的的的应应应应变变变变为为为为栅栅栅栅长长长长 l l l l 范范范范围围围围内内内内的的的的平平平平均均均均应应应应变变变变m m m m，而而而而不不不不是是是是x x x xt t t t点点点点的的的的应应应应变变变变，其其其其数值等于数值等于数值等于数值等于 l l l l 范围内应变波曲线下的面积除以范围内应变波曲线下的面积除以范围内应变波曲线下的面积除以范围内应变波曲线下的面积除
42、以 l l l l。0llxtx应变片应变片应变片应变片即：即：平均应变m与中点应变t相对误差为：可见，相对误差可见，相对误差可见，相对误差可见，相对误差的大小只决定于的大小只决定于的大小只决定于的大小只决定于l l/的比值的比值的比值的比值.0llxtx应变片应变片应变片应变片平均应变m与中点应变t相对误差为：下表给出了下表给出了l/为为1/101/10和和1/201/20时时 的数值：的数值：可见，应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈小，相对误差可见，应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈小，相对误差可见，应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈小，相对误差可见，应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈小，
43、相对误差愈小。愈小。愈小。愈小。（%）1.621.620.520.52误差误差的计算结果的计算结果1/201/201/101/10l/若若若若已已已已知知知知应应应应变变变变波波波波在在在在某某某某材材材材料料料料内内内内传传传传播播播播速速速速度度度度，由由由由上上上上式式式式可可可可计计计计算算算算出出出出栅栅栅栅长长长长为为为为l l l l的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。一般比值为一般比值为一般比值为一般比值为1/101/201
44、/101/201/101/201/101/20时，时，时，时，将小于将小于将小于将小于2%2%2%2%。金属丝式应变片的基本测量电路金属丝式应变片的基本测量电路金属丝式应变片的基本测量电路金属丝式应变片的基本测量电路2.1 2.1 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器测量电路作用：测量电路作用：测量电路作用：测量电路作用：把电阻的变化转换成把电阻的变化转换成把电阻的变化转换成把电阻的变化转换成电压电压电压电压或或或或电流电流电流电流的变的变的变的变化，最终实现被测量的测量。化，最终实现被测量的测量。化，最终实现被测量的测量。化，最终实现被测量的测量。
45、金属丝式应变片的基本测量电路金属丝式应变片的基本测量电路金属丝式应变片的基本测量电路金属丝式应变片的基本测量电路2.1 2.1 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器负载电阻上的电流负载电阻上的电流负载电阻上的电流负载电阻上的电流I Ig g与电桥各参数之间的关系为与电桥各参数之间的关系为与电桥各参数之间的关系为与电桥各参数之间的关系为:R2R4R1R3E电桥线路原理图RgACDIgBR Rg g为负载电阻为负载电阻为负载电阻为负载电阻.电源电源电源电源E E为电势源为电势源为电势源为电势源负载负载负载负载RgRg上上上上电压电压电压电压U Ug g为
46、为为为:+-常用测量电路常用测量电路常用测量电路常用测量电路:直流电桥、交流电桥。直流电桥、交流电桥。直流电桥、交流电桥。直流电桥、交流电桥。直流电桥：直流电桥：直流电桥：直流电桥：当当当当R R1 1R R4 4=R R2 2R R3 3时，时，时，时，I Ig g=0=0，U Ug g=0=0，即电桥处于平衡状态。，即电桥处于平衡状态。，即电桥处于平衡状态。，即电桥处于平衡状态。若电桥的若电桥的若电桥的若电桥的负载电阻负载电阻负载电阻负载电阻R Rg g为无穷大，则为无穷大，则为无穷大，则为无穷大，则B B、D D两点可视为开路，两点可视为开路，两点可视为开路，两点可视为开路，上式可以化简
47、为上式可以化简为上式可以化简为上式可以化简为:1.等臂电桥等臂电桥2.第一对称电桥第一对称电桥3.第二对称电桥第二对称电桥在实际使用时，一般多采用在实际使用时，一般多采用在实际使用时，一般多采用在实际使用时，一般多采用等臂电桥等臂电桥等臂电桥等臂电桥或或或或对称电桥对称电桥对称电桥对称电桥。2.1 2.1 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属应变式传感器金属丝式应变片的基本测量电路金属丝式应变片的基本测量电路金属丝式应变片的基本测量电路金属丝式应变片的基本测量电路1 1、等臂电桥、等臂电桥当R1=R2=R3=R4=R时，称为等臂电桥。此时电桥输出可写为一般情况下
48、，一般情况下，Ri（i=1，2，3，4）很小，即）很小，即RRi，略去上式中的高阶微量，并利用略去上式中的高阶微量，并利用 式得到式得到:当当当当 R Ri iRR R时时时时，输输输输出出出出电电电电压压压压U Ug g与与与与应应应应变变变变 间呈线性关系。间呈线性关系。间呈线性关系。间呈线性关系。严严严严格格格格讲讲讲讲是是是是非非非非线线线线性性性性关关关关系系系系，若若若若按按按按线线线线性性性性关关关关系系系系计计计计算算算算必必必必然然然然带带带带来来来来非线性误差。非线性误差。非线性误差。非线性误差。考虑非线性影响，考虑非线性影响，考虑非线性影响，考虑非线性影响，R1=R+R1
49、=R+R R，则，则，则，则:由上式展开级数，得由上式展开级数，得由上式展开级数，得由上式展开级数，得:相对非线性误差为相对非线性误差为相对非线性误差为相对非线性误差为:可见，可见，可见，可见，KK愈大，愈大，愈大，愈大，愈大，通常愈大，通常愈大，通常愈大，通常KK11。1/2K例例：设设K=2，要要求求非非线线性性误误差差RRR，上上上上式式式式仍仍仍仍可可可可化化化化简简简简为为为为 式式式式，这这这这时时时时输输输输出出出出电电电电压压压压与与与与应应应应变成正比。变成正比。变成正比。变成正比。3 3、第二对称电桥、第二对称电桥R R1 1=R R3 3=R R，R R2 2=R R4
50、4=R R，称称称称为为为为第第第第二二二二对对对对称电桥。称电桥。称电桥。称电桥。若若若若R R1 1有一增量有一增量有一增量有一增量 R R，则，则，则，则:UgR2=RR4=RR1=RR3=RE第二对称电桥BACD当当当当k k1(1(R R R R)时，时，时，时，k k/(1+/(1+k k)1/2)1/2，其，其，其，其非线性较等臂电桥大非线性较等臂电桥大非线性较等臂电桥大非线性较等臂电桥大；当当当当k k远小于远小于远小于远小于1 1时，其时，其时，其时，其非线性得到很好改善，但灵敏度下降非线性得到很好改善，但灵敏度下降非线性得到很好改善，但灵敏度下降非线性得到很好改善，但灵敏度