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1、第第2章章 电阻丝式应变传感器电阻丝式应变传感器 主要内容主要内容n2.1 金属丝应变效应（重点）n2.2 金属丝式应变片的结构与材料n2.3 金属丝式应变片的主要特性（难点）n2.4 金属丝式应变传感器测量电路 （重点）n2.5 金属丝式应变片温度误差及其补偿 （重点，难点）n2.6 金属丝式应变传感器的应用 （重点）n2.7 其它电阻式传感器非电量非电量应变应变电阻应变片电阻应变片弹性元件弹性元件电阻变化电阻变化电量电量传感器传感器2.1 金属丝应变效应金属丝应变效应 当金属丝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，称为应变效应。设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为的金丝，
2、其电阻R为2.1 金属丝应变效应金属丝应变效应等式两边微分等式两边微分2.1 金属丝应变效应金属丝应变效应 KS的组成：(1)金属丝的几何尺寸变化引起，一般金属的0.3，因此(1+2)1.6；(2)除与金属丝几何尺寸变化有关外，还与金属本身的特性有关，如康铜C1；康铜：KS2.0，其他金属或合金，KS一般在1.83.6范围内。材料材料几何几何尺寸尺寸变化变化材料物理材料物理特性变化特性变化2.2 金属丝式应变片的结构与材料金属丝式应变片的结构与材料n 金属丝式电阻应变片由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和黏结剂等组成。图图2-1 电阻应变片构造示意图电阻应变片构造示意图2.2 金属丝式应变片的
3、结构与材料金属丝式应变片的结构与材料n1、敏感栅 阻值为系列值；尺寸也有不同的规格；材料方面的要求。n2、基底和盖片 基底主要用来承载引线和敏感栅；盖片主要用来保护引线和敏感栅，保持它们的位置不变；材料主要采用纸，厚度为（0.02-0.04)mm。n3、粘接剂用来粘结基底和盖片，试件和应变片；有机和无机两大类。n4、引线 材料为镀锡铜线；作用为连接敏感栅丝和外部电路；材料要求。2.2 金属丝式应变片的结构与材料金属丝式应变片的结构与材料材料材料名称名称主要成分主要成分（%）灵敏系数灵敏系数KS电阻率电阻率(10(10-6 -6 )电阻温度电阻温度 系数系数(10(10-6-6/)线膨胀系数线膨
4、胀系数(10(10-6-6/)最高工作温最高工作温度度()康铜康铜Cu(55)Ni(45)2.00.450.522015250(静态静态)400(动态动态)镍镉合金镍镉合金Ni(80)Cr(20)2.12.31.01.111013014450(静态静态)800(动态动态)卡玛合金卡玛合金（6J-22）Ni(74)Cr(20)Al(3)Fe(3)2.42.61.241.422013.3400(静态静态)800(动态动态)伊文合金伊文合金（6J-23）Ni(75)Cr(20)Al(3)Cu(2)镍铬铁镍铬铁合金合金Ni(36)Cr(8)Mo(0.5)Fe(55.5)3.21.01757.2230(
5、动态动态)铁铬铝铁铬铝合金合金Cr(25)Al(5)V(2.6)Fe(67.4)2.62.81.31.5304011 800(静态静态)1000(动态动态)铂铂Pt(纯纯)4.60.13 0008.9铂合金铂合金Pt(80)Ir(20)4.00.3559013铂钨铂钨Pt(91.5)W(8.5)3.20.741929800(静态静态)表2-1 常用敏感栅材料的主要性能常用敏感栅材料的主要性能2.2 金属丝式应变片的结构与材料金属丝式应变片的结构与材料2.3 金属丝式应变片的主要特性金属丝式应变片的主要特性n1、灵敏度系数灵敏度系数 金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵
6、敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片后，其电阻应变特性，与金属单丝情况不同。实验表明，金属应变片的电阻相对变化 与应变在很宽的范围内均为线性关系。应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS 的原因：（1）应变传递失真；（2）横向效应。2.3 金属丝式应变片的主要特性金属丝式应变片的主要特性n2、横向效应横向效应图图2-2 丝绕式应变片敏感栅的半圆弧形部分丝绕式应变片敏感栅的半圆弧形部分直线段：轴向拉应变 ，电阻值增大。圆弧段：除存在轴向应变外，还存在横向负应变造成电阻值减小，因而灵敏度减小。2.4 金属丝式应变传感器测量电路金属丝式应变传感器测量电路n1、直流四臂电桥电路的工作原理直流四臂电桥
7、电路的工作原理 设直流电源电压为E，根据等效发电机原理可求出检流计中流过的电流Ig与电桥各参数之间的关系为图图2-11 电桥线路原理图电桥线路原理图欧姆定律欧姆定律2.4 金属丝式应变传感器测量电路金属丝式应变传感器测量电路n电桥平衡状态：Rg为无穷为无穷大大2.4 金属丝式应变传感器测量电路金属丝式应变传感器测量电路n2、等臂电桥（等臂电桥（R1=R2=R3=R4=R）结论：结论：n1、当、当 RRi 时，输出电压与应变成线性关系；时，输出电压与应变成线性关系；n2、若相邻桥臂应变极性一致，输出电压为两者之差；若相邻桥臂应变极、若相邻桥臂应变极性一致，输出电压为两者之差；若相邻桥臂应变极性不
8、同，输出为两者之和；性不同，输出为两者之和；n3、若相对桥臂应变极性一致，输出电压为两者之和；若相对桥臂应变极、若相对桥臂应变极性一致，输出电压为两者之和；若相对桥臂应变极性不同，输出为两者之差；性不同，输出为两者之差；RRi2.4 金属丝式应变传感器测量电路金属丝式应变传感器测量电路n3、电桥误差分析电桥误差分析 当仅桥臂AB单臂工作时，输出电压为RRi根据泰勒级根据泰勒级数展开数展开2.4 金属丝式应变传感器测量电路金属丝式应变传感器测量电路n例1 设某应变片的K=2,要求非线性误差1%，试求允许测量的最大应变值 。解：根据上式有 K12.4 金属丝式应变传感器测量电路金属丝式应变传感器测
9、量电路n减小误差的方法减小误差的方法差动电桥差动电桥2.5 金属丝式应变片温度误差及其补偿金属丝式应变片温度误差及其补偿n1、温度误差产生的原因温度误差产生的原因（1）应变片的电阻丝具有一定温度系数（2）电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同（3）总的温度误差2.5 金属丝式应变片温度误差及其补偿金属丝式应变片温度误差及其补偿例：假设试件为钢材，电阻丝为康铜丝，t=2010-6/,e=1110-6/,g=1510-6/，K=2,钢材的弹性模量E=20104N/mm2,在t=1 时：t=1引起的应变变化：结论：当电阻应变片的测量范围为结论：当电阻应变片的测量范围为100120N/mm100120N
10、/mm时，如果温度时，如果温度变变 化化11，则将造成，则将造成1%1%以上的测量误差。以上的测量误差。t=1引起的电阻变化：引起的应力变化：2.5 金属丝式应变片温度误差及其补偿金属丝式应变片温度误差及其补偿n2、温度误差补偿温度误差补偿n(1)单丝自补偿应变片 若使应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使材料et=-2(g-e)钢1110-6810-6杜拉铝2210-6-1410-6不锈钢1410-6210-6钛合金810-61410-62.5 金属丝式应变片温度误差及其补偿金属丝式应变片温度误差及其补偿n(2)双丝组合式自补偿应变片 图图2-6 双丝组合式自补偿应变片双丝组合式自补偿应
11、变片优点:(1)制造时，可以调节两段敏感栅的丝长，以实现对某种材料的试件在一定温度范围内获得较好的温度补偿。(2)补偿效果可达0.45/C。缺点：只能针对特定的试件材料，通用性差。2.5 金属丝式应变片温度误差及其补偿金属丝式应变片温度误差及其补偿n(3)电路补偿法图图2-7 桥路补偿法桥路补偿法图图2-8 补偿应变片粘贴示意图补偿应变片粘贴示意图R1=R2=RR3=R4=RR1t=R2t条件：(1)应变片相同；(2)试件相同；(3)温度场相同。2.5 金属丝式应变片温度误差及其补偿金属丝式应变片温度误差及其补偿n电桥法结合应变片特殊粘贴法电桥法结合应变片特殊粘贴法图图2-9 温度补偿方法温度
12、补偿方法(a)构件受弯曲应力构件受弯曲应力 (b)构件受单向应力构件受单向应力n(b)图是受单向应力的构件，将工作应变片R2的轴线顺着应变方向，补偿应变片R1的轴线和应变方向垂直，R1和R2接入电桥相邻臂，此时电桥的输出为n(a)图为一个梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，应变片R1和R2的阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。2.6 金属丝式应变传感器的应用金属丝式应变传感器的应用n1、柱式力传感器柱式力传感器 在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方
13、向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，从而构成了差动对。图图2-14 柱式力传感器柱式力传感器 力F作用下，在与轴线任意夹角的方向，其应变为轴向应变片感受的应变为：当=0时，圆周方向的应变为：当=90时，2.6 金属丝式应变传感器的应用金属丝式应变传感器的应用n例：采用四片相同的金属丝应变片（K2），将其贴在实心圆柱形测力弹性元件上。如下图所示，力F1000kg。圆柱断面半径r1cm，杨氏模量E2107N/cm2，泊松比0.3。求 (1)画出应变片在圆柱上粘贴位置及相应测量桥路原理图；(2)各应变片的应变为多少？电阻相对变化量是多少？(3)若供桥电压U6V，求桥路输出电压U0为多少
14、？(4)此种测量方式能否补偿环境温度对测量的影响？说明原因。解：(1)应变片在圆柱上粘贴位置及相应测量桥路原理图如下：2.6 金属丝式应变传感器的应用金属丝式应变传感器的应用(2)根据题意有 (3)(4)此种方法可以补偿环境温度变化的影响。因为四个相同的电阻应变在同样环境条件下，感受温度变化产生电阻相对变化量相同，在全桥电路中不影响输出电压值，即 2.6 金属丝式应变传感器的应用金属丝式应变传感器的应用n2、梁式力传感器梁式力传感器（b）等截面粱）等截面粱（a）等强度粱）等强度粱2.6 金属丝式应变传感器的应用金属丝式应变传感器的应用 设梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁长为L，梁厚为h
15、2.6 金属丝式应变传感器的应用金属丝式应变传感器的应用n3、应变式压力传感器应变式压力传感器图图2-16 应变式压力传感器应变式压力传感器2.6 金属丝式应变传感器的应用金属丝式应变传感器的应用n4、应变式加速度传感器应变式加速度传感器图图2-18 应变式加速度传感器应变式加速度传感器2.6 金属丝式应变传感器的应用金属丝式应变传感器的应用n5、称重传感器称重传感器原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。2.7 其它电阻式传感器其它电阻式传感器n1、金属箔式应变传感器金属箔式应变传感器图图2-10 金属箔式应变片金属箔式应变片2.7 其它电阻式传感器其它电阻式传感器n2、金属金属薄膜式应变传感器薄膜式应变传感器金属膜金属膜式式在玻璃或胶木基体上在玻璃或胶木基体上，用高温蒸镀或电用高温蒸镀或电镀方法镀方法，涂覆一层金属膜而制成。涂覆一层金属膜而制成。优点优点：温度系数小温度系数小，可在，可在高温高温环境环境下工作下工作。缺点缺点：耐磨性差、功率小、阻值不高耐磨性差、功率小、阻值不高(1k(1k2k)2k)。2.7 其它电阻式传感器其它电阻式传感器n3、压阻式传感器压阻式传感器 单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为压阻效应。