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1、第第2节应变式传感器节应变式传感器第1页，本讲稿共42页应变式传感器的优缺点：应变式传感器的优缺点：l优点：优点：精度高，测量范围广精度高，测量范围广频率响应特性较好频率响应特性较好结构简单，尺寸小，重量轻结构简单，尺寸小，重量轻可在高可在高(低低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下工作核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下工作易于实现小型化、固态化易于实现小型化、固态化价格低廉，品种多样，便于选择价格低廉，品种多样，便于选择l缺点：缺点：非线性非线性输出信号弱输出信号弱抗干扰能力差抗干扰能力差第2页，本讲稿共42页一、金属丝式应变片一、金属
2、丝式应变片（1）应变效应）应变效应当金属丝在外力作用下发生机械变形时，当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。电阻应变效应。金属丝的应变灵敏系数金属丝的应变灵敏系数,理论上在理论上在1.83.6之间之间金属丝的应变金属丝的应变电阻的相对变化电阻的相对变化第3页，本讲稿共42页（2）应变片的结构和材料）应变片的结构和材料结构：结构：敏感栅敏感栅1、基底、基底2、盖片、盖片3、引线、引线4和粘结剂等和粘结剂等bl栅长栅长栅宽栅宽2341第4页，本讲稿共42页材料：材料：1.敏感栅敏感栅金属丝（金属丝（0.0150
3、.05）mm电阻（电阻（60，120，200）栅长（栅长（100，200）mm栅宽（栅宽（1，0.5，0.2）mm选材要求：选材要求：较大的较大的Ks（常数）（常数）具有高而稳定的电阻率（决定圈数）具有高而稳定的电阻率（决定圈数）电阻温度系数要小电阻温度系数要小抗氧化，耐腐蚀抗氧化，耐腐蚀足够的抗拉强度足够的抗拉强度加工性能良好加工性能良好易于焊接易于焊接第5页，本讲稿共42页材料名材料名称称主要成主要成分分%灵敏系灵敏系数数Ks电阻率电阻率m*10-6电阻温电阻温度系数度系数10-6/c线膨胀线膨胀系数系数10-6/c最高工最高工作温度作温度c康铜康铜Cu(55)Ni(45)2.00.45-
4、0.522015250静态静态400动态动态镍铬合镍铬合金金Ni(80)Cr(20)2.1-2.31.0-1.1110-13014450静态静态800动态动态卡玛合卡玛合金金6J-22Ni(74)Cr(20)Al(3)Cu(3）2.4-2.61.24-1.422013.3400静态静态800动态动态伊文合伊文合金金6J-23Ni(75)Cr(20)Al(3)Cu(2）同上同上同上同上同上同上同上同上同上同上第6页，本讲稿共42页镍铬铁镍铬铁合金合金Ni(36)Cr(8)Mo(0.5)Fe(55.5)3.21.01757.2230动态动态铁铬铝铁铬铝合金合金Cr(25)Al(5)Y(2.6)Fe
5、(67.4)2.6-2.81.3-1.530-4011800静态静态1000动态动态铂铂Pt4.60.130008.9同上同上铂合金铂合金 Pt(80)Ir(20)4.00.3559013同上同上铂钨合铂钨合金金Pt(91.5)W(8.5)3.20.741929800静态静态第7页，本讲稿共42页2.基底和盖片基底和盖片保护敏感栅保护敏感栅。纸（不能太厚），一般为（纸（不能太厚），一般为（0.020.04）mm。基底长：基底的全长，基底宽：基底宽度基底长：基底的全长，基底宽：基底宽度3.粘结剂粘结剂有机硅树脂有机硅树脂无机无机聚酰亚胺聚酰亚胺磷酸盐磷酸盐硅酸硅酸硼酸盐硼酸盐4.引线引线直径（直
6、径（0.1-0.15）mm镀锡铜线，要求电阻率低、电阻温度系数小，抗镀锡铜线，要求电阻率低、电阻温度系数小，抗氧化，易于焊接。氧化，易于焊接。酚醛树脂酚醛树脂聚丙烯酸酯聚丙烯酸酯有机有机第8页，本讲稿共42页（3）主要特性）主要特性1.灵敏度灵敏度Ks金属应变片的电阻相对变化与应变金属应变片的电阻相对变化与应变在很宽的范围在很宽的范围内均为线性关系，即：内均为线性关系，即：应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数K线材的灵敏系数线材的灵敏系数Ks第9页，本讲稿共42页2.横向效应横向效应应变片既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起应变片既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效
7、应。电阻变化的现象称为横向效应。brdlrdr0丝绕式应变片敏感栅丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分半圆弧形部分敏感栅有n根纵栅，每根长l，弯半径为r，轴向应变，L1=n l则纵栅变形：则纵栅变形：纵栅为N根的应变片共有n1个半圆弧，则横栅变形横栅变形为：总变形：总变形：第10页，本讲稿共42页敏感栅栅丝的总长为敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为，敏感栅的灵敏系数为KS，则电阻相对变化为：则电阻相对变化为：令：令：则横向系数：则横向系数：第11页，本讲稿共42页3.机械滞后机械滞后l应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不
8、重合，其差值即为机械滞后。卸载特性不重合，其差值即为机械滞后。机械应变机械应变指指示示应应变变r卸载卸载加载加载0第12页，本讲稿共42页4.零点漂移和蠕变零点漂移和蠕变l零点漂移零点漂移：指对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，即使被测试件未承受应力，指示应变随时间增加产生的变化。原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；敏感栅通电后的温度效应；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。l蠕变蠕变：当应变片承受恒定的机械应变量时，指示应变随时间发生变化。原因：由于胶层之间发生：由于胶层之间发生“滑动滑动”。第13页，本讲稿共42页5.应变极限应变极限在一定温度下
9、，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的真实应变值。真实应变z指示应变i应变片的应变极限10%1第14页，本讲稿共42页6.动态特性动态特性0应变片tlxtx当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性。当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短(估计约估计约0.2s)，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。应变片对应变波的动态响应第15页，本讲稿共42
10、页（4）温度误差及其补偿）温度误差及其补偿1.温度误差温度误差应变片阻值受环境温度影响的原因：应变片阻值受环境温度影响的原因：应变片的电阻丝有一定的温度系数应变片的电阻丝有一定的温度系数电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化外力作用，在温度变化t 时，应变片的温度效应。时，应变片的温度效应。第16页，本讲稿共42页2.温度补偿温度补偿单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片应变片的敏感栅用单一的合金丝制成。优点：结构简单、制造和使用方便双丝组合式自补偿应变片双丝组合式自
11、补偿应变片应变片由两种不同电阻温度系数（一正一负）的材料串连组成。优点：两段敏感栅的丝长可调，材料在一定范围内可获得的较好温度补偿。焊点RaRb第17页，本讲稿共42页电路补偿法电路补偿法USCR2R4R1R3E使使R1和R2处于同一温度场，R1=R2=R R3=R4=R无t，则USC=0温度升高或降低第18页，本讲稿共42页若有应变若有应变为达到完全补偿，需满足下列三个条件：为达到完全补偿，需满足下列三个条件：R1和和R2须属于同一批号的；须属于同一批号的；粘贴补偿片和粘贴工作片的试件二者材料粘贴补偿片和粘贴工作片的试件二者材料必须相同；必须相同；两应变片处于同一温度环境下。两应变片处于同一
12、温度环境下。第19页，本讲稿共42页 二、金属箔式应变片l箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过通过光刻、腐蚀光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图：称箔式电阻应变片，如图：第20页，本讲稿共42页与丝式应变片相比，有如下特点：与丝式应变片相比，有如下特点：优点：优点：很薄，接触面积大很薄，接触面积大横向效应小，灵敏度大横向效应小，灵敏度大表面积大，散热好，有较大的输出信号表面积大，散热好，有较大的输出信号尺寸准确，可制成任
13、状尺寸准确，可制成任状便于成批生产便于成批生产缺点缺点：生产工艺复杂生产工艺复杂不适宜高温不适宜高温价格贵价格贵第21页，本讲稿共42页三、测量电路三、测量电路R2R4R1R3E电桥线路原理图RgACDIgB电阻应变片的测量线路多采用交流电桥电阻应变片的测量线路多采用交流电桥(配交流放大器配交流放大器)，其原理和直流电桥相似。直流电桥比较简单，其原理和直流电桥相似。直流电桥比较简单，因此首先分析直流电桥，如图示：因此首先分析直流电桥，如图示：输出电压：输出电压：第22页，本讲稿共42页当负载电阻负载电阻Rg为无穷大时：设电桥各臂均有相应的电阻增量各臂均有相应的电阻增量R1、R2、R3、R4时：
14、实际使用，多采用等臂电桥或对称电桥实际使用，多采用等臂电桥或对称电桥第23页，本讲稿共42页用法一：等臂电桥用法一：等臂电桥当当R1=R2=R3=R4=R时：时：RRi，则：则：第24页，本讲稿共42页结论：结论：l当当Ri1(RR)，k/(1+k)1/2，其非线性较等臂电桥大；当k1(R R)，k/(1+k)1/2，其非线性可得到很好改善；当k=1时，等臂电桥。第27页，本讲稿共42页l若RR第二对称电桥的输出与应变呈线性关系，但比等臂电桥的输出等臂电桥的输出电压小：倍倍第28页，本讲稿共42页四、应变片的应用四、应变片的应用(1)柱式力传感器柱式力传感器柱式力传感器柱式力传感器2+1截面积
15、SFFF面积S-1+2b）a）E：弹性元件的：弹性元件的杨氏模量杨氏模量与轴线任意夹角的方向，其应变为：1：沿轴向的应变；：弹性元件的泊松比当=0时当=90时第29页，本讲稿共42页C02柱式测力柱式测力/称重传感器称重传感器北京瑞利威尔技术发展有限公司特点：特点：结构兼顾于柱式、结构兼顾于柱式、S式的优式的优点，结构紧凑，造型优美，内外螺点，结构紧凑，造型优美，内外螺纹做承载连接，测量精度高，抗偏纹做承载连接，测量精度高，抗偏能力强，可做全密封结构能力强，可做全密封结构第30页，本讲稿共42页微型压式传感器微型压式传感器YBSC第31页，本讲稿共42页柱式传感器柱式传感器RL-BK-1柱式测
16、力柱式测力/称重传感器称重传感器第32页，本讲稿共42页2.梁式力传感器梁式力传感器LR1R3R2R4xFhb等强度梁弹性元件等强度梁弹性元件b0等强度梁弹性元件：等强度梁弹性元件：力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等。等强度梁各点的应变值为：等强度梁各点的应变值为：第33页，本讲稿共42页BK-5型悬臂梁式测力型悬臂梁式测力/称重传感器称重传感器第34页，本讲稿共42页梁式力传感器梁式力传感器第35页，本讲稿共42页3、应变式压力传感器应变式压力传感器（b）（a）应变式压力传感器应变片P测量气体或液体压力的薄板式传感器圆板内任一点的径向和切向应变值：圆板内任一点的径向和切向应
17、变值：圆板上各点径向应力和切向应力：圆板上各点径向应力和切向应力：第36页，本讲稿共42页l采用变厚度膜片技术和高精度大阻值应采用变厚度膜片技术和高精度大阻值应变片，具有输出信号大、精度高、抗振变片，具有输出信号大、精度高、抗振动、结构坚固、耐腐蚀等特点。适用于动、结构坚固、耐腐蚀等特点。适用于石油钻井、固井、压裂车等设备高压力石油钻井、固井、压裂车等设备高压力测量。测量。电阻压力式应变传感器电阻压力式应变传感器第37页，本讲稿共42页采用独特的机械密封结构技术，采用独特的机械密封结构技术，使传感器在高压高脉动介质下能正常工作，使传感器在高压高脉动介质下能正常工作，可以在压力脉动频率可以在压力
18、脉动频率40次次/分、分、压力波动幅度高达压力波动幅度高达50Mpa的恶劣环境中，的恶劣环境中，完成对气体或液体介质的压力测量。完成对气体或液体介质的压力测量。超高压电阻应变式压力传感器超高压电阻应变式压力传感器第38页，本讲稿共42页产品照片技术参数额定压力MPa1,1.5,2,3,4,5,6,8,10,12,15,20,25,30,35输出灵敏度MV/V1+0.1非线性%F.S0.10.2滞后%F.S0.10.2重复性%F.S0.10.2零点输出温度影响%F.S/10C0.10.2额定输出温度影响%F.S/10C0.10.2零点输出MV=+1输出阻抗(ohms)350+3绝缘阻抗M1X10
19、(50VDC)容许激励电压V618(DC/AC)温度补偿范围C-10+50允许温度范围C-20+55安全过负载%F.S120第39页，本讲稿共42页4 4、应变式加速度传感器、应变式加速度传感器L应变片弹簧片外壳基座a应变式加速度传感器质量块m当被测点的加速度沿图中箭头所示当被测点的加速度沿图中箭头所示方向时，悬臂梁自由端受惯性力方向时，悬臂梁自由端受惯性力F=ma的作用，质量块向箭头的作用，质量块向箭头a相反的方向相相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻也发生变化，产生输出信号，应变片电阻也发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。输出信号大小与加速度成正比。第40页，本讲稿共42页加速度传感器产品系列加速度传感器产品系列集成电路式加速度传感器集成电路式加速度传感器微型三轴向压电加速度传感器微型三轴向压电加速度传感器第41页，本讲稿共42页要求要求掌握：掌握：应变效应应变效应 应变片结构应变片结构 横向效应横向效应 温度误差的补偿方法温度误差的补偿方法 金属箔式应变片的特点金属箔式应变片的特点 了解：了解：金属应变片传感器的特点金属应变片传感器的特点 主要特性主要特性 测量电路测量电路 应变片的应用应变片的应用第42页，本讲稿共42页