第2章电阻应变式传感器

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1、计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器第2章 电阻应变式传感器 Resistance Strain Gage计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器电阻应变式传感器概述电阻应变式传感器概述v工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力 作用下电作用下电阻值变化的效应阻值变化的效应电阻应变效应电阻应变效应v结构简单，使用方便结构简单，使用方便v可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；弹性弹性敏感敏感元件元件力、压力、压力、位力、

2、位移移电阻电阻应变应变片片电桥电桥电路电路RUv易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测；易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测；v灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器应变片用于各种电子衡器应变片用于各种电子衡器 磅秤磅秤电子天平电子天平计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器材料应变的测量材料应变的测量斜拉桥上的斜拉斜拉桥上

3、的斜拉绳应变测试绳应变测试 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器汽车衡汽车衡称重系统称重系统计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器汽车衡汽车衡计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.1 2.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理金属的电阻应变效应金属的电阻应变效应 金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变化的现象称为金属的化的现象称为金属的电阻应变效应电阻应变效应。金属丝受

4、拉时，金属丝受拉时，l变长、变长、r变小，导致变小，导致R变大变大 。lRS计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器2lldRdldsdsssdRdldsdRlsxdll金属丝的轴向应变；金属丝的轴向应变；ydrr金属丝的径向应变金属丝的径向应变（ dS /S=2dr/r） x= - Y ； 泊松系数；(Poisson ratio)计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 式中：式中：K KS S 金属丝的灵敏系数；金属丝的灵敏系数；(gage factor)(12 )xdRdR 12SXxdRdK

5、R令：令：在金属丝的弹性范围内，灵敏系数在金属丝的弹性范围内，灵敏系数K KS S 为常数，即为常数，即 ： sxRKR线性关系线性关系x通常很小，常用通常很小，常用1010-6-6表示之。例如，当表示之。例如，当 x x为为0.0000010.000001时，在工程时，在工程中常表示为中常表示为1 1 1010-6-6或或 m/mm/m。在应变测量中，也常将之称为微应变。在应变测量中，也常将之称为微应变()()。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于要大于1 1 10-310-3，即，即10001000 m/mm/m，否则有

6、可能超过材料的极限强度而导，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。致断裂。计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.2.12.2.1应变片的基本结构应变片的基本结构2.2 电阻应变片的结构、种类和材料电阻应变片的结构、种类和材料2.2.22.2.2应变片的种类应变片的种类计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器1.金属丝式应变片金属丝式应变片 (bonded metal-wire gage) 直径在直径在0.0120.05mm的金属丝的金属丝；2.金属金属箔式应变片箔式应变片(bonded me

7、tal-foil gage)厚度在厚度在0.0010.01mm的金属箔；的金属箔；计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金铜镍合金。箔式应变片箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔

8、式应变片进行适当的热处理，使式应变片进行适当的热处理，使其其线胀系数、电阻温度系数以线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。3.3.金属金属薄膜式应变片薄膜式应变片( (vacuum-deposited thin-metal-film gage, , sputter- deposited thin-metal-film gage)厚度在厚度在0. 1m以下的金属箔；以下的金属箔；计算机与信息工程学院计算机与信

9、息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.2.3 2.2.3 应变片的材料应变片的材料1.1.敏感栅材料敏感栅材料 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； 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； 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

10、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。 常用材料有：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、铂、常用材料有：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、铂、铂钨合金等。铂钨合金等。计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 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，还可保护敏感栅。基底的全长称敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。为基底长，其宽度称为基底宽。 基底材料有

11、纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等基底材料有纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚度约制成胶膜，厚度约0.030.05mm2.2.基底材料基底材料3.3.黏合剂材料黏合剂材料 用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。和敏感栅。 常用的粘结剂分为有机和无机