传感器原理与应用_3_力学传感器_1_金属应变式_1_物理原理.ppt

传感器原理与应用;力学传感器;力学传感器;传感器原理与应用力学传感器;§1.金属应变式传感器;1.1 电阻应变效应;设电阻丝为圆形截面，半径为r，有;带入得到： ;又由于：;金属丝的灵敏系数k0主要受两个因素影响： 受力后的几何尺寸的变化，金属导体以此为主： 受力后材料的电阻率随应变所引起的变化，半导体以此为主。 半导体应变片的灵敏度比金属导体的灵敏度系数值大几十倍。 对金属来讲，πE很小，可忽略不计， 泊松系数μ=0.25~0.5之间（钢μ=0.285）。 相应的，K0=1.5~2. 对半导体而言，πE比（1+2μ）大得多，一般情况下πE=50~200。故（1+2μ）可以忽略不计。;1.2 应变片结构原理;1)基片： 绝缘材料 2)网状敏感栅： 高阻金属丝，金属箔 3)粘合剂： 化学试剂 4)覆盖层： 保护层 5)引线： 金属导线;应变片的主要结构;;常用敏感栅材料的主要性能;应变片是一种重要的敏感元件， 它是应变和应力测量的主要传感器。 其他诸如膜片式压力传感器、加速度计、线位移传感器等，也经常使用应变片作为基点转换元件或敏感元件。;※ 应变片的灵敏系数;实验方法;实验证明：;※ 横向效应;横向灵敏度;减小横向效应;※ 应变片的动态特性;敏感栅电阻的变化是对某一瞬时所用于其上的应力的平均值的反应;基长L内测得平均应变的最大值εp;应变波幅的相对误差;阶跃应变波通过敏感栅;※ 其他特性参数;机械滞后 在温度恒定的条件下，应变片粘贴在试件上进行加载和卸载，对同一机械应变量，应变片卸载时的指示应变高于加载时的指示应变，这种现象称为应变片的机械滞后。 其最大差值为应变片的机械滞后值。 ;零漂和蠕变 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，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。 如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的蠕变。一般蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。 这两项指标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性，在长时间测量中其意义更为突出。 蠕变中已包含零漂，因为零漂是不承受载荷条件下的蠕变。 应变片在制造过程中所产生的内应力、丝材、粘合剂、基底等的变化是造成应变片零漂和蠕变的因素。 ;疲劳寿命 对于已安装好的应变片，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N称为应变片的疲劳寿命。 当出现以下三种情况之一时，都认为是疲劳损坏； 应变片的敏感栅或引线发生断路； 应变片输出指示应变的幅值变化10％； 应变片输出信号波形上出现穗状尖峰。疲劳寿命反映了应变片对动态应变测量的适应性。 ;最大工作电流 是指允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值。 工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高。 但过大的工作电流会使应变片本身过热，使灵敏系数变化，零漂、蠕变增加，甚至把应变片烧毁。 通常允许电流值在静态测量时约取25mA左右，动态时可高一些，箔式应变片可取更大一些。;绝缘电阻 绝缘电阻是指应变片的引线与被测试件之间的电阻值。 通常要求50MΩ～100MΩ以上。 绝缘电阻过低，会造成应变片与试件之间漏电而产生测量误差。 ;应变片的电阻值R 应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值，是使用应变片时应该知道的一个特性参数。 目前常用的电阻系列，习惯上为60、120、200、350、500、1000Ω等。其中以120Ω最常用。 取电阻值大，可以加大应变片承受电压，因此输出信号大，但敏感栅尺寸也增大。