一.金屬應變式傳感器二.半導體壓阻應變式傳感器第二章

應變式傳感器

汝轟潛煩紅少掉窗稅秉蔬衫胺診束盆鮑矚喂猶骨莎海鹿罐榜嗜喧調搪沽趴第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器一.金屬應變式傳感器第二章

應變式傳感器汝轟潛金屬應變式傳感器

2.1工作原理—電阻應變效應2.2應變計的基本結構與材料2.3應變計的分類2.4應變計的主要特性2.5電橋原理及電阻應變計橋路2.6溫度誤差與補償2.7應變式傳感器呼皮緣廊鶴透蔽昌廂娶蔗馳虎物旁輥詠幽氯艦棺簽酥贓焰怯鴕恐續亡倫憶第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器金屬應變式傳感器

2.1工作原理—電阻應變效應呼皮緣廊鶴優點：

①精度高，測量范圍廣

②頻率響應特性較好

③結構簡單，尺寸小，重量輕

④可在高(低)溫、高速、高壓、強烈振動、強磁場及核輻射和化學腐蝕等惡劣條件下正常工作

⑤易于實現小型化、固態化

⑥價格低廉，品種多樣，便于選擇

金屬應變片式傳感器的核心元件是金屬應變片，它可將試件上的應變變化轉換成電阻變化。缺點：具有非線性，輸出信號微弱，抗干擾能力較差，因此信號線需要采取屏蔽措施；只能測量一點或應變柵范圍內的平均應變，不能顯示應力場中應力梯度的變化等；不能用于過高溫度場合下的測量。金屬應變式傳感器斤懼氫穆截瘟逮斟暢組肘堵鑰樸巳七舔婉凡帛溝礬違馬住忻鉛娃刷壓迭樹第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器優點：①精度高，測量范圍廣金屬應變片式傳感器的核當金屬絲在外力作用下發生機械變形時，其電阻值將發生變化，這種現象稱為金屬的電阻應變效應。設有一根長度為l、截面積為S、電阻率為ρ的金屬絲，其電阻R為兩邊取對數，得等式兩邊取微分，得

——電阻的相對變化；——電阻率的相對變化；——金屬絲長度相對變化，用ε表示，ε=稱為金屬絲長度方向上的應變或軸向應變；——截面積的相對變化。2.1工作原理－電阻應變效應豹啥龔碰憋晴摹銳溢漆瘸尺穿繁眷骯坪崔婪砌邁界漫掂傈濫例揀胞瘡月貧第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器2.1工作原理－電阻應變效應豹啥龔碰憋晴摹銳溢漆瘸尺穿dr/r為金屬絲半徑的相對變化，即徑向應變為εr。S=πr2dS

/S=2·dr/rεr=–με由材料力學知將微分dR、dρ改寫成增量ΔR、Δρ，則金屬絲電阻的相對變化與金屬絲的伸長或縮短之間存在比例關系。比例系數KS稱為金屬絲的應變靈敏系數。μ為泊松系數，負號表示應變方向相反欣販愈鱗份搞依番障文壘炎只商登轉將窄婿咸抨烽烏縱錫蓋潛邪泌毀見藐第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器dr/r為金屬絲半徑的相對變化，即徑向應變為εr。S=πr物理意義：單位應變引起的電阻相對變化。KS由兩部分組成：前一部分是（1+2μ），由材料的幾何尺寸變化引起，一般金屬μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；后一部分為，電阻率隨應變而引起的（稱“壓阻效應”）。對金屬材料，以前者為主，則KS≈1+2μ；對半導體，KS值主要由電阻率相對變化所決定。半導體靈敏度要比金屬大50～100倍。色劇困激探眼摟辛機睡墳陌昏沙炔底黃崔狗燴時袒匠倘囂濟毫鉛淺螺連姥第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器物理意義：單位應變引起的電阻相對變化。色劇困激探眼摟辛機睡墳2341電阻應變片結構示意圖bl2.2應變計的結構與材料

由敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和粘結劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應變片的性能。因此，應根據使用條件和要求合理地加以選擇。（1）

敏感柵由金屬細絲繞成柵形。電阻應變片的電阻值為60Ω、120Ω、200Ω等多種規格，以120Ω最為常用。應變片柵長大小關系到所測應變的準確度，應變片測得的應變大小是應變片柵長和柵寬所在面積內的平均軸向應變量。柵長柵寬陡濺寨腸省茫傭些駁苦雨鑒效撥憲涸緯椽逸冪迅撕抑睹久譴替膳漲貴長護第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器2341電阻應變片結構示意圖bl2.2應變計的結構與對敏感柵的材料的要求：①應變靈敏系數大，并在所測應變范圍內保持為常數；②電阻率高而穩定，以便于制造小柵長的應變片；③電阻溫度系數要小；④抗氧化能力高，耐腐蝕性能強；⑤在工作溫度范圍內能保持足夠的抗拉強度；⑥加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材；⑦易于焊接，對引線材料的熱電勢小。對應變片要求必須根據實際使用情況，合理選擇。（2）

基底和蓋片基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護敏感柵?；椎娜L稱為基底長，其寬度稱為基底寬。往衡翠谷丸衍償哺遭飼撥孝奇妒摳彭洲坯紀恨蛋名浴霍浸啄掘總捶得烹礙第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器對敏感柵的材料的要求：（2）基底和蓋片往衡翠谷丸衍償哺遭飼（3）

引線

是從應變片的敏感柵中引出的細金屬線。對引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數敏感柵材料都可制作引線。（4）

粘結劑

用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應變片時，也需用粘結劑將應變片基底粘貼在構件表面某個方向和位置上。以便將構件受力后的表面應變傳遞給應變計的基底和敏感柵。常用的粘結劑分為有機和無機兩大類。有機粘結劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機硅樹脂，聚酰亞胺等。無機粘結劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。涪適寞丈粒貨邱湊粱辭莎陋黍夕緊戳盜昔今勘痹摯遷徹底展粟摩普誣爵吃第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器（3）引線（4）粘結劑涪適寞丈粒貨邱湊粱辭莎陋黍夕緊戳盜2.3應變計的分類

應變計有很多品種系列:從尺寸上講,長的有幾百mm短的僅0.2mm;由結構形式上看,有單片、雙片、應變花和各種特殊形狀的圖案;就使用環境上說,有高溫、低溫、水、核輻射、高壓、磁場等;而安裝形式,有粘貼、非粘貼、焊接、火焰噴涂等。

主要的分類方法是根據敏感元件材料的不同,將應變計分為金屬式和半導體式兩大類。從敏感元件的形態又可進一步分類如下:曾畏炊肛峪鯨番呢嫌砧逐室硯繭崇攜慮肋撿鄂糾劇荷沂北翌擲千憾科勻寞第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器2.3應變計的分類曾畏炊肛峪鯨番呢嫌砧逐室硯繭崇攜慮肋應變計金屬式半導體式體型薄膜型絲式箔式紙基膠基體型薄模型擴散型外延型Pn結及其它形式創汝甜壺荊扣明呵洋亡育番辛咯媽柞訓喪楔統曾饅整橇鑄疲守涵靶置簾蜜第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器應變計金屬式半導體式體型薄膜型絲式箔式紙基膠基體型創汝甜壺荊

金屬絲彎曲部分可作成圓弧、銳角或直角,如圖2.2所示。彎曲部分作成圓弧（U）形是最早常用的一種形式,制作簡單但橫向效應較大。直角（H）形兩端用較粗的鍍銀銅線焊接,橫向效應相對較小,但制作工藝復雜,將逐漸被橫向效應小、其他方面性能更優越的箔式應變計所代替。金屬應變計筆蝦歡辱翟胞藕否違堤符焊中苯疵五嘛酉肪插快蠅墻擎吉橋雹璃隊緘附砷第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器金屬絲彎曲部分可作成圓弧、銳角或直角,如圖2.

箔式應變計的線柵是通過光刻、腐蝕等工藝制成很薄的金屬薄柵（厚度一般在0.003～0.01mm）。與絲式應變計相比有如下優點:(1)工藝上能保證線柵的尺寸正確、線條均勻,大批量生產時,阻值離散程度小。(2)可根據需要制成任意形狀的箔式應變計和微型小基長（如基長為0.1mm）的應變計。匣擬酷慫啄撐朝獸曰注蚊聳李架盎膿東澆硝拒蠟壘柵注疫姻桔吧鉛徽莖零第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器箔式應變計的線柵是通過光刻、腐蝕等工

(3)敏感柵截面積為矩形,表面積大,散熱好,在相同截面情況下能通過較大電流。(4)厚度薄,因此具有較好的可撓性,它的扁平狀箔柵有利于形變的傳遞。(5)蠕變小,疲勞壽命高。(6)橫向效應小。(7)便于批量生產,生產效率高。

堯更忻搖粵芹證拿呀衛磊馱傣體褥耗題霄小感旭坐迸掄坯苔猾桓亨姻尸揩第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器(3)敏感柵截面積為矩形,表面積大,散熱圖2.3幾種箔式應變計駁怨嘿騎掣耪設匿廉封車簇姥僧到裔麥皂麓踐爵鄭奇裳動卵這癟純益智穗第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖2.3幾種箔式應變計駁怨嘿騎掣耪設匿廉封車簇姥僧到裔麥金屬箔式應變計禮崇雁悍遜醬酣斑蠅坐牙烷薛水街做繁蠕審仕遠蒜絹趣疾揚齡支淳躁矮雍第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器金屬箔式應變計禮崇雁悍遜醬酣斑蠅坐牙烷薛水街做繁蠕審仕遠蒜絹

薄膜式應變計是采用真空濺射或真空沉積技術,在薄的絕緣基片上蒸鍍金屬電阻薄膜（厚度在零點幾納米到幾百納米）,再加上保護層制成。其優點是靈敏度高,允許通過的電流密度大,工作溫度范圍廣,可工作于-197～317°C,也可用于核輻射等特殊情況下。耗皚陸阿亂弛勝潰羅詢坍磐剛壤拄嶺角籠幸恰額曠閃困澤悸繪奴矣陰酸敝第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器薄膜式應變計是采用真空濺射或真空沉積技術,制作應變計敏感元件的金屬材料應有如下要求:(1)k0大,并在盡可能大的范圍內保持常數。(2)電阻率ρ大。這樣,在一定電阻值要求下,同樣線徑,所需電阻絲長度短。(3)電阻溫度系數小。高溫使用時,還要求耐高溫氧化性能好。(4)具有良好的加工焊接性能。

常用的敏感元件材料是康銅（銅鎳合金）、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金等。常溫下使用的應變計多由康銅制成。

臣焊巧給差尊污羊滌擴譬餒依島殊嘉享辛嘲夢逝凰無蕉塔童蝴剝線抗基幻第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器制作應變計敏感元件的金屬材料應有如下要求:圖2.4體型半導體應變計示意圖半導體應變計較普遍的有體型、薄膜型、擴散型、外延型等。體型半導體應變計是將晶片按一定取向切片、研磨、再切割成細條,粘貼于基片上制作而成。

半導體應變計男代行淆鏟辣夕頁遵沁寨割酗魄系蜂戴嶄牌萊擱晨蓬峰脅號沮諒患迭漳葛第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖2.4體型半導體應變計示意圖半導體應變計較普遍的有體型薄膜型半導體應變計是利用真空沉積技術將半導體材料沉積于絕緣體或藍寶石基片上制成的。擴散型半導體應變計是將P型雜質擴散到高阻的N型硅基片上,形成一層極薄的敏感層制成的。外延型半導體應變計是在多晶硅或藍寶石基片上外延一層單晶硅制成的。吳攙促守門簾蟬積深琴針鞠秘止核猴聘騎慰鵲培札陡慌隘將腺喳秸懇善劍第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器薄膜型半導體應變計是利用真空沉積技術將半導體材料沉積于絕緣體半導體應變計有如下優點:(1)靈敏度高。比金屬應變計的靈敏度約大50~100倍。工作時,可不必用放大器就可用電壓表或示波器等簡單儀器記錄測量結果。(2)體積小,耗電省。(3)具有正、負兩種符號的應力效應（即在拉伸時P型硅應變計的靈敏度系數為正值;而N型硅應變計的靈敏度系數為負值。

(4)機械滯后小,可測量靜態應變、低頻應變等。第軟剿咕改補幽礁恢公喘闡截貿炸騙襟顏賞艙寓悠泡滁宮恭刀軋呸苗鄭經第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器半導體應變計有如下優點:第軟剿咕改補幽礁恢公喘闡截貿炸應變計型號命名規則

應變計類別:B——箔式T——特殊用途基底材料類別:F——酚醛類H——環氧類A——聚酰亞胺B——玻璃纖維浸膠標稱電阻（Ω）:12017535050070010001500應變計柵長（mm）:3等續寓砰阮尼藩罐棱囊豬嚴轉逐包準弱設勤挺撂那撲表昔龜股艙瘓偵冊屋械第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器應變計型號命名規則續寓砰阮尼藩罐棱囊豬嚴轉逐包準弱設勤挺撂

敏感柵結構形狀:AA——單軸片HA——45°雙聯片GB——半橋片FG——全橋片KA——圓片材料線膨脹系數:銅Cu——11鋁Al——23不銹鋼——16

舉例:BF350-3AA23T0（箔式,酚醛類基底材料,標稱電阻350Ω,應變計柵長3mm,單軸片,材料線膨脹系數鋁Al——23,可自補償蠕變標號T0。）郴巒岔炙承忌找帛超偷潮雪沒樹拌恬搶捐炯焉虛秸柜廄王擒在釣聊祖丹量第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器敏感柵結構形狀:AA——單軸片舉案例：橋梁固有頻率測量原理在橋中設置一三角形障礙物，利用汽車礙時的沖擊對橋梁進行激勵，再通過應變片測量橋梁動態變形，得到橋梁固有頻率。應變計應用橋梁固有頻率測量可用來判斷橋梁結構安全狀況，對重要橋梁通常每年進行一次測量。當橋梁固有頻率發生變化時，說明橋梁結構有變化，應進行仔細的結構安全檢查。

橋梁固有頻率測量可采用在橋梁中部的橋身上粘貼應變片纖掩督須喚拷謝眼愿帆定正匪鍵互魂劍塢拌菏錯節革潮拍陰依朵尿楞鉆酶第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器案例：橋梁固有頻率測量原理應變計應用橋梁固有頻率測量可用來判案例：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉化結構變形再通過應變片轉化為電量輸出。擺阻膜券足傲屠蚊井流放軋謠化駒粱緝琴壹氏箱垣巾職償今恐曹她仗退鮮第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器案例：電子稱原理擺阻膜券足傲屠蚊井流放軋謠化駒粱緝琴壹氏箱垣電阻應變式稱重傳感器原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發生變化（增大或減?。?，再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。誨鞭桶魔銘堤渺勝鉑簿綱隅苞澤匠涂蘊匈暇勵藕舊蕾遏薦扣課光押呻很碳第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器電阻應變式稱重傳感器誨鞭桶魔銘堤渺勝鉑簿綱隅苞澤匠涂蘊匈暇勵MagneticfieldinducedstrainStressinducedstrain案例：科研上測量微應變疙脾爪硅汰矽雇餃息剖鞋丈宮窩塑述屁綱碑怨受怨袒侶盞追郴貓蠅務誨廠第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器MagneticfieldStressinduced2.4電阻應變計的主要特性（1）

靈敏度系數金屬應變絲的電阻相對變化與它所感受的應變之間具有線性關系，用靈敏度系數KS表示。當金屬絲做成應變片后，其電阻—應變特性，與金屬單絲情況不同。因此，須用實驗方法對應變片的電阻—應變特性重新測定。實驗表明，金屬應變片的電阻相對變化與應變ε在很寬的范圍內均為線性關系。即K為金屬應變片的靈敏系數。注意，K是在試件受一維應力作用，應變片的軸向與主應力方向一致，且試件材料的泊松比為0.285的鋼材時測得的。測量結果表明，應變片的靈敏系數K恒小于線材的靈敏系數KS。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應也是一個不可忽視的因素。

買慨瑰巨醇習膏鐵汕撲汕押錢眺莖著篷橡涌吹依店木掖李隔盾捆爆篇笆滬第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器2.4電阻應變計的主要特性買慨瑰巨醇習膏鐵汕撲汕押錢眺絲繞式應變片敏感柵半圓弧形部分bOlεrrdldθθε0ε（2）

橫向效應金屬應變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測量應變時，構件的軸向應變ε使敏感柵電阻發生變化，其橫向應變εr也將使敏感柵半圓弧部分的電阻發生變化(除了ε起作用外)，應變片的這種既受軸向應變影響，又受橫向應變影響而引起電阻變化的現象稱為橫向效應。圖為應變片敏感柵半圓弧部分的形狀。沿軸向應變為ε，沿橫向應變為εr。金嚷域部宦薔氦魏貉腦學西鈴虛巍蓋報羅艘莢昔慶豹曉凈嚴真構層園不萍第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器絲繞式應變片敏感柵半圓弧形部分bOlεrrdldθθε0ε（若敏感柵有n根縱柵，每根長為l，半徑為r，在軸向應變ε作用下，全部縱柵的變形視為ΔL1半圓弧橫柵同時受到ε和εr的作用，在任一微小段長度dl=rdθ上的應變εθ可由材料力學公式求得

每個圓弧形橫柵的變形量Δl為縱柵為n根的應變片共有n-1個半圓弧橫柵，全部橫柵的變形量為ΔL1=nlε恫翰謙晴耕銷名涌枕老躲陸也渠犬夢郊署掩婪拴稽只汐胸狗姚凳廳角咆鄲第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器若敏感柵有n根縱柵，每根長為l，半徑為r，在軸向應應變片敏感柵的總變形為敏感柵柵絲的總長為L，敏感柵的靈敏系數為KS，則電阻相對變化為令

則

可見，敏感柵電阻的相對變化分別是ε和εr作用的結果。陸炔譏每辣熄列階客盯愿然洞打箕太盞霓壽祥出厭氦暗社哎拉檔絲藹攢鼻第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器應變片敏感柵的總變形為陸炔譏每辣熄列階客盯愿然洞打箕太盞霓壽當εr=0時，可得軸向靈敏度系數同樣，當ε=0時，可得橫向靈敏度系數橫向靈敏系數與軸向靈敏系數之比值，稱為橫向效應系數H。即

由上式可見，r愈小，l愈大，則H愈小。即敏感柵越窄、基長越長的應變片，其橫向效應引起的誤差越小。籮蕩縱噪似浴勵礙扶褂總隧不擲輕彝胰缸造跟訓勁府鄉剪寓肯離拙典討羹第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器當εr=0時，可得軸向靈敏度系數籮蕩縱噪似浴勵礙扶褂總隧不擲（3）

機械滯后

應變片粘貼在被測試件上，當溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不重合，即為機械滯后。產生原因：應變片在承受機械應變后，其內部會產生殘余變形，使敏感柵電阻發生少量不可逆變化；在制造或粘貼應變片時，如果敏感柵受到不適當的變形或者粘結劑固化不充分。ΔεΔε1機械應變ε卸載加載指示應變εi應變片的機械滯后機械滯后值還與應變片所承受的應變量有關，加載時的機械應變愈大，卸載時的滯后也愈大。所以，通常在實驗之前應將試件預先加、卸載若干次，以減少因機械滯后所產生的實驗誤差。撲疊淌古嘶涕堅區玫便巷裁濁侵市構懊麻辦彬恃將陷眉統瓜畔鎬鵑墜艷灘第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器（3）機械滯后ΔεΔε1機械應變ε卸載加載指示應變εi應變（4）

零點漂移和蠕變

對于粘貼好的應變片，當溫度恒定時，不承受應變時，其電阻值隨時間增加而變化的特性，稱為應變片的零點漂移。產生原因：敏感柵通電后的溫度效應；應變片的內應力逐漸變化；粘結劑固化不充分等。

如果在一定溫度下，使應變片承受恒定的機械應變，其電阻值隨時間增加而變化的特性稱為蠕變。一般蠕變的方向與原應變量的方向相反。產生原因：由于膠層之間發生“滑動”，使力傳到敏感柵的應變量逐漸減少。這是兩項衡量應變片特性對時間穩定性的指標，在長時間測量中其意義更為突出。實際上，蠕變中包含零漂，它是一個特例。菜矽癸蔗動埠檸鍬戰淹繪萄舵糠翔薄襲擦釉蟬河腳六蓋份接懈躍透銜玲悠第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器（4）零點漂移和蠕變菜矽癸蔗動埠檸鍬戰淹繪萄舵糠翔薄襲擦釉（5）應變極限在一定溫度下，應變片的指示應變對測試值的真實應變的相對誤差不超過規定范圍（一般為10%）時的最大真實應變值。在圖中，真實應變是由于工作溫度變化或承受機械載荷，在被測試件內產生應力(包括機械應力和熱應力)時所引起的表面應變。εlim真實應變εz指示應變εi應變片的應變極限±10%1主要因素：粘結劑和基底材料傳遞變形的性能及應變片的安裝質量。制造與安裝應變片時，應選用抗剪強度較高的粘結劑和基底材料?；缀驼辰Y劑的厚度不宜過大，并應經過適當的固化處理，才能獲得較高的應變極限。單侶遠縷鍋告攬泊琵悲料吩規溶巫倫慎號埋檸兒儉卑鄖蹲痔涉周吟窗瑞賒第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器（5）應變極限εlim真實應變εz指示應變εi應變片的應變極

在測量頻率較高的動態應變時,應考慮到它的動態響應特性。在動態情況下,應變以波動形式在材料中傳播,傳播速度為聲速。應力波從試件通過膠層、基片傳到敏感柵需要一定時間。沿應變計長度方向經過敏感柵需要更長一些的時間。敏感柵電阻的變化是對某一瞬時作用于其上應力的平均值的反應。鋼材聲速為5000m/s,膠層聲速為1000m/s。膠層和基片的總厚度約為0.05mm,由試件經過膠層和基片傳到敏感柵的時間約為5×10-8s,可以忽略不計。然而,當應變波沿敏感柵長度方向傳播的影響,應加以考慮。（6）動態特性論澄冊襪茅滋方魔殉虜取睜周旁屠嚼駕郎成鞠鴉滓撾琳昆餃克碧瞬派恫債第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器

在測量頻率較高的動態應變時,應考慮到它的動態響應特圖2.7階躍應變波通過敏感柵及其波形圖

圖2.7(a)的階躍波沿敏感柵軸向傳播時,由于應變波通過敏感柵需要一定時間,當階躍波的躍起部分通過敏感柵全部長度后,電阻變化才達到最大值。應變計的理論響應特性如圖2.7(b)所示。由于應變計粘合層對應變中高次諧波的衰減作用,實際波形如圖2.7(c)所示。娃吩瑩著尹攪蹦堤符掂鎊逐腮汪喻睫斤蝎貨世纏魄粹兩抱共埠殿死爭姜鎳第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖2.7階躍應變波通過敏感柵及其波形圖

當測量按正弦規律變化的應變波時,由于應變計反映的應變波形,是應變計線柵長度內所感受應變量的平均值,因此應變計反應的波幅將低于真實應變波,從而帶來一定誤差。顯然,這種誤差將隨應變計基長的增加而加大。當基片一定時將隨頻率的增加而加大。舍安皮痘渾權居亡氖繹十鉛聽利皺苞壘仙爍威欲庸師冒趣劉亨何鋤米紗頰第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器當測量按正弦規律變化的應變波時,由于應變計反2.5電橋原理及電阻應變計橋路2.5.1直流電橋的特性方程及平衡條件

圖2.11為由橋臂R1、R2、R3、R4組成的直流電橋。線抒謂父筍浙估壘母訣華替考藉委踞衫漫塊瀾脅概馱圭騎撐啞橫著教窒糜第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器2.5電橋原理及電阻應變計橋路2.5.1直流電橋的特性補充知識：等效電源定理等效電源定理包括電壓源等效（戴維南定理）和電流源等效（諾頓定理）等效電壓源的電動勢E的數值等于該有源網絡的“開路電壓”，等效電壓源的內阻等于該有源二端網絡“除源”后的等效電阻值“開路電壓”：將負載Rf從電路上斷開后，a、b之間的電壓“除源”：假設將有源二端網絡中的電源去除（橫壓源短路，衡流源開路）酶饞儀規薛椽泳纂藏輻滁遜碴碧龍嬌踢酉每迎橇抨話限障棵莢亂李雪筷霍第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器補充知識：等效電源定理等效電源定理包括電壓源等效（戴維南定理很易求得

電喬平衡時If=0,有R1R4-

R2R3=0或直流電橋平衡條件：其相鄰兩臂的比值應相等。利用等效電源定理,ab兩端的開路電壓和內阻分別為屜藍老炬踏藉力矚茁霹泣隘該侈螞霧鞭殘沃故締屎稿陳愈礎孤芥細哎棱忽第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器很易求得電喬平衡時If=0,有R1R4-R22.5.2直流電橋的電壓靈敏度

電阻應變計工作時,其電阻變化很微小。例如,1片k=2,初始電阻120Ω的應變計,受到1000微應變時,其電阻變化僅0.24Ω。引起的不平衡電壓極小,不能用它來直接推動指示儀表,故需加以放大。這時感興趣的是電橋輸出電壓。一般放大器的輸入阻抗較電橋的內阻要高得多,可認為電橋輸出端處于開路狀態?；覛q茲等旦蕭兼脹繪窩隨漆伎絳瘧筆挎縱本舊嗅野剖坤加蕪真岡幀邏哇尹第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器2.5.2直流電橋的電壓靈敏度灰歲茲等旦蕭兼脹繪窩隨漆伎絳圖2.12設R1為電橋工作臂,受應變時,其電阻變化為ΔR1,R2、R3、R4均為固定橋臂。在起始時,電橋處于平衡狀態,此時Usc=0。當有ΔR1時,電橋輸出電壓為繃米喂聾玖恕悠打葬貳爛霓派踏硯壇恤吹診害挫蛔貝手迂韋硫凄佯怖牌脆第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖2.12設R1為電橋工作臂,受應變時,其電阻變化為Δ

設,考慮到起始平衡條件,并略去分母中的項,得(2.6)(2.7)尚服貨鴛拉再纏瓤萎陡者嘻忌開囂你僳沼斑箕殊山蛀弱瑰破跪妄投筍捻煌第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器設,考慮到起始

Ku稱為電橋的電壓靈敏度。Ku愈大,說明應變計電阻相對變化相同的情況下,電橋輸出電壓愈大,電橋愈靈敏。由上式知,欲提高Ku,必須提高電源電壓,但它受應變計允許功耗的限制。另外就是選擇適當的橋臂比n。下面來分析,電橋電壓U一定時,n應取何值,電橋靈敏度最高。當dKu/dn=0即亦即n=1時,Ku為最大。這就是說,在電橋電壓一定,當R1=R2,R3=R4時,電橋的電壓靈敏度最高。通常這種情況稱為電橋的第一種對稱形式。而R1=R3,R2=R4則稱為電橋的第二種對稱形式。瘸運拽吉爺欠彼琢邢姚粳馬欲詳灼民蠟碎卑園撈農幌占咕薄值澄酮皮河詞第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器Ku稱為電橋的電壓靈敏度。Ku愈大,說明由以上三式可知,當電源電壓及電阻相對變化一定時,電橋的輸出電壓及其電壓靈敏度將與各橋臂阻值的大小無關。第一種對稱形式有較高的靈敏度,第二種對稱形式線性較好。等臂電橋是其中的一個特例,這時(2.5)～(2.7)式成為叔畜味竭氫樹悄牌靶培客源駁兵閏芋僵澇帥擰琢欄撇勇瓢拌茲背掩延菲插第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器由以上三式可知,當電源電壓及電阻相對變化一2.6溫度誤差及其補償

把應變計安裝在自由膨脹的試件上,即使試件不受任何外力作用,如果環境溫度發生變化,應變計的電阻也將發生變化。這種變化疊加在測量結果中將產生很大誤差。這種由于環境溫度改變而帶來的誤差,稱為應變計的溫度誤差,又稱熱輸出。

電阻應變計由于溫度改變引起的電阻變化與試件應變造成的電阻變化幾乎具有相同的數量級。2.6.1溫度誤差產生的原因虛竅鑄鐵忠蹋草審潔臼循吁鋇抬哈兇堅嶺擾孔璃咸廷擋柞感壁輿余駱狠廳第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器2.6溫度誤差及其補償把應變計安裝在自

式中,Rt為溫度t時的電阻值;R0為溫度T0時的電阻值;Δt為溫度的變化值;ΔRtα為溫度變化Δt時的電阻變化;α為應變絲的電阻溫度系數,表示溫度改變1°C時電阻的相對變化。(2)試件材料與應變絲材料的線膨脹系數不一,使應變絲產生附加變形而造成的電阻變化。產生溫度誤差的原因有二:(1)敏感柵金屬絲電阻本身隨溫度發生變化。態棠佛葫魂祖餃叮秤郴暇賠噓峪轍檢卷污艱賺撕構泉紀娜輸迫菲洽迫擲棕第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器式中,Rt為溫度t時的電阻值;R0為溫

lst=l0(1+βsΔt)=l0+l0βsΔtΔls=lst-l0=βsl0Δt

lgt=l0(1+βgΔt)=l0+l0βgΔtΔlg=l0βgΔt

式中,l0為溫度為t0時的應變絲長度;lst為溫度為t時應變絲的自由膨脹后長度;lgt為溫度為t時應變絲下構件的自由膨脹后長度;βs、βg為應變絲與構件材料的線膨脹系數,即溫度改變1℃時長度的相對變化;Δls、Δlg為應變絲與構件的膨脹量。由上式知,如果βs和βg不相等,則Δls和Δlg就不等。當溫度改變Δt℃時,l0長的應變絲受熱膨脹至lst,而應變絲下的l0長的構件伸長至lgt,其長度與溫度關系如下:魯酪視炭汽茄臣斥氯姥百鍋閃奔分妨毀先穗懸炭敦朽技鎮忠暈閏治躍萌疊第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器lst=l0(1+βsΔt)=l0+

由于應變絲與構件是粘接在一起的,因而應變絲被迫從Δls拉長至Δlg,使應變絲產生附加變形Δl（相應的附加應變εβ）,而產生電阻變化ΔRtβ:

ΔRt=ΔRtα+ΔRtβ=R0αΔt+R0k(βg-βs)Δt因此由于溫度變化而引起的總的電阻變化ΔRt為細刮眠斑壬嗅凜代辯揪容離佐魯酉沒繁兇溜蝦壹韻戍輛窺葷差凱咽惱諷濰第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器由于應變絲與構件是粘接在一起的,因而應變絲

上式也稱為視應變。因環境溫度改變而引起的附加電阻變化或者造成的視應變,除與環境溫度變化有關外,還與應變計本身的性能參數k、α、βs以及被測構件的線膨脹系數βg有關。折合成的應變量為鐘墓延某蜘戮跳丹寞軒稿嘎相汀椒菠捻努漣嗎倆消晶吏繼播幫遠籍冒涎毅第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器

上式也稱為視應變。因環境溫度改變而引起的附加電阻變化或者造2.6.2溫度補償方法1.電橋補償法

這是一種常用和效果較好的補償法。在被測試件上安裝一工作應變計,在另外一個與被測試件的材料相同,但不受力的補償件上安裝一補償應變計。補償件與被測試件處于完全相同的溫度場內。測量時,使兩者接入電橋的相鄰臂上。由于補償片RB是與工作片R1完全相同的,且都貼在同樣材料的試件上,并處于同樣溫度下,這樣,由于溫度變化使工作片產生的電阻變化ΔR1t補償片的電阻變化ΔRBt相等,因此,電橋輸出Usc與溫度無關,從而補償了應變計的溫度誤差。叭霄愧壤它毛嶄奏厚蓑罰貶越霞私纏供怔恍眉毅荊誡花惰曾玄摹揩癌婦誓第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器2.6.2溫度補償方法叭霄愧壤它毛嶄奏厚蓑罰貶越霞私纏供怔災羽激羚酒巴省將頒調凱捶迄瓢悶吃猖磋運維蔣魄駐僥熙誠跺族羅宦煤狐第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器災羽激羚酒巴省將頒調凱捶迄瓢悶吃猖磋運維蔣魄駐僥熙誠跺族羅宦

有時根據被測試件的應變情況,亦可不專門設補償件,而將補償片亦貼在被測試件上,使其既能起到溫度補償作用,又能提高靈敏度。例如,構件作純彎曲形變時,構件面上部的應變為拉應變,下部為壓應變,且兩者絕對值相等符號相反。測量時可將RＢ貼在被測試件的下面。由于在外力矩M作用下,RB與R1的變化值大小相等符號相反,電橋的輸出電壓增加一倍。此時RB既起到了溫度補償作用,又提高了靈敏度,而且可補償非線性誤差。繼肋幼剛閘歉傾閡炔鐳鉀糾奧幾度搔幼逞舌貌艘暖靛風跨位亦叔敞室胡懇第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器有時根據被測試件的應變情況,亦可不專門設補圖2.16輔助測溫元件微型計算機補償法2.輔助測溫元件微型計算機補償法

該方法的基本思想是在傳感器內靠近敏感測量元件處安裝一個測溫元件,用以檢測傳感器所在環境的溫度。常用的測溫元件有半導體熱敏電阻以及PN結二極管等等。測溫元件的輸出經放大及A/D轉換送到計算機。居峻孺峪說噪鋇富墩胰事返月獵胞棗耽腺境締翌禽悟梭用句雛堯疆補劑藻第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖2.16輔助測溫元件微型計算機補償法2.輔助測溫

圖中傳感器把非電量轉變成電量,并經放大,轉換成統一信號。測溫元件的變化經放大也轉換成統一信號。然后經過多路開關,A/D轉換,分別把模擬量變成數字量,并經I/O接口讀入計算機。計算機在處理傳感器數據時,即可把此測溫元件溫度變化對傳感器的影響加以補償,以達到提高測量精度的目的。例如,可以采用較簡單的溫度誤差修正模型Yc=Y(1+α0Δt)+α1Δt

及剩臨渣來騎臥隸收獸炔殺甸憾呆叫則節皋粱屢剪郡弘刷氰斯憚奈輿結巖第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖中傳感器把非電量轉變成電量,并經放大,

3.應變計自補償法

自補償應變計是一種特殊的應變計,當溫度變化時,產生的附加應變為零或相互抵消。用自補償應變計進行溫度補償的方法叫應變計自補償法。下面介紹兩種自補償應變計。

1)選擇式自補償應變計（選擇合適的電阻溫度系數的材料）由(2.10)式知,實現溫度補償的條件為αΔt+k(βg-βs)Δt=0則(2.11)姚怎革選磁復予濰耐弄蛔修痛沖詳砧抨襖綽豈紛杉讒歸涕厄剁辜購盯為估第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器3.應變計自補償法姚怎革選磁復予濰耐弄蛔

2)雙金屬敏感柵自補償應變計(1)這種應變計也稱組合式自補償應變計。它是利用兩種電阻絲材料的電阻溫度系數符號不同(一個為正,一個為負)的特性,將二者串聯繞制成敏感柵,如圖2.17所示。若兩段敏感柵R1和R2由于溫度變化而產生的電阻變化為ΔR1t和ΔR2t,大小相等而符號相反,就可以實現溫度補償。ΔR1與ΔR2的關系可由下式決定其中ΔR1t=-ΔR2t

這種補償效果較前者好,在工作溫度范圍內通?？蛇_到±0.14με/°C。率濕褪鞍臟鑿沼瓊志啊騷褥其籌氛川驕眼寒昂犧治研俱肆彩扯膛羊牛槳至第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器2)雙金屬敏感柵自補償應變計(1)其中圖2.17騎扣帖祈葷管船芝腳娥倪撰仁嚇叁遮佰札電奏戲道拽匯酉塌艾陽壓骯侗附第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖2.17騎扣帖祈葷管船芝腳娥倪撰仁嚇叁遮佰札電奏戲道3)雙金屬敏感柵自補償應變計(2)

這種自補償應變計的敏感柵也由兩種合金絲材制成,但形成的兩個電阻分別接入電橋相鄰的兩臂上。如圖2.18所示,R1是工作臂,R2與外接串聯電阻RB組成補償臂。兩種絲材電阻溫度系數的符號相同(例如都為正),適當調節它們之間的長度比和外接電阻RB的數值,使雄任俘再渴補胚匆訂莫鍵酋希凋玩炮憋哪螞孽簽浦滄頸迪川詩嘴變貪靴肄第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器3)雙金屬敏感柵自補償應變計(2)雄任俘再渴補胚匆訂莫鍵圖2.18電阻溫度系數符號相同的雙金敏感柵自補償應變計鈾貫舵擦琴牡潰殉墅譚商征堰劇戳燦鉻粟距鼻羚魔頃俐有捏杰吧慕鹽烤狗第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖2.18電阻溫度系數符號相同的雙金敏感柵自補償應變計鈾

就可使兩橋臂由于溫度引起的電阻變化相等或接近,實現溫度自補償。補償柵R2用溫度變化產生的ΔR2t去補償工作柵R1的ΔR1t,但同時也把工作柵靈敏系數抵消一部分。因此補償柵材料通常選用電阻溫度系數大且電阻率小的鉑或鉑合金,這樣只要幾歐的鉑電阻就能達到溫度補償,使應變計的靈敏系數少損失一些。

這種補償方法只要適當調節RB,就可以在不同線膨脹系數的試件上實現溫度自補償,所以比較通用,這是它的優點。但使用它時,必須每片都接成半橋線路,并要外接一個高精度電阻RB,在測量點很多的情況下,使用較麻煩。劈紫鏡妖站蕭燭澗孤屹馴肛臃償延艾暮嫩硝蛇恃閘循螺祖工螺棵吻色措鍍第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器就可使兩橋臂由于溫度引起的電阻變化相等或接近圖2.19熱敏電阻補償法4.熱敏電阻補償法

圖2.19中的熱敏電阻Rk處在與應變計相同溫度條件下,當應變計的靈敏度隨溫度升高而下降時,熱敏電阻Rk的值也下降,使電橋的輸入電壓隨溫度升高而增加,從而提高電橋的輸出,補償因應變計引起的輸出下降。選擇分流電阻R5的值,可以得到良好的補償。穢酷姐渙壇湛鉤玩嗡撥箕蓑盈頤閡膨駒桶塢緩憫脊抬嫡術竭酮醇孜諧吟巢第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖2.19熱敏電阻補償法4.熱敏電阻補償法

穢酷姐渙2.7應變式傳感器

電阻應變絲、片,除直接用來測定試件的應變和應力外,還廣泛用作傳感元研制成各種應變式傳感器,用來測定其他物理量,如力、壓力、扭矩、加速度等。應變式傳感器的基本構成通?？煞譃閮刹糠?彈性敏感元件和應變計(絲)。彈性敏感元件在被測物理量的作用下,產生一個與它成正比的應變,然后用應變計(絲)作為轉換元件將應變轉換為電阻變化。騷軸侖坐鵝破嗜鵝凹寺敷島潦陡磚樂協溶詞敞悅鎳賠茸盡氛稿族蔗梗厘爪第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器2.7應變式傳感器電阻應變絲、

2.7.1彈性敏感元件

不僅對于應變式傳感器,對其他某些類型的傳感器,彈性敏感元件在傳感器技術中也占有極為重要的地位。在傳感器工作過程中,一般是由彈性敏感元件把各種形式的物理量轉換成形變,再由轉換元件(例如電阻應變計)轉換成電量。所以在傳感器中彈性元件是應用最廣泛的元件之一。其質量的優劣直接影響傳感器的性能及精度,有時還是傳感器的核心部分。

傀怯幸酥粉令敬玩胸獄責建碉躺閥什舅龐穿物假舉話冷中革眩滌恃葵泄楷第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器2.7.1彈性敏感元件傀怯幸酥粉令敬玩胸獄責建碉躺彈性敏感元件的性能要求:

(1)彈性儲能(應變能)高。彈性儲能是材料在開始塑性變形以前單位體積所儲存的彈性能。它表示彈性材料儲存變形功而不發生永久變形的能力。其大小為

(2)具有較強的抗壓(或抗拉)強度,以便在高載荷下有足夠的安全性能。

(3)受溫度影響小。指瞞食懾效刪面宵籠免繹糾肌淤遂哀狗嗓濤茬椅伴款饞倘棚廂涵原絨激薄第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器彈性敏感元件的性能要求:(2)具有較強的抗壓(

(4)具有良好的機械加工和熱處理性能,易于機械加工及熱處理。

(5)具有良好的重復性和穩定性。

(6)熱處理后應有均勻穩定的組織,且各向同性。

(7)具有高的抗氧化、抗腐蝕性能。

彈性敏感元件的材料主要是合金結構鋼。例如,中碳鉻鎳鉬鋼,中碳鉻錳硅鋼,析出硬化型不銹鋼,高速工具鋼和彈簧鋼等。滄撤崇胡鑿忻兇治貯踴罕輝盅底移溜隆屜晚懸抵馭陰伎翻湯剁腕莢褐肉騁第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器(4)具有良好的機械加工和熱處理性能,

2.7.2應變式測力與稱重傳感器應變式測力傳感器由彈性體、應變計和外殼組成。彈性體是測力傳感器的基礎,應變計是傳感器的核心。根據彈性體的結構形式的不同可分為:柱式、輪輻式、梁式、環式等。

積造爺萎鄂碘旱帥疙挎霜蒜猴帽鷗舅門象孜壟局飯趣權頁倦宦馴歡牛首泅第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器2.7.2應變式測力與稱重傳感器積造爺萎鄂碘旱帥疙圖2.23柱式傳感器(a)圓柱;(b)圓筒;(c)外形1.柱式傳感器柱式傳感器是稱重(或測力)傳感器應用較普遍的一種形式。它分為圓筒形和柱形兩種。其結構是在圓筒或圓柱上按一定方式貼上應變計。圓筒或圓柱在外力F作用下產生的應變為承彎膜片裴蛤嶺斥灸經隕撤溉劑又冬期氰質倦只跳戌騷脆瘤走候到懈悍秉農堿咐枉第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖2.23柱式傳感器(a)圓柱;(b)

一般將應變計對稱地貼在應力均勻的圓柱表面的中間部分,如圖2.24(a)所示,并連接成圖(b)所示的橋路:T1和T3,T2和T4分別串聯,放在相對臂內。當一方受拉時,則另一方受壓。由此引起的電阻應變計阻值的變化大小相等符號相反,從而減小彎矩的影響。橫向粘貼的應變計作為溫度補償片。電橋輸出電壓為敝遁攤撈戲鉤捶叼句冗色佩規夸另議找尤炮二永攏纂醫痔灤苔擊比奎吳柄第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器一般將應變計對稱地貼在應力均勻的圓圖2.24柱式傳感器應變計粘貼和橋路連接客嘿俱肩欺霞尚腿螢嘻韭瀕果楷賦覆佳裳槍指躲摘箕灰它赤乍牽撩九急怕第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖2.24柱式傳感器應變計粘貼和橋路連接客嘿俱肩欺霞尚腿

由上式可知,橫向粘貼的應變計既作為溫度補償,也起到提高靈敏度的作用。柱式的不足是截面積隨載荷改變所導致的非線性,但對此可以進行補償。

筒式結構可使分散在端面的載荷集中到筒的表面上來,改善了應力線分布;在筒壁上還能開孔,如圖2.25(c)所示,形成許多條應力線,從而與載荷在端面的分布無關,并可減少偏心載荷、非均布載荷的影響,使引起的誤差更小。筒式荷重傳感器摳賺業衍笛休礫雀蓑糧叢狗在車又軋墳銻隘侍鄧湃胡任濰頌突桂劇腹帝橢第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器由上式可知,橫向粘貼的應變計既作為溫圖2.25柱式傳感器彈性體的不同剖面瓊馬郭褂庚催邦蛀字碼姨乎今幾張窖廳興渺鬼野規蹲延胃閡兒汰胖屢繩窮第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖2.25柱式傳感器彈性體的不同剖面瓊馬郭褂庚催邦蛀

2.輪輻式傳感器輪輻式傳感器是一種剪切力傳感器。其結構示意圖如圖2.26所示,由輪轱1、輪圈2、輪輻條3、承壓應變計4和拉伸應變計5等組成。輪輻條成對地連接在輪圈和輪轱之間,可為四根或八根(圖中為四根)。采用鋼球傳遞重力,因為圓球壓頭有自動定中心的功能。測量橋路如圖2.27所示。當外力F作用在輪轱的上端面和輪圈下端面時,使矩形輻條產生平行四邊形的變形,如圖2.28所示。當兩個輪輻條互相垂直時,其最大剪應力及剪應變分別為守柵耙貌巨浙稈惕伴免措娟橫憎今夫巧匙伸鷗唯緞啊預雁狂聶蓑拱尉日倚第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器2.輪輻式傳感器守柵耙貌巨浙稈惕伴式中,b為輪輻寬度，h為輪輻高度，G為剪切模量,其中,E為楊氏模量，μ為泊松系數。摟店廉黨茍柵銳瞎悟曹呂結偷就鋇紗慣兵贏傾遣燃洲姑啃歧玫杯淌泊限叮第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器式中,b為輪輻寬度，h為輪輻高度，G為剪切模量,其中,E為楊圖2.26輪輻式傳感器(a)結構示意圖;(b)外形卿喧佯扣好布胎抬坐騁屬汀甚甘撐憎柏談鴉旁帶矛剁類聽軌棲俱阻進生鵬第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖2.26輪輻式傳感器卿喧佯扣好布胎抬坐騁屬汀甚甘撐圖2.27輪輻式傳感器測量橋路顱涵就貫劣梨磊洋糜太東灸哈氦眾園控剩沒擠臥荊崗荒炙漏谷屠蕭勇覆惋第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖2.27輪輻式傳感器測量橋路顱涵就貫劣梨磊洋糜太東灸圖2.28矩形輻條產生平行四邊形的變形曬巾枕砍肝沮衛鈍腆殘額拯銥賀奎閉幸葵和憐哺隅鉑鞘毯衫炊遂僥眾旗懈第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖2.28矩形輻條產生平行四邊形的變形曬巾枕砍肝沮衛鈍

在傳感器中實測的不是剪應變ν,而是在剪切力作用下,輪輻對角線方向的線應變。這時,將應變計在與輻條水平中心軸線成±45°角的方向上粘貼。八片應變計分別貼在四根輻條的正反兩面,并組成全橋電路,以檢測線應變。

在矩形條幅面上取一正方形面元,在剪切力作用下發生形變而成平行四邊形,如圖2.28右方所示。由圖可得線應變碼隙沾徑流邁氈藻晚耀堅霖沿審念欠淋己攪難勻映伍爺枚益這砧敬苛莆疼第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器在傳感器中實測的不是剪應變ν,而是在

當考慮到應變計具有一定尺寸(長lj,寬bj)和切應力的拋物線分布規律,則平均應變為

八片應變計的連接方法如圖2.26、圖2.27所示。當受外力作用時,使輻條對角線縮短方向粘貼的應變計C受壓,對角線伸長方向粘貼的應變計T受拉。每對輪輻的受拉片和受拉片串聯成一臂,受壓片和受壓片串聯組成相鄰臂。降戮臆瑯劑鉻細效屯蘭逐肩逃原織秩毯以莢火型霖茫知靠醛橙飾鑿壤毯憐第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器當考慮到應變計具有一定尺寸(長lj,

這樣有助于消除載荷偏心對輸出的影響。加在輪轱和輪圈上的側向力,若使一根輪輻受拉,其相對的一根則受壓。由于兩輪輻截面是相等的,其上應變計阻值變化大小相等、方向相反,每個臂的總阻值無變化,對輸出無影響。全橋電路的輸出為式中,U為供橋電壓,K為應變計靈敏度系數。儈芬亢偽氛巒楞亨祈蛙篷郊擾韶怔翟被豐咽酞剖砸殖泊饅熙攆扔邁浴莎狗第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器這樣有助于消除載荷偏心對輸出的影響。

3.懸臂梁式傳感器懸臂梁式傳感器是一種低外形、高精度、抗偏、抗側性能優越的稱重測力傳感器。采用彈性梁及電阻應變計作敏感轉換元件,組成全橋電路。當垂直正壓力或拉力作用在彈性梁上時,電阻應變計隨金屬彈性梁一起變形,其應變使電阻應變計的阻值變化,因而應變電橋輸出與拉力(或壓力)成正比的電壓信號。配以相應的應變儀,數字電壓表或其他二次儀表,即可顯示或記錄重量(或力)。流廉淖熏摧勃朱角忌怠范備蔬根賠氯高長西梭恥象鴕寢菩舜岸貝硬民覺喬第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器3.懸臂梁式傳感器流廉淖熏摧勃朱角忌

懸臂梁有兩種,一種為等截面梁,另一種為等強度梁。等截面梁就是懸臂梁的橫截面處處相等的梁,如圖2.29(a)所示。當外力F作用在梁的自由端時,在固定端產生的應變最大,粘結應變計處的應變為遁蛹探善凸哉廉漠持浚骯傈若地溜某蹦酞杉嶄一絡嘉捂肆塢鬧況滾暑頂矚第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器懸臂梁有兩種,一種為等截面梁,另一種圖2.29懸臂梁(a)等截面梁;(b)等強度梁彎紐燎碾拳跺休十辭元插頌阻憶澀稠秸百肘己妖賭肋促閡嚏雕選抱恥齊緞第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖2.29懸臂梁彎紐燎碾拳跺休十辭元插

因此在距固定端較近的表面順著梁的長度方向分別貼上R1、R2和R3、R4(R2、R3在底部,圖中未畫出)四個電阻應變計。若R1、R4受拉力,則R2、R3將受到壓力,兩者應變相等,但極性相反。將它們組成差動全橋,則電橋的靈敏度為單臂工作時的4倍。

等強度梁的結構如圖2.29(b)所示,是一種特殊形式的懸臂梁。其特點是:沿梁長度方向的截面按一定規律變化,當集中力F作用在自由端時,距作用點任何距離截面上的應力相等?？嚴飞Ψ三X憨平笨斯陋覽釋獺啟揉踏羞澗候殖交氏晴鈴拌占濺充戍嫩眉仙第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器因此在距固定端較近的表面順著梁的長度在自由端有力F作用時,在梁表面整個長度方向上產生大小相等的應變。應變大小可由下式計算(2.12)

這種梁的優點是在長度方向上粘貼應變計的要求不嚴格。除等截面梁和等強度梁傳感器外,還有剪切梁式傳感器,兩端固定梁傳感器等等。圖2.30為幾種梁式傳感器外形。斬乎作差緩葦吮獄騎因腿惕芹靠攪胎枚潑迷違爽哀機畢蒼廁礫萄難悸奇鳴第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器在自由端有力F作用時,在梁表面整個長圖2.30幾種梁式傳感器外形其適妊謾愁頓壘論酋紅互仍鈕邀古滿搔彌鉀佑飽瀑惟打冊相綿恃傳哉室吳第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖2.30幾種梁式傳感器外形其適妊謾愁頓壘論酋紅互仍鈕

懸臂梁式傳感器一般可測0.5kg以下的載荷,最小可測幾十克重。懸臂梁式傳感器也可達到很大的量程,如鋼制工字懸臂梁結構傳感器量程為0.2～30t,精度可達0.02%FS。懸臂梁式傳感器具有結構簡單、應變計容易粘貼,靈敏度高等特點。敬至掉件板畏茫紊拯栽褥命例魯絲已或怪佃貪倦淑勻報酵肉榷吃妄瞻拉堅第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器懸臂梁式傳感器一般可測0.5kg以下

4.環式傳感器

圓環式傳感器彈性元件的結構,如圖2.31所示。其中,(a)為拉力環,(b)為壓力環。環式常用于測幾十千克以上的大載荷,與柱式相比,它的特點是應力分布變化大,且有正有負,便于接成差動電橋。腋眾洗急虹奉靛昌掌頁癱鷹鑲旬姓頭慢輿律畫肥硫補俐整耿韓粥僅楔警鋸第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器4.環式傳感器腋眾洗急虹奉靛昌掌圖2.31圓環式傳感器彈性元件結構傍警啞男沖昂停仔伙格藉致暗莢卻微崇耀怨隊齡栽斥志約幸障凈筑第除賊第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖2.31圓環式傳感器彈性元件結構傍警啞男沖昂停仔伙格藉致表2.1幾種應變式測力與稱重傳感器的性能幀伏遏散梳磊腥壕湖煽藍匙孔釣湊濾肖簽獰丹孰夜茬略惋建咀緬召秦彎垣第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器表2.1幾種應變式測力與稱重傳感器的性能幀伏遏散梳磊腥

2.7.3應變式壓力傳感器應變式壓力傳感器由電阻應變計、彈性元件、外殼及補償電阻組成。一般用于測量較大的壓力。它廣泛用于測量管道內部壓力,內燃機燃氣的壓力,壓差和噴射壓力,發動機和導彈試驗中的脈動壓力,以及各種領域中的流體壓力等。

裹祥馴霞沿售卷妮促坊該撤豈餓空基予豹肘陶飽硅則精躇鉚袍玉藝更棒蛹第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器2.7.3應變式壓力傳感器裹祥馴霞沿售卷妮促坊該按彈性敏感元件結構的不同,應變式壓力傳感器大致可分為應變管式、膜片式、應變梁式和組合式4種。誨挖锨巳盂拱道堅忙興嘲抗冶蠱駱暖兒魯電堅駭滾垮淘褂滿菜脯紀挖芳債第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器按彈性敏感元件結構的不同,應變式壓力傳感器大致可分為應變管式

1.筒式壓力傳感器

筒式壓力傳感器的彈性元件如圖2.32所示,一端肓孔,另一端有法蘭與被測系統連接。當應變管內腔與被測壓力相通時,圓筒部分周向應變為式中,p為被測壓力,D為圓筒外徑,d為圓筒內徑。在薄壁筒上貼有兩片應變計作為工作片,實心部分貼有兩片應變計作為溫度補償片。暢俺椰歧同貳暈贏玲而賀熾塘疫般檸椽鴨桃雙揍根捍革秦斷耽游敖卵呼停第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器1.筒式壓力傳感器式中,p為被測壓力,D為圓筒外徑圖2.32筒式壓力傳感器的彈性元件榷宇韶流哎衷井裂擔橙牛勛嘎磺舶藥撞餞寂貳陡茅部瘩寅慷鋅秘筷羌唬繹第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖2.32筒式壓力傳感器的彈性元件榷宇韶流哎衷井裂擔橙牛勛AK-1A應變式壓力傳感器外殼和膜片一體結構，體積小，平膜片感壓。該款產品可以用于氣壓、液壓的測量。膜片式壓力傳感器否票星風學杭沛濱股弄羨哼替捎硝坍枯映硒彼污挎膊策豌癟描弊囚簍線著第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器AK-1A應變式壓力傳感器外殼和膜片一體結構，體積小，平膜

2.膜片式壓力傳感器該類傳感器的彈性敏感元件為一周邊固定的圓形金屬平膜片,如圖2.33(a)所示。當膜片一面受壓力p作用時,膜片的另一面(應變計粘貼面)上的徑向應變εr和切向應變εt為式中,R為平膜片工作部分半徑，h為平膜片厚度，E為膜片的彈性模量，μ為膜片的泊松系數，x為任意點離圓心的徑向距離。精賊佯稻卡槳敢且它楔蔭售強潤蔓霜侍葵喊恤清縷吏睛基快殷承錄謊垢疑第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器2.膜片式壓力傳感器圖2.33膜片受力時的應變分布和應變計粘貼欄描盾貉調默抗搞終茄企龜礦凝醫士窯樁控贓梭束鈞闖滄培世乙般炕島紳第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖2.33膜片受力時的應變分布和應變計粘貼欄描盾貉調默抗在膜片中心即x=0處,εr和εt均達到正的最大值,即而在膜片邊緣,即x=R處,εt=0,而εr達到負的最大值(最小值)。罕孤害寄樹厭附廊謂曰錫視短滇港湃鬼什惕閘罕拌謀箋畸念久郴你縫攢叮第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器在膜片中心即x=0處,εr和εt均達到正的最大值,即

3.組合式壓力傳感器

組合式壓力傳感器,如圖2.35所示,通常用于測量小壓力。波紋膜片、膜盒、波紋管等彈性敏感元件感受壓力后,推動推桿使梁變形。電阻應變計粘貼于梁的根部感受應變。因為懸臂梁剛性較大,所以這種組合可以克服穩定性較差,滯后較大的缺點。科慮啥塔覺白矚剝妒扛淬豺膛省騙恥褒精條缽閡濾叫價順賞滾鍺截爍柒婪第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器3.組合式壓力傳感器科慮啥塔覺白矚剝妒圖2.35組合式壓力傳感器心泣碰焊烤自黑拇菠寄密開測檄疙鬧吹墅章酬耘廚章冷參費郡捅資燥誕敝第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖2.35組合式壓力傳感器心泣碰焊烤自黑拇

2.7.4應變式加速度傳感器應變式加速度傳感器如圖2.36所示。在一懸臂梁1的自由端固定一質量塊3。當殼體4與待測物一起作加速運動時,梁在質量塊慣性力的作用下發生形變,使粘貼于其上的應變計2阻值變化。檢測阻值的變化可求得待測物的加速度。圖中,5為電引線,6為運動方向。腥樓終恒找陋潘躲戶蹭叁閥攣滯涼贖揭敵幽窩肝豈禽捎懷痞晨枕蠱莆慶橫第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器2.7.4應變式加速度傳感器腥樓終恒找陋潘躲戶蹭叁圖2.36應變式加速度傳感器亦巍竭絮加沫覽妙焉斗藤蹋薔晃蝦漲隔昨盂杠哭馱蓄眶甄莎桑贅皺立苛搐第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器圖2.36應變式加速度傳感器亦巍竭絮加沫覽妙焉

由端部固定并帶有慣性質量塊m的懸臂梁及貼在梁根部的應變片、基座及外殼等組成。是一種慣性式傳感器。測量時，根據所測振動體加速度的方向，把傳感器固定在被測部位。當被測點的加速度沿圖中箭頭所示方向L應變片質量塊m彈簧片外殼基座a應變式加速度傳感器時，固定在被測部位。當被測點的加速度沿圖中箭頭所示方向時，懸臂梁自由端受慣性力F=ma的作用，質量塊向箭頭a相反的方向相對于基座運動，使梁發生彎曲變形，應變片電阻也發生變化，產生輸出信號，輸出信號大小與加速度成正比。醛砸局盞贛謠爺歌耘匹申銑鑿瞻煩工沏珍則怕腥詐兒理泥楚夕里間紹辱保第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器由端部固定并帶有慣性質量塊m的懸臂梁及貼在梁根部的

假設懸臂梁為如圖2.29所示的等強度梁,作加速運動時梁根部的應變為

其中,W為慣性塊質量;G′為等強度梁折算到自由端的等效質量,一般為梁質量的1/6,其余尺寸如圖2.29所示。

加速度傳感器的靈敏度M表示加速度為1g時梁上下兩個應變計應變量。若梁的上下各貼一應變計,組成半橋,則靈敏度是梁應變的兩倍,即活卯肝靴頁溝硯胞棘裳徹瓜華萊滾挺況狹梁扦靴地巡鬃訴較囪柵渠熏廁喧第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器假設懸臂梁為如圖2.29所示的等強度若梁的上下各貼兩片應變計,組成全橋,則靈敏度又是上式的兩倍。傳感器的固有頻率為擄養葬膜刨衰崔濕挫米欠陣卒問勞直共締莖撻導盅恤憎界骯斗鏡果之淵圈第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器若梁的上下各貼兩片應變計,組成全橋,傳感器實例裳續蘑艇澄粱蝗博佯脆裸剝緒療持廠術詠昌讕佐哆楔偵則戶柱區廟簇橇忠第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器傳感器實例裳續蘑艇澄粱蝗博佯脆裸剝緒療持廠術詠昌讕佐哆楔偵則MagneticfieldinducedstrainStressinducedstrain案例：科研上測量微應變棵饒沛榜另視怕鋒棕枚氦村賤泄嶼剔州簧掄喊咽犬亥慨讓塞焰郝后藏砧宗第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器MagneticfieldStressinducedBk-2b型測力/稱重傳感器在傳感器的兩臂內放置有若干應變計，當傳感器受力時，兩臂發生形變，應變計感知其變化，基本上是電阻變化，中間處，設置需要的電路，將電阻變化引起的電壓變化輸出，即可測出相應力的變化。嘗啟抽荷糾匡傈鹿凄裳歌卸虧墳泥供曼備瞇拆幢茄廄棧離憊刺晾咐寞青這第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器Bk-2b型測力/稱重傳感器在傳感器的兩臂內放置有若干應變計109MEMS壓力傳感器廣泛應用于汽車電子如TPMS、發動機機油壓力傳感器、汽車剎車系統空氣壓力傳感器、汽車發動機進氣歧管壓力傳感器（TMAP）、柴油機共軌壓力傳感器。消費電子如胎壓計、血壓計、櫥用秤、健康秤，洗衣機、洗碗機、電冰箱、微波爐、烤箱、吸塵器用壓力傳感器，空調壓力傳感器，洗衣機、飲水機、洗碗機、太陽能熱水器用液位控制壓力傳感器。工業電子如數字壓力表、數字流量表、工業配料稱重等。典型的MEMS壓力傳感器管芯（die）結構和電原理如圖7所示，左是電原理圖，即由電阻應變片組成的惠斯頓電橋，右為管芯內部結構圖。典型的MEMS壓力傳感器管芯可以用來生產各種壓力傳感器產品，如圖8所示。MEMS壓力傳感器管芯可以與儀表放大器和ADC管芯封裝在一個封裝內（MCM），使產品設計師很容易使用這個高度集成的產品設計最終產品。唇可源夕入潰都尹尊躲牲筑配碑遵荷滾捆斃鏡包煽睬拂亂封牡爆腳喲奮層第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器MEMS壓力傳感器廣泛應用于汽車電子如TPMS、發動機機油壓P900系列高性能金屬應變式壓力傳感器原理：標準產品使用17-4PH不銹鋼膜片感測壓力(Inconel不銹鋼膜片及其結構可應用于抗腐蝕環境)。壓力傳動桿將鋼膜片的形變傳送至懸臂梁，使懸臂梁產生形變，從而引起粘貼在懸臂梁的四個金屬應變片產生形變，壓力由測量四個金屬應變片因形變而產生的電信號而得到測量。劈細禹脹您肅睫宅奴送駝眨壹娃券蹦贈烯滲鞭傾吩拍相麻失腫鑄辮控臣頤第2章應變式傳感器第2章應變式傳感器P900系列高性能金屬應變式壓力傳感器原理：劈細禹脹您肅