实验论文箔式应变传感器特性研究精Word格式.docx

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1.1电阻应变式传感器

应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生的应变的一种传感器。

电阻应变片则是其最常采用的传感元件，此种传感器则为电阻应变式传感器。

它是利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器。

　　电阻应变片一般由敏感栅、基底、引线、盖片等组成。

电阻应变片的原理是基于应变效应，即在导体内产生机械变形时，它的电阻值也发生相应的变化。

如，一根金属丝，在其未受力时，原始电阻值为：

R=

式中:

ρ为电阻丝的电阻率；

L为电阻丝的长度；

S为电阻丝的截面积。

当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长ΔL,横截面积相应减小ΔS,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ,故引起电阻值相对变化量为

（2）

式中ΔL/L是长度相对变化量,用应变ε表示，即

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3）

ΔS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即

（4）

由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为

（5）

μ为电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。

将（3）、（5）代入

（2）可得

（6）

通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度系数。

其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量,其表达式为

（7）

灵敏度系数受两个因素影响:

一个是受力后材料几何尺寸的变化,即（1+2μ）;

另一个是受力后材料的电阻率发生的变化,即（Δρ/ρ）/ε。

对金属材料电阻丝来说,灵敏度系数表达式中（1+2μ）的值要比（（Δρ/ρ）/ε）大得多,而半导体材料的（（Δρ/ρ）/ε）项的值比（1+2μ）大得多。

大量实验证明,在电阻丝拉伸极限内,电阻的相对变化与应变成正比,即K为常数。

用应变片测量应变或应力时,根据上述特点,在外力作用下,被测对象产生微小机械变形,应变片随着发生相同的变化,同时应变片电阻值也发生相应变化。

当测得应变片电阻值变化量ΔR时，便可得到被测对象的应变值。

根据应力与应变的关系,得到应力值σ为

σ=E·

ε　　　　　　　　　（８）

式中:

σ为试件的应力；

ε为试件的应变；

E为试件材料的弹性模量。

由此可知,应力值σ正比于应变ε,而试件应变ε正比于电阻值的变化,所以应力σ正比于电阻值的变化,这就是利用应变片测量应变的基本原理。

1.2金属箔式应变片

属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，用它来转换被测部位的受力大小及状态，通过电桥原理完成电阻到电压的比例变化．它一般是由敏感栅（箔栅）、基底、覆盖层、胶黏剂及引出线等组成。

而当其粘贴在试件（或弹性体）上时，则还应包括试件（或弹性体）、贴片胶和防潮层，从而构成一个复杂的应变传递系统。

其构成元件的性能对其应变传递性能都将产生不同程度的影响。

试件的变形通过胶粘剂层传递给基底，基底的变形通过胶层传递到箔栅上，引起相应的电阻变化，在此传递系统中，胶粘剂介于试件（或弹性体）和应变片之间，它对应变传递起着关键的作用。

　　　　　　　　　　　　　图1-1　　　　箔式应变片

Figure1-1　foiltypestraingauge

从应变片的结构可见，应变片的应变传递系统实际上是试件（或弹性体）、胶粘剂、基底、胶牯剂、敏感箔栅、胶粘剂、覆盖层等组成的层状结构，为此其性能不仅取决于所用的胶粘剂、基底、敏感箔栅、覆盖层等材料的本身性能，而且还与固化温度、时间压力等工艺条件直接有关。

应变片或传感器的稳定性取决于敏感箔栅、胶粘剂、基底等本身性能及系统的工艺条件。

金属箔式应变片的工作原理是建立在电阻应变效应的基础上。

1.3测量电路---电桥电路

由于机械应变一般都很小,要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来,同时要把电阻相对变化ΔR/R转换为电压或电流的变化。

因此,需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路,通常采用电桥电路。



图1-2直桥电路

Figure1-2Straightbridgecircuit

其中　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（９）

当电桥平衡时,Uo=0,则R1R4=R2R3或　　　　　　　　　（１０）

式（１０）称为电桥平衡条件。

这说明欲使电桥平衡,其相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积相等

应变片工作时，电阻值变化很小，电器相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。

由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高得多，所以此时仍视电桥为开路情况。

当受应变时，若应变片电阻变化为ΔR，其他桥臂固定不变，桥路输出电压０，则电桥不平衡，输出电压为

　　　　　　　　　　　　　　　　　（１１）

设桥臂比ｎ＝，由于《，分母中可忽略，并考虑到平衡条件

，则上式可写为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１２）　

电桥灵敏度定义为　　　Ｅ　　　　　　　　　　（１３）　

上式说明：

．电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压E，E越高越高，但E的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要做适当选择。

．是桥臂电阻比值n的函数，恰当的选择n值，保证电桥具有较高灵敏度的电压灵敏度。

２．实验设备和方法

2-1．ＣＳＹ传感器系统实验仪　

2-1-1仪器简介

实验仪主要由四部分组成：

传感器安装台、显示与激励源、传感器符号及引线单元、处理电路单元。

传感器安装台部分：

装有双平行振动梁（应变片、热电偶、PN结、热敏电阻、加热器、压电传感器、梁自由端的磁钢）、激振线圈、双平行梁测微头、光纤传感器的光电变换座、光纤及探头小机电、电涡流传感器及支座、电涡流传感器引线Φ3.5插孔、霍尔传感器的二个半圆磁钢、振动平台（圆盘）测微头及支架、振动圆盘（圆盘磁钢、激振线圈、霍尔片、电涡流检测片、差动变压器的可动芯子、电容传感器的动片组、磁电传感器的可动芯子）、扩散硅压阻式传感器、气敏传感器及湿敏元件安装盒。

显示及激励源部分：

电机控制单元、主电源、直流稳压电源（±

2V－±

10V档位调节）、F/V数字显示表（可作为电压表和频率表）、动圈毫伏表（5mV-500mV）及调零、音频振荡器、低频振荡器、±

15V不可调稳压电源。

图2-1ＣＳＹ传感器系统实验仪

Figure2-1CSYsensorsystemexperimentalapparatus

实验主面板上传感器符号单元：

所有传感器（包括激振线圈）的引线都从内部引到这个单元上的相应符号中，实验时传感器的输出信号（包括激励线圈引入低频激振器信号）按符号从这个单元插孔引线。

处理电路单元：

电桥单元、差动放大器、电容放大器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通滤波器、涡流变换器等单元组成。

CSY实验仪配上一台双线（双踪）通用示波器可做几十种实验。

2-1-2主要技术参数、性能及说明

一．传感器安装台部分

双平行振动梁的自由端及振动圆盘下面各装有磁钢，通过各自测微头或激振线圈接入低频激振器VO可做静态或动态测量。

应变梁：

应变梁采用不锈钢片，双梁结构端部有较好的线性位移。

传感器：

（1）．差动变压器　

量程:

≥5mm直流电阻：

5Ω－10Ω由一个初级、二个次级线圈绕制而成的透明空心线圈，铁

芯为软磁铁氧体。

（2）．电涡流位移传感器　

≥1mm　直流电阻：

1Ω－2Ω多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成。

（3）．霍尔式传感器　

±

≥2mm　直流电阻：

激励源端口：

800Ω－1.5KΩ输出端口：

300Ω－500Ω

日本JVC公司生产的线性半导体霍尔片，它置于环形磁钢构成的梯度磁场中。

（4）．热电偶　

直流电阻：

10Ω左右，由两个铜一康铜热电偶串接而成，分度号为T冷端温度为环境温度。

（5）．电容式传感器　

量程：

±

≥2mm，由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容。

（6）．热敏电阻　

由半导体热敏电阻NTC：

温度系数为负，25℃时为10KΩ。

（7）．光纤传感器　

由多模光纤、发射、接收电路组成的导光型传感器，线性范围≥2mm。

红外线发射、接收、直流电阻：

500Ω－1.5kΩ　2×

60股丫形、半圆分布。

（8）．压阻式压力传感器　

10Kpa（差压）；

供电：

≤6V；

Vs+---Vs-：

350Ω－450Ω，Vo+---Vo

-：

3KΩ－3.5KΩ。

美国摩托罗拉公司生产的MPx型压阻式差压传感器，具有温度自补偿功能，先进的x型工作片（带温补）。

（9）．压电加速度计　

PZT-5双压电晶片和铜质量块构成。

谐振频率：

≥10KHz，电荷灵敏度：

q≥20pc/g。

（10）．应变式传感器　

箔式应变片阻值：

350Ω、应变系数：

-2.1mV/℃。

（11）．PN结温度传感器：

利用半导体P-N结良好的线性温度电压特性制成的测温传感器，能直接显示被测温度。

灵敏度：

（12）．磁电式传感器　

　　　0.21×

1000；

30Ω－40Ω；

由线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度：

0.5v/m/s。

（13）．气敏传感器

MQ3：

酒精，测量范围：

50－2000ppm。

（13）．湿敏电阻

高分子薄膜电阻型：

RH：

几兆Ω－几KΩ；

响应时间：

吸湿、脱湿小于10秒。

湿度系数：

0.5RH%/℃；

测量范围：

10％－95％；

工作温度：

0℃－50℃

二．信号及变