力及壓力測量應變片

1、壓力及力檢測,,,壓力及力的測量,壓力的概念和單位,應變式壓力計,壓電式、壓磁式、電容式、霍爾式,,,,應變效應,應變片,應變片溫度補償與粘貼,應變式力與壓力傳感器,轉換電路,,,,,,,1、壓力的表示2、應變片測力的原理3、各種類型的應變片及其特點4、應變片的溫度誤差及其補償5、應變片的應用電路,一、壓力及其單位,1.什么是壓力 垂直作用在單位面積上的力稱壓力。在國際單位制（S

2、I）和我國法定計量單位中，壓力的單位是“帕斯卡”，簡稱“帕”，符號為“Pa”。 即1N的力垂直均勻作用在1m2的面積上所形成的壓力值為1Pa。,,其他壓力單位： “工程大氣壓力”（kgf/cm2）、“毫米汞柱”（mmHg）、“毫米水柱”（mmH2O）、“標準大氣壓”（atm）、“巴”（bar）、“PSI” ）、“PSI”（“磅力每平方英寸 ） 1 kgf/cm2 = 0.9807×105P

3、a1mmH2O = 0.9807×10Pa1 mmHg = 1.332×102Pa1atm = 1.01325×105Pa1bar=105Pa 1 PSI=6.89×103Pa,絕對壓力PJ大氣壓力PD表壓力PB PB= PJ －PD真空度PZ（負壓） PZ＝ PD－ PJ,,,,,,,,,表壓,大氣壓力線,負壓,絕對壓力,真空度,1,0,絕對壓力,絕對壓力的零

4、線,1,2、壓力的表示,二、應變式傳感器1、應變片的工作原理 我們可以做這樣一個較簡單的實驗：取一根細電阻絲，記下其初始阻值（圖中為10.01?）。當我們用力將該電阻絲拉長時，會發(fā)現(xiàn)其阻值略有增加（增加到為10.05?）。測量應力、應變、力的傳感器就是利用類似的原理制作的。,設有一長度為、截面積為A、半徑為r、電阻率為?的金屬單絲，它的電阻值R可表示為  當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓

5、力）時，上式中?、r、l都將發(fā)生變化，從而導致電阻值R發(fā)生變化。 例如（1）金屬絲受拉時，l將變長、r變小，均導致R變大；（2）某些半導體受拉時,?將變大，導致R變大。,實驗證明，電阻絲及應變片的電阻相對變化量?R ? R與材料力學中的軸向應變?x的關系在很大范圍內是線性的，即,K—電阻應變片的靈敏度?x — 稱為電阻絲的軸向應變，也稱縱向應變? x通常很小，在應變測量中，也常將之稱為微應變,對于不同的金屬材料，K 略微

6、不同，一般為2左右。而對半導體材料而言，由于其感受到應變時，電阻率? 會產生很大的變化，所以靈敏度比金屬材料大幾十倍。,,,2,3,4,,,,,,,,,,,,,1,,,,,,,,,,,,,電阻應變片結構示意圖,,,,,,,,,,,,,b,l,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。,,,,,柵長,柵寬,二、應變片的結構與材料,（1） 敏感柵

7、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(guī)格，以120Ω最為常用。,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(wěn)定，以便于制造小柵長的應變片；③電阻溫度系數要?。虎芸寡趸芰Ω?，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。

8、,（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。,（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

9、，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。,,用應變片測試應變時，將應變片粘貼在試件表面。當試件受力變形后，應變片上的電阻絲也隨之變形，從而使應變片電阻值發(fā)生變化，通過測量轉換電路最終轉換

10、成電壓或電流的變化。,,,三、應變片的種類,1、金屬應變片（應變式壓力傳感器）（1）金屬絲式（2）箔式（3）薄膜式2、半導體應變片（壓阻式壓力傳感器）,金屬絲式應變片使用最早，有紙基、膠基之分。由于金屬絲式應變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢。但其價格便宜，多用于應變、應力的大批量、一次性試驗。 箔式應變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金。箔式

11、應變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時間測量時的蠕變較小，一致性較好，適合于大批量生產。 還可以對金屬箔式應變片進行適當的熱處理，使其線脹系數、電阻溫度系數以及被粘貼的試件的線脹系數三者相互抵消，從而將溫度影響減小到最小的程度，目前廣泛用于各種應變式傳感器中。,,絲式應變片 絲式電阻片是用0.003mm-0.01mm的合金絲繞成柵狀制成的；,箔式應變片 箔式應變片是利用光刻、腐蝕等

12、工藝制成的一種很薄的金屬箔柵, 其厚度一般在0.003～0.01mm。其優(yōu)點是散熱條件好, 允許通過的電流較大, 可制成各種所需的形狀, 便于批量生產。,,,,,,,,薄膜應變片是采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等方法在薄的絕緣基片上形成0.1μm以下的金屬電阻薄膜的敏感柵, 最后再加上保護層。它的優(yōu)點是應變靈敏度系數大, 允許電流密度大, 工作范圍廣。,,半導體應變片是用半導體材料制成的, 其工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。所謂壓阻效應，是

13、指半導體材料在某一軸向受外力作用時, 其電阻率ρ發(fā)生變化的現(xiàn)象。 ,,半導體應變片的靈敏度特別高，但是對溫度敏感.,應變片具有體積小、價格便宜、精度高、頻率響應好等優(yōu)點，被廣泛應用于工程測量及科學實驗中。,斜拉橋上的斜拉繩應變測試,四、應變片的測量電路,金屬應變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。常利用橋式測量轉換電路將?R /R轉換為輸出電壓U0。,1、橋式測量轉換電路工作方式,單臂電橋

14、雙臂電橋四臂全橋,單臂電橋,R1為應變片， R2 、 R3、R4為固定電阻 。,雙臂電橋,R1、 R2為應變片，R3、R4為固定電阻 。應變片R1 、R2 感受到的應變?1~?2以及產生的電阻增量正負號相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。,,,,,,試件,,四臂全橋,全橋的四個橋臂都為應變片，如果設法使試件受力后，應變片R1 ~ R4產生的電阻增量（或感受到的應變?1~?4）正負號相間，就可以使輸出電壓Uo成倍地增大。上述三種工作方

15、式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。采用全橋（或雙臂半橋）還能實現(xiàn)溫度自補償。,3、 應變片的溫度誤差及補償 a. 應變片的溫度誤差 由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差, 稱為應變片的溫度誤差。 產生應變片溫度誤差的主要因素有:,應變片溫度誤差,電阻溫度系數的影響,材料與應變片膨脹系數不同,,,1) 電阻溫度系數的影響 敏感柵的電阻絲

16、阻值隨溫度變化的關系可用下式表示： Rt=R0（1+α0Δt） 式中: Rt——溫度為 t ℃時的電阻值; R0——溫度為t0℃時的電阻值; α0——金屬絲的電阻溫度系數; Δt——溫度變化值, Δt=t -t0。 當溫度變化Δt時, 電阻絲電阻的變化值為 ΔRt=Rt- R0=

17、 R0α0Δt,2) 試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數的影響 當試件與電阻絲材料的線膨脹系數相同時, 不論環(huán)境溫度如何變化, 電阻絲的變形仍和自由狀態(tài)一樣, 不會產生附加變形。 當試件和電阻絲膨脹系數不同時, 由于環(huán)境溫度的變化, 電阻絲會產生附加變形, 從而產生附加電阻。,2. 電阻應變片的溫度補償方法 電阻應變片的溫度補償方法通常有線路補償法和應變片自補償兩大類。 1) 線路補償法

18、,① 在應變片工作過程中, 保證R3 =R4。 ② R1和RB兩個應變片應具有相同的電阻溫度系數α, 膨脹系數β, 應變靈敏度系數K和初始電阻值R0。 ③ 粘貼補償片的補償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料必須一樣, 兩者線膨脹系數相同。 ④ 兩應變片應處于同一溫度場。,若實現(xiàn)完全補償, 上述分析過程必須滿足四個條件:,2) 應變片自補償，巧妙的安裝應變片,,,,,,被拉伸,被壓縮,應變片

19、,,,試件,,2. 確定中心線,4 應變片的粘貼,1. 去污：采用手持砂輪工具除去構件表面的油污、漆、銹斑等，并用細紗布交叉打磨出細紋以增加粘貼力 ，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。,3.貼片：在應變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠 ，用鑷子將應變片放上去，并調好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡 。,4.接引線引出導線要用柔軟、不易老化的膠合物適當地加以固定，以防止導線擺動時折斷應變片的

20、引線。然后在應變片上涂一層柔軟的防護層，以防止大氣對應變片的侵蝕，保證應變片長期工作的穩(wěn)定性。,應變片的應用——力及壓力傳感器 1 應變式力傳感器,1. 柱（筒）式力傳感器,,2 環(huán)式力傳感器,2、 應變式壓力傳感器 應變式壓力傳感器主要用來測量流動介質的動態(tài)或靜態(tài)壓力。如動力管道設備的進出口氣體或液體的壓力、發(fā)動機內部的壓力變化, 槍管及炮管內部的壓力、內燃機管道壓力等。 應變片壓力傳感器大多采用膜片

21、式或筒式彈性元件。,,應變式力傳感器,F,F,F,F,各種懸臂梁,F,,F,,固定點,,固定點,,電纜,,,應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置,F,,應變式荷重傳感器外形及受力位置,F,F,應變式荷重傳感器外形及受力位置,F,F,,,荷重傳感器原理演示,荷重傳感器上的應變片在重力作用下產生變形。軸向變短，徑向變長。,,汽車衡,汽車衡稱重系統(tǒng),電子秤,磅秤,超市打印秤,遠距離顯示,,電子天平,電子天平的精度可達十萬分之一,人體秤,,

22、,吊鉤秤,便攜式,應變式數顯扭矩扳手,可用于汽車、摩托車、飛機、內燃機、機械制造和家用電器等領域，準確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2~500N.m，耗電量≤10mA，有公制/英制單位轉換、峰值保持、自動斷電等功能。,3.4.4 應變式加速度傳感器用于物體加速度的測量。依據：a=F/m。,圖3-17 電阻應變式加速度傳感器結構圖,測量原理：將傳感器殼體與被測對象剛性連接，當被測物體以加速度a 運動時，質量塊受到一個與加速度方向

23、相反的慣性力作用， 使懸臂梁變形，該變形被粘貼在懸臂梁上的應變片感受到并隨之產生應變，從而使應變片的電阻發(fā)生變化。 電阻的變化引起應變片組成的橋路出現(xiàn)不平衡，從而輸出電壓， 即可得出加速度a值的大小。 適用范圍：不適用于頻率較高的振動和沖擊場合， 一般適用頻率為10~60 Hz范圍。,,1、應變片測量力的原理是什么？2、應變片有哪幾種類型？3、單臂、半橋和全橋電路的靈敏度有怎樣的倍數關系？誰的靈敏度最大？4、如右

24、下圖是一個圓柱體彈性元件，A、B、C、D是四個應變片，觀察他們粘貼的位置后判斷四個應變片在電橋中應怎樣連接？畫出電橋電路來說明.5、如左下圖所示，如需測量彎曲力和拉伸力，那么應變片應該怎樣連接在電橋電路中，分別畫出測量彎曲力和拉伸力的測量電橋電路。 題5圖 題4圖,,任務：自制電子秤

25、 用現(xiàn)有的試驗器件測出某一物體的質量，比如：手機，硬幣，一串鑰匙等等。步驟：1.連接一個全橋電路，4V供電，輸出接毫伏表。這是，如果對彈性懸臂施加一定的力，毫伏表的數值應有相應的變化。 2.在標準砝碼的輔助下，得到被側物體的質量。,？,壓電效應,某些物質沿某一方向受到外力作用時，會產生變形，同時其內部產生極化現(xiàn)象，此時在這種材料的兩個表面產生符號相反的電荷，當外力去掉后，它又重新恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象

26、被稱為壓電效應。當作用力方向改變時，電荷極性也隨之改變。這種機械能轉化為電能的現(xiàn)象稱為“正壓電效應”或“順壓電效應”。,,,,,,反之，當在某些物質的極化方向上施加電場，這些材料在某一方向上產生機械變形或機械壓力；當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失。這種電能轉化為機械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應”或“電致伸縮效應”。,壓電效應的可逆性,壓電單晶體有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性壓電晶體(包括酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸

27、二鉀、硫酸錘等)；多晶體壓電陶瓷有鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等。,,如圖所示為天然石英晶體，其結構形狀為一個六角形晶柱，兩端為一對稱棱錐。,石英晶體的壓電效應,如果從石英晶體中切下一個平行六面體并使其晶面分別平行于Z-Z、Y-Y、X-X軸線。通常把沿電軸(X軸)方向的作用力產生的壓電效應稱為“縱向壓電效應”，把沿機械軸(Y軸)方向的作用力產生的壓電效應稱為“橫向壓電效應”，沿光軸(Z軸)方向的