应变式传感器
时间：2022-08-25 14:00:00
二、应变传感器
什么是应变效应，什么是应变效应 金属应变片的工作原理 金属应变片与压阻式传感器的工作原理不同 各部分的功能由金属丝应变片的基本结构组成。 金属应变片主要有哪些类型:金属丝、箔、薄膜 基本电路：熟练记住全等臂电桥的工作原理和公式，并进行计算分析。一、二等臂电桥掌握其特点，但不做考试要求。可利用全等臂电桥公式分析温度补偿原理。 金属应变片的主要特点：灵敏度系数（注意金属丝与金属应变片的灵敏度系数、灵敏度系数不一致的原因）、水平效应（水平效应与哪些参数有关）、机械滞后、零漂移、蠕变和应变极限。 常用的温度补偿方法：单丝自补偿、双丝组合自补偿、电路补偿，要求明确电路补偿的原理。 柱式或梁式传感器：熟悉四个应变片的贴放方法，形成桥路。计算公式将在考试中提供，但公式中每个参数的中每个参数的意义。计算时，应注意符号和单位。如果符号错误，则扣分。没有单位的，扣分。
一、 基本原理
位移、压力、振动等物理量可以通过弹性元件从应力转化为应变进行测量
1.应变效应、应力和应变
应变效应：因变形而改变阻值的现象称为应变效应
应力 单位面积分布的力
应变：物体在外力作用下相对变形较大、较小的无量纲物理量。
2.分类
金属丝式
敏感栅材料要求： ①在测量的应变范围内，应变灵敏围内保持常数； ②电阻率高且稳定，便于制造小栅长的应变片； ③电阻温度系数小； ④抗氧化性高，耐腐蚀性强； ⑤在工作温度范围内保持足够的抗拉强度； ⑥加工性能好，易拉成丝或轧成箔； ⑦焊接方便，导线材料热电势小。 箔式
优点： 应变测量的精度 表面积大，散热条件好，提高了测量灵敏度 可制成任何形状，扩大应变片的使用范围 缺点：电阻值分散性大，不适合高温环境测量 薄膜式
灵敏度系数高 输出更高，稳定性更好 二、测量电路
等臂电桥
相同变化趋势的应变片放在电桥对臂，相反变化趋势的应变片放在邻臂
等臂电桥可分为单臂、半桥（半差动电桥）和全桥（全差动电桥）。
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三、金属应变片的主要特性
1.灵敏度系数
灵 敏 度 系 数 : K s ? R R = K ε 应 变 片 的 K s 小 于 金 属 应 变 丝 原 因 ( 1 ) 胶 层 传 递 变 形 失 真 ( 2 ) 横 向 效 应 。 灵敏度系数：K_s\\ \frac{?R}{R}=K ε \\应变片的K_s小于金属应变丝 \\原因(1)胶层变形失真 \\(2)横向效应。 灵敏度系数:KsR?R=Kε应变片的Ks小于金属应变丝原因(1)胶层传递变形失真(2)横向效应。
2.横向效应
应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。
敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。
3.机械滞后
当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。
4.零点漂移和蠕变
对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。
如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。
5.应变极限
6.动态特性
7.温度误差及其补偿
由于环境温度变化引起的电阻变化产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。
补偿方法
单丝自补偿应变片
双丝组合式自补偿应变片
电路补偿法
1.单丝自补偿应变片
单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用都比较方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。
2.双丝组合式自补偿应变片
由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿.
3.电路补偿法
补偿块
使用两个应变片，一片贴在**被测试件**的表面,称为工作应变片R1 。另一片贴在与被测试件材料相同的**补偿块**上，称为补偿应变片R2。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。
桥路补偿法
不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试件上。应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。
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四、常用应变式传感器(计算)
(一) 柱式力传感器
一般将应变片对称地贴在应力均匀的圆柱表面中部，构成差动对，且处于邻臂位置。横向粘贴的应变片具有温度补偿作用。
eg1
采用四片相同的金属丝应变片（K=2）,将其贴在如图所示的实心圆柱形测力弹性元件上。已知F=10kN向上，圆柱横截面半径r=1cm,材料的弹性模E=2×107N/cm2,泊松比μ=0.3。
（1）画出应变片在圆柱上贴粘位置和相应测量桥路原理图；
（2）各各应变片的应变的值及电阻相对变化量；
（3）若U=6V,桥路输出电压U0；
（4）此种测量方式能否补偿环境温度的影响,说明理由。
（1）画图 ： 四个应变片 两个轴向两个圆周向。 受力之后，应变片的应变方向不同。采用四个相同应变片，粘贴到测力弹性元件上的位置如图所示。R1、R3沿轴向粘贴，在力F作用下产生正应变ε1> 0，ε3> 0；R2 、R4沿圆周方向粘贴，在力F的作用下产生负应变，ε2< 0，ε4< 0。四个应变片接入桥路的位置如图所示，组成的全桥电路具有较高的灵敏度。
（2）应变值
应 变 ε = F E S F / S 为 应 力 E 为 杨 氏 模 量 电 阻 变 化 为 ： ( ∆ 𝑹 i ) 𝑹 i = K ε i K 为 灵 敏 度 泊 松 比 μ = 0.3 泊 松 比 为 径 向 应 变 = − u 轴 向 应 变 应变\varepsilon=\frac{F}{ES}\\ F/S 为应力 \quad E为杨氏模量 \\电阻变化为： \frac{(∆𝑹_i)}{𝑹_i} =Kε_i \\K为灵敏度\\ 泊松比μ=0.3\\ 泊松比为 \quad 径向应变=-u轴向应变 应变ε=ESFF/S为应力E为杨氏模量电阻变化为：Ri(∆Ri)=KεiK为灵敏度泊松比μ=0.3泊松比为径向应变=−u轴向应变
（3）用公式带入计算
（二）梁式力传感器
1.等强度梁式力传感器
若使梁各横截面上的最大正应力都相等，并均达到材料的许用应力，则称为等强度梁。
2.等截面梁
（二）梁式力传感器
1.等强度梁式力传感器
若使梁各横截面上的最大正应力都相等，并均达到材料的许用应力，则称为等强度梁。
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2.等截面梁
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