力及壓力測量應(yīng)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(yīng)變式壓力計,壓電式、壓磁式、電容式、霍爾式,,,,應(yīng)變效應(yīng),應(yīng)變片,應(yīng)變片溫度補償與粘貼,應(yīng)變式力與壓力傳感器,轉(zhuǎn)換電路,,,,,,,1、壓力的表示2、應(yīng)變片測力的原理3、各種類型的應(yīng)變片及其特點4、應(yīng)變片的溫度誤差及其補償5、應(yīng)變片的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)壓） PZ＝ PD－ PJ,,,,,,,,,表壓,大氣壓力線,負(fù)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(yīng)變式傳感器1、應(yīng)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(xì)電阻絲，記下其初始阻值（圖中為10.01?）。當(dāng)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(yīng)力、應(yīng)變、力的傳感器就是利用類似的原理制作的。,設(shè)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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)致R變大；（2）某些半導(dǎo)體受拉時,?將變大，導(dǎo)致R變大。,實驗證明，電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對變化量?R ? R與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變?x的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即,K—電阻應(yīng)變片的靈敏度?x — 稱為電阻絲的軸向應(yīng)變，也稱縱向應(yīng)變? x通常很小，在應(yīng)變測量中，也常將之稱為微應(yīng)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(dǎo)體材料而言，由于其感受到應(yīng)變時，電阻率? 會產(chǎn)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(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖,,,,,,,,,,,,,b,l,由敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和粘結(jié)劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能。因此，應(yīng)根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇。,,,,,柵長,柵寬,二、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與材料,（1） 敏感柵

7、由金屬細(xì)絲繞成柵形。電阻應(yīng)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(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；②電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長的應(yīng)變片；③電阻溫度系數(shù)要??；④抗氧化能力高，耐腐蝕性能強；⑤在工作溫度范圍內(nèi)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(yīng)變片要求必須根據(jù)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。基底的全長稱為基底長，其寬度稱為基底寬。,（3） 引線 是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線。對引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。,（4） 粘結(jié)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(yīng)變片時

9、，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計的基底和敏感柵。 常用的粘結(jié)劑分為有機和無機兩大類。有機粘結(jié)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(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。,,用應(yīng)變片測試應(yīng)變時，將應(yīng)變片粘貼在試件表面。當(dāng)試件受力變形后，應(yīng)變片上的電阻絲也隨之變形，從而使應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化，通過測量轉(zhuǎn)換電路最終轉(zhuǎn)換

10、成電壓或電流的變化。,,,三、應(yīng)變片的種類,1、金屬應(yīng)變片（應(yīng)變式壓力傳感器）（1）金屬絲式（2）箔式（3）薄膜式2、半導(dǎo)體應(yīng)變片（壓阻式壓力傳感器）,金屬絲式應(yīng)變片使用最早，有紙基、膠基之分。由于金屬絲式應(yīng)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(yīng)變、應(yīng)力的大批量、一次性試驗。 箔式應(yīng)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(yīng)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(chǎn)。 還可以對金屬箔式應(yīng)變片進行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚蛊渚€脹系數(shù)、電阻溫度系數(shù)以及被粘貼的試件的線脹系數(shù)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(yīng)變式傳感器中。,,絲式應(yīng)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(yīng)變片 箔式應(yīng)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(chǎn)。,,,,,,,,薄膜應(yīng)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(yīng)變靈敏度系數(shù)大, 允許電流密度大, 工作范圍廣。,,半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料制成的, 其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。所謂壓阻效應(yīng)，是

13、指半導(dǎo)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(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度特別高，但是對溫度敏感.,應(yīng)變片具有體積小、價格便宜、精度高、頻率響應(yīng)好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工程測量及科學(xué)實驗中。,斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測試,四、應(yīng)變片的測量電路,金屬應(yīng)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(zhuǎn)換電路將?R /R轉(zhuǎn)換為輸出電壓U0。,1、橋式測量轉(zhuǎn)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(yīng)變片， R2 、 R3、R4為固定電阻 。,雙臂電橋,R1、 R2為應(yīng)變片，R3、R4為固定電阻 。應(yīng)變片R1 、R2 感受到的應(yīng)變?1~?2以及產(chǎn)生的電阻增量正負(fù)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(yīng)變片，如果設(shè)法使試件受力后，應(yīng)變片R1 ~ R4產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應(yīng)變?1~?4）正負(fù)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(yīng)變片的溫度誤差及補償 a. 應(yīng)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(yīng)變片的溫度誤差。 產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要因素有:,應(yīng)變片溫度誤差,電阻溫度系數(shù)的影響,材料與應(yīng)變片膨脹系數(shù)不同,,,1) 電阻溫度系數(shù)的影響 敏感柵的電阻絲

16、阻值隨溫度變化的關(guān)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(shù); Δt——溫度變化值, Δt=t -t0。 當(dāng)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(shù)的影響 當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)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(chǎn)生附加變形。 當(dāng)試件和電阻絲膨脹系數(shù)不同時, 由于環(huán)境溫度的變化, 電阻絲會產(chǎn)生附加變形, 從而產(chǎn)生附加電阻。,2. 電阻應(yīng)變片的溫度補償方法 電阻應(yīng)變片的溫度補償方法通常有線路補償法和應(yīng)變片自補償兩大類。 1) 線路補償法

18、,① 在應(yīng)變片工作過程中, 保證R3 =R4。 ② R1和RB兩個應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)α, 膨脹系數(shù)β, 應(yīng)變靈敏度系數(shù)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(shù)相同。 ④ 兩應(yīng)變片應(yīng)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(yīng)變片自補償，巧妙的安裝應(yīng)變片,,,,,,被拉伸,被壓縮,應(yīng)變片

19、,,,試件,,2. 確定中心線,4 應(yīng)變片的粘貼,1. 去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細(xì)紗布交叉打磨出細(xì)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(yīng)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(yīng)變片放上去，并調(diào)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(dǎo)線要用柔軟、不易老化的膠合物適當(dāng)?shù)丶右怨潭?，以防止?dǎo)線擺動時折斷應(yīng)變片的

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

21、式或筒式彈性元件。,,應(yīng)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(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置,F,,應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置,F,F,應(yīng)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(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)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(yuǎn)距離顯示,,電子天平,電子天平的精度可達(dá)十萬分之一,人體秤,,

22、,吊鉤秤,便攜式,應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手,可用于汽車、摩托車、飛機、內(nèi)燃機、機械制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)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(zhuǎn)換、峰值保持、自動斷電等功能。,3.4.4 應(yīng)變式加速度傳感器用于物體加速度的測量。依據(jù)：a=F/m。,圖3-17 電阻應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖,測量原理：將傳感器殼體與被測對象剛性連接，當(dāng)被測物體以加速度a 運動時，質(zhì)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(yīng)變片感受到并隨之產(chǎn)生應(yīng)變，從而使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化。 電阻的變化引起應(yīng)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(yīng)變片測量力的原理是什么？2、應(yīng)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(shù)關(guān)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(yīng)變片，觀察他們粘貼的位置后判斷四個應(yīng)變片在電橋中應(yīng)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(yīng)變片應(yīng)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(wù)：自制電子秤

25、 用現(xiàn)有的試驗器件測出某一物體的質(zhì)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(shù)值應(yīng)有相應(yīng)的變化。 2.在標(biāo)準(zhǔn)砝碼的輔助下，得到被側(cè)物體的質(zhì)量。,？,壓電效應(yīng),某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時，會產(chǎn)生變形，同時其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此時在這種材料的兩個表面產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象

26、被稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性也隨之改變。這種機械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”或“順壓電效應(yīng)”。,,,,,,反之，當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場，這些材料在某一方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力；當(dāng)外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。這種電能轉(zhuǎn)化為機械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”或“電致伸縮效應(yīng)”。,壓電效應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng),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(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，把沿機械軸(Y軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸(Z軸)方向的