力及压力测量-33应变课件

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1、第三章第三章 压力压力及 力力 检测 压力及力的压力及力的测量测量压力的概念和单位应变式压力计压电式、压磁式、电容式、霍尔式应变效应应变片应变片温度补偿与粘贴应变式力与压力传感器转换电路1、压力的表示2、应变片测力的原理3、各种类型的应变片及其特点4、应变片的温度误差及其补偿5、应变片的应用电路1.什么是压力 垂直作用在单位面积上的力称垂直作用在单位面积上的力称压力压力。在国际单位制（在国际单位制（SI）和我国法定计量单位）和我国法定计量单位中，压力的单位是中，压力的单位是“帕斯卡帕斯卡”，简称，简称“帕帕”，符号为，符号为“Pa”。 即即1N的力垂直均匀作用在的力垂直均匀作用在1m2的面积上

2、所的面积上所形成的压力值为形成的压力值为1Pa。 2122 2kgm1Pa1N/m11kgm sm s其他压力单位其他压力单位： “工程大气压力工程大气压力”（kgf/cm2）、）、“毫米汞柱毫米汞柱”（mmHg）、）、“毫米水柱毫米水柱”（mmH2O）、）、“标准标准大 气 压大 气 压 ” （ a t m ） 、） 、 “ 巴巴” （ b a r ） 、） 、“PSI” ）、）、“PSI”（“磅力每平方英寸磅力每平方英寸 ） 1 kgf/cm2 = 0.9807105Pa1mmH2O = 0.980710Pa1 mmHg = 1.332102Pa1atm = 1.01325105Pa1ba

3、r=105Pa 1 PSI=6.89103Pau绝对压力绝对压力PJu大气压力大气压力PDu表压力表压力PB PB= PJ PDu真空度真空度PZ（负压）（负压） PZ PD PJ表压大气压力线负压绝对压力真空度10绝对压力绝对压力的零线12、压力的表示二、应变式传感器二、应变式传感器我们可以做这样一个较简单的实验：取一根细电阻丝，记下其初始阻值（图中为10.01）。当我们用力将该电阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加（增加到为10.05）。测量应力、应变、力的传感器就是利用类似的原理制作的。 设有一长度为、截面积为A、半径为r、电阻率为的金属单丝，它的电阻值R可表示为 当沿金属丝的长度方向作用均

4、匀拉力（或压力）时，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。 例如（1）金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；（2）某些半导体受拉时,将变大，导致R变大。 2llRAr 实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量 R R R R与材料力学与材料力学中的轴向应变中的轴向应变 x x的关系在很大范围内是线性的，即的关系在很大范围内是线性的，即 xRKRK K电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度 x 称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变 x通常很小，在应变测通常很小，在应变测量中，也常将之称为微应变量中，也常

5、将之称为微应变 对于不同的金属材料，对于不同的金属材料，K 略微不同，一般为略微不同，一般为2左右。而对半导体材左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率料而言，由于其感受到应变时，电阻率 会产生很大的变化，所以灵敏会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。度比金属材料大几十倍。 2341电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图bl由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。 栅长栅长栅宽栅宽二、应变片的结构二、应变片的结构与材料与材料（1） 敏感栅敏感栅由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的

6、电阻值为60、120、200等多种规格，以120最为常用。对敏感栅的材料的要求：应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻温度系数要小；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；易于焊接，对引线材料的热电势小。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。（2） 基底和盖片基底和盖片 基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。（3） 引线引线 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线

7、材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。（4） 粘结剂粘结剂 用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。 常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。三、应变片的种类三、应变片的种类1、金属应变片（应变式压力传感器）、金属应变片（应变式压力传感器）（1）金属丝式）金属丝式（2）

8、箔式）箔式（3）薄膜式）薄膜式2、半导体应变片（压阻式压力传感器）、半导体应变片（压阻式压力传感器） 金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。 箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。 还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小

9、的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。 丝式应变片 丝式电阻片是用0.003mm-0.01mm的合金丝绕成栅状制成的； 箔式应变片 箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅, 其厚度一般在0.0030.01mm。其优点是散热条件好, 允许通过的电流较大, 可制成各种所需的形状, 便于批量生产。 薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1m以下的金属电阻薄膜的敏感栅, 最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大, 允许电流密度大, 工作范围广。 半导体应变片是用半导体材料制成的, 其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应，是指半导体材料在某一

10、轴向受外力作用时, 其电阻率发生变化的现象。 半导体应变片的灵敏度特别高，但是对温度敏感.四、应变片的测量电路四、应变片的测量电路 金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。常利用桥式测量转换电路将R /R转换为输出电压U0。1、桥式测量转换电路工作方式 单臂电桥单臂电桥双臂电桥双臂电桥四臂全桥四臂全桥单臂电桥单臂电桥R1为应变片，为应变片， R2 、 R3、R4为为固定电阻固定电阻 。 双臂电桥双臂电桥 R R1 1、 R R2 2为应变片，为应变片，R R3 3、R R4 4为固定电阻为固定电阻 。应变。应变片片R R1 1 、R R2 2 感

11、受到的应感受到的应变变 1 1 2 2以及产生的电以及产生的电阻增量正负号相间，阻增量正负号相间，可以使输出电压可以使输出电压U Uo o成成倍地增大。倍地增大。试件四臂全桥四臂全桥 全桥的四个桥臂都为应变全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，片，如果设法使试件受力后，应变片应变片R R1 1 R R4 4产生的电阻增量产生的电阻增量（或感受到的应变（或感受到的应变 1 1 4 4）正负）正负号相间，就可以使输出电压号相间，就可以使输出电压U Uo o成倍地增大。上述三种工作方成倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单敏度

12、最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。自补偿。3、 应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿 a. 应变片的温度误差应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差, 称为应变片的温度误差。 产生应变片温度误差的主要因素有: 应变片温度误差电阻温度系数的影响材料与应变片膨胀系数不同1) 电阻温度系数的影响电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示： Rt=R0（1+0t） 式中: Rt温度为 t 时的电阻值; R0温度为t0时的电阻值; 0金属丝的电阻温

13、度系数; t温度变化值, t=t -t0。 当温度变化t时, 电阻丝电阻的变化值为 Rt=Rt- R0= R00t 2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时, 不论环境温度如何变化, 电阻丝的变形仍和自由状态一样, 不会产生附加变形。 当试件和电阻丝膨胀系数不同时, 由于环境温度的变化, 电阻丝会产生附加变形, 从而产生附加电阻。 2. 电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。 1) 线路补偿法 在应变片工作过程中, 保证R3 =R4。 R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数

14、, 膨胀系数, 应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样, 两者线膨胀系数相同。 两应变片应处于同一温度场。 若实现完全补偿, 上述分析过程必须满足四个条件: 2) 应变片自补偿，巧妙的安装应变片被拉伸被压缩应变片试件 1. 柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器被压缩2 环式力传感器环式力传感器2、 应变式压力传感器应变式压力传感器 应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力。如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力变化, 枪管及炮管内部的压力、内燃机管道压力等。 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。 应变

15、式力传感器应变式力传感器 FFFF各种悬臂梁各种悬臂梁FF固定点固定点固定点固定点电缆应变式荷重传感器的应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴外形及应变片的粘贴位置位置FR1R2 R4应变式荷重传感器外形及受力位应变式荷重传感器外形及受力位置置FF应变式荷重传感器外形及受力位置应变式荷重传感器外形及受力位置FF荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 荷重传感器荷重传感器上的应变片上的应变片在重力作用在重力作用下产生变形。下产生变形。轴向变短，轴向变短，径向变长。径向变长。 汽车衡汽车衡汽车衡汽车衡称重系统称重系统电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示电子天平电子天平电子天平

16、的精度电子天平的精度可达十万分之一可达十万分之一人体人体秤秤 吊钩秤吊钩秤 便携式便携式应变式数显扭矩扳应变式数显扭矩扳手手 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程装配扭矩。量程2500N.m，耗电量，耗电量10mA，有公制有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。等功能。3.4.4 应变式加速度传感器应变式加速度传感器用于物体加速度的测量。依据：a=F/m。 32141等 强 度 梁 ；2质 量 块 ；3壳 体 ；4电 阻

17、应 变 敏 感 元 体图3-17 电阻应变式加速度传感器结构图 测量原理：将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度a 运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用， 使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。 电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压， 即可得出加速度a值的大小。 适用范围：不适用于频率较高的振动和冲击场合， 一般适用频率为1060 Hz范围。 BACDF1、应变片测量力的原理是什么？、应变片测量力的原理是什么？2、应变片有哪几种类型？、应变片有哪几种类型？3、单臂、半桥和全桥电路的灵敏度有怎样的

18、倍数关系？谁的灵、单臂、半桥和全桥电路的灵敏度有怎样的倍数关系？谁的灵敏度最大？敏度最大？4、如右下图是一个圆柱体弹性元件，、如右下图是一个圆柱体弹性元件，A、B、C、D是四个应变是四个应变片，观察他们粘贴的位置后判断四个应变片在电桥中应怎样连接？片，观察他们粘贴的位置后判断四个应变片在电桥中应怎样连接？画出电桥电路来说明画出电桥电路来说明.5、如左下图所示，如需测量弯曲力和拉伸力，那么应变片应该、如左下图所示，如需测量弯曲力和拉伸力，那么应变片应该怎样连接在电桥电路中，分别画出测量弯曲力和拉伸力的测量电怎样连接在电桥电路中，分别画出测量弯曲力和拉伸力的测量电桥电路。桥电路。 题题5图图 题题

19、4图图 任务任务：自制电子秤 用现有的试验器件测出某一物体的质量，比如：手机，硬币，一串钥匙等等。 步骤：1.连接一个全桥电路，4V供电，输出接毫伏表。这是，如果对弹性悬臂施加一定的力，毫伏表的数值应有相应的变化。 2.在标准砝码的辅助下，得到被侧物体的质量。某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。

20、当作用力方向改变时，现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为的现象称为“正压电效应正压电效应”或或“顺压电效应顺压电效应”。反之，当在某些物质的极化方向上施加电反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为械能的现象称为“逆压电效应逆压电效应”或或“电致电致伸缩效应伸缩效应”。 压电单晶体

21、有石英压电单晶体有石英( (包括天然石英和人造包括天然石英和人造石英石英) )、水溶性压电晶体、水溶性压电晶体( (包括酒石酸钾钠、包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等) )；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。镁酸铅压电陶瓷等。 如图所示为天如图所示为天然石英晶体，然石英晶体，其结构形状为其结构形状为一个六角形晶一个六角形晶柱，两端为一柱，两端为一对称棱锥。对称棱锥。如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于平行于Z-ZZ-Z、Y-YY-Y、X-XX-X轴线。通常把沿电轴轴线。通常把沿电轴(X(X轴轴) )方向的方向的作用力产生的压电效应称为作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”，把沿机把沿机械轴械轴(Y(Y轴轴) )方向的作用力产生的压电效应称为方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电横向压电效应效应”，沿光轴沿光轴(Z(Z轴轴) )方向的作用力不产生压电效应。沿方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生相对两棱加力时，则产生切向效应切向效应。压电式传感器主要。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。是利用纵向压电效应。