应变式传感器

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二、应变式传感器

什么是应变效应，什么是应变
金属应变片工作原理
金属应变片与压阻式传感器的工作原理区别
金属丝式应变片基本结构组成，每部分的功能。

金属应变片主要有哪几种类型：金属丝式、箔式、薄膜式

基本电路：熟练熟记全等臂电桥的工作原理，公式，会进行计算分析。第一和第二等臂电桥掌握其特性，但不做考试要求。能够利用全等臂电桥的公式对温度补偿原理进行分析。
 
金属应变片的主要特性：灵敏度系数(注意金属丝和金属应变片的灵敏度系数之间的关系，二者灵敏度系数不一致的原因)、横向效应(横向效应与哪些参数有关)、机械滞后、零点漂移、蠕变、应变极限。
 
常用温度补偿方法：单丝自补偿、双丝组合式自补偿、电路补偿，要求对电路补偿原理很清楚。

柱式或梁式传感器：要求熟悉四个应变片的贴放方法，组成桥路的方法。考试时，会提供计算公式，但公式里面的每个参数的意义需要学生自己去熟悉。计算时，需要注意符号和单位，符号错误的，扣分。无单位的，扣分。

一、基本原理

通过弹性元件可将位移、压力、振动等物理量从应力转换为应变进行测量

1.应变效应、应力与应变

应变效应：因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应

应力分布在单位面积上的力

应变：物体在外力作用下产生的相对变形大、小的无量纲物理量。

2.分类

金属丝式

敏感栅材料要求：
①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；
②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；
③电阻温度系数要小；
④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；
⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；
⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；
⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。

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
能制成任意形状，扩大了应变片的使用范围
缺点：电阻值分散性大，不适于高温环境下测量

薄膜式

较高的灵敏度系数
更高的输出和更佳的稳定性

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

根据等臂电桥中所贴放应变片数目的不同，可以将等臂电桥分为单臂、半桥（半差动电桥）和全桥（全差动电桥）三种形式。

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三、金属应变片的主要特性

1.灵敏度系数

$灵敏度系数:K_s\\ \frac{∆R}{R}=K ε \\应变片的K_s小于金属应变丝 \\原因(1)胶层传递变形失真 \\(2)横向效应。$

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。