應(yīng)變片工作原理.doc

電阻應(yīng)變片工作原理與靈敏度系數(shù)學(xué) 校： 閩江學(xué)院 專 業(yè)： 12電子信息工程（1）班 姓 名： 李0 學(xué) 號： 120081003157 完成日期： 2012.12.8 電阻應(yīng)變計的工作原理 關(guān)鍵字： 電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)金屬絲電阻應(yīng)變計習(xí)慣稱為電阻應(yīng)變片，簡稱應(yīng)變計或應(yīng)變片。出現(xiàn)于第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束的前后，已經(jīng)有六十多年的歷史。電阻應(yīng)變計的應(yīng)用范圍十分廣泛，適用的結(jié)構(gòu)包括航空、航天器、原子能反應(yīng)堆、橋梁、道路、大壩以及各種機械設(shè)備、建筑物等；適用的材料包括鋼鐵、鋁、木材、塑料、玻璃、土石、復(fù)合材料等各種金屬及非金屬材料。并且，它不僅適用于室內(nèi)實驗、模型實驗，還可以在現(xiàn)場對實際結(jié)構(gòu)或部件進行測量，這些特點是任何一種傳感元件或傳感器所不能比擬的。另外，它在對結(jié)構(gòu)和設(shè)備的安全監(jiān)測方面也有廣泛的應(yīng)用前景。 電阻應(yīng)變計是一種用途廣泛的高精度力學(xué)量傳感元件，其基本任務(wù)就是把構(gòu)件表面的變形量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，輸入相關(guān)的儀器儀表進行分析。在自然界中，除超導(dǎo)外的所有物體都有電阻，不同的物體導(dǎo)電能力不同。物體電阻的大小與物體的材料性能和幾何形狀有關(guān)，電阻應(yīng)變計正是利用了導(dǎo)體電阻的這一特點。 電阻應(yīng)變計的最主要組成部分是敏感柵。敏感柵可以看成為一根電阻絲，其材料性能和幾何形狀的改變會引起柵絲的阻值變化。 設(shè)一根金屬電阻絲，其材料的電阻率為 ，原始長度為 L。不失一般性，假設(shè)其橫截面是直徑為 D的圓形，面積為 A，初始時該電阻絲的電阻值為 R； R = L/A （2-1） 在外力作用下，電阻絲會產(chǎn)生變形。假設(shè)電阻絲沿軸向伸長，其橫向尺寸會相應(yīng)縮小，橫截面的半徑減少導(dǎo)致橫截面面積發(fā)生變化。導(dǎo)線的橫截面原面積為，其相對變化為 （2-2） 其中為金屬絲材料的泊松比。dL/L 為金屬導(dǎo)線長度的相對變化，用應(yīng)變表示，即： ( 2-3 ) 在電阻絲伸長的過程中所產(chǎn)生的電阻值的變化成為： 在式中，前一項是由金屬絲變形后電阻率發(fā)生變化所引起的；后一項是由金屬絲變形后幾何尺寸發(fā)生變化所引起的。在常溫下，許多金屬材料在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，電阻絲的相對電阻變化與絲的軸向長度的相對變化成正比。即： 5式中，Ks為單根金屬絲的靈敏系數(shù)。表示金屬絲的電阻變化率與它的軸向應(yīng)變成線性關(guān)系。根據(jù)這一規(guī)律，采用能夠較好地在變形過程中產(chǎn)生電阻變化的材料，制造將應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為電信號的電阻應(yīng)變計。 2.2 電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu) 電阻應(yīng)變計主要由敏感柵、基底、覆蓋層及引出線所組成，敏感柵用粘合劑粘在基底和覆蓋層之間。一種絲繞式應(yīng)變計的典型結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。 2.2.1 敏感柵 敏感柵是用合金絲或合金箔制成的柵。它能將被測構(gòu)件表面的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻相對變化。由于它非常靈敏，故稱為敏感柵。它由縱柵與橫柵兩部分組成，縱柵的中心線稱為應(yīng)變計的軸線。敏感柵的尺寸用柵長 L（橫柵為圓弧形時，指兩端圓弧內(nèi)側(cè)之間的距離；橫柵為直線形時，則為兩端橫柵內(nèi)側(cè)之間的距離）和柵寬 B（在與縱軸垂直的方向上，敏感柵外側(cè)之間的距離）表示，參見圖 2-2。柵長尺寸一般為 0.2100 毫米。 敏感柵是電阻應(yīng)變計的核心組成部分，它的特性對于電阻應(yīng)變計的性能有決定性的影響。為了改善電阻應(yīng)變計的性能，人們探索了多種材料的應(yīng)變電阻特性，從而發(fā)展了敏感柵材料，包括金屬、半導(dǎo)體和金屬氧化物等。目前常用的金屬敏感柵材料主要有銅鎳合金、鎳鉻合金、鎳鉬合金、鐵基合金、鉑基合金、鈀基合金等。以金屬材料為敏感柵的電阻應(yīng)變計的靈敏系數(shù)大都在 2.0 4.0 間。硅、鍺等半導(dǎo)體材料由于具有壓阻效應(yīng)，所有也被人們用作敏感柵的材料，以半導(dǎo)體材料為敏感柵的電阻應(yīng)變計的靈敏系數(shù)大都在 150 左右，遠高于以金屬材料為敏感柵的電阻應(yīng)變計。 應(yīng)變計的靈敏系數(shù) 應(yīng)變計的靈敏系數(shù)是指：當(dāng)應(yīng)變計粘貼在處于單向應(yīng)力狀態(tài)的試件表面上，且其縱向(敏感柵縱線方向)與應(yīng)力方向平行時，應(yīng)變計的電阻變化率與試件表面貼片處沿應(yīng)力方向的應(yīng)變(即沿應(yīng)變計縱向的應(yīng)變) 的比值，即 式中，K 為應(yīng)變計的靈敏系數(shù)； 為試件表面測點處與應(yīng)變計敏感柵縱線方向平行的應(yīng)變； RR 為由 所引起的應(yīng)變計電阻的相對變化。 應(yīng)變計的靈敏系數(shù)主要取決于敏感柵材料的靈敏系數(shù)，但兩者又不相等，這主要有兩個原因：以絲式應(yīng)變計為例，由于橫柵的存在，使制成敏感柵之后的靈敏系數(shù)小于絲材的靈敏系數(shù)，差別的大小與敏感柵的結(jié)構(gòu)型式和幾何尺寸有關(guān)；試件表面的變形是通過基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵，由于端部過渡區(qū)的影響又使應(yīng)變計的靈敏系數(shù)小于敏感柵的靈敏系數(shù)，此差數(shù)不僅與基底和粘結(jié)劑的種類及其厚度有關(guān)，還受粘結(jié)劑的固化程度以及應(yīng)變計安裝質(zhì)量的影響。因此，應(yīng)變