电阻应变片的结构及工作原理

电阻应变片的结构及工作原理电阻应变片的结构及工作原理 电阻应变片的结构如图 4-1-3 所示，其中， 2 敏感栅是应变片中把应变量转换成电阻变化量的 4 敏感部分， 它是用金属丝或半导体材料制成的单丝 或栅状体。 引线是从敏感栅引出电信号的丝状或带 状导线。 3 5 1(1)粘结剂：是具有一定电绝缘性能的粘结 材料，用它将敏感栅固定在基底上。 图 4-1-3电阻应变片 (2)覆盖层：用来保护敏感栅而覆盖在上面的 1-敏感栅；2-引线；3-粘结剂； 绝缘层。 4-覆盖层；5-基底 (3)基底：用以保护敏感栅，并固定引线的 几何形状和相对位置。 电阻应变片能将力学量转变为电学量是利用了金属导线的应变——电阻效应。我 们知道，金属导线的电阻R与其长度L成正比，与其截面积A成反比，即 R  式中是导线的电阻率。 L (4-1-3) A 如果导线沿其轴线方向受力产生形变， 则其电阻值也随之发生变化， 这一物理现象 被称为金属导线的应变——电阻效应。 为了说明产生这一效应的原因， 可将式（4-1-3） 取对数后进行微分得 dRdLdAd (4-1-4) RLA 式中， dAdLdL 为金属导线长度的相对变化，用轴向应变来表示，即；是截面 LLA dAdrdr 是金属导线半径的 2， rAr 与径向应 r。导线轴向伸长的同时径向缩小，所以轴向应变 积的相对变化。A r2（r为金属导线的半径） ， 相对变化，即径向应变 变 r有下列关系：  r   (4-1-5) 为金属材料的泊松比。 根据实验，金属材料电阻率相对变化与其体积的相对变化之间的关系为 ddV  C，C为金属材料的一个常数，如铜丝C=1 。 V 由V  AL我们可导出 dV 与、 V r之间的关系。 dVdAdL  2 r  2 (12) VAL 由此得出 d  C dV  C(1 2) V 代入式（4-1-4）得 dR  C(12) 2(1 2)C(12) K s (4-1-6) R Ks称为金属丝灵敏系数，其物理意义是单位应变引起的电阻相对变化。由式（4-1-6） 可见Ks由两部分组成，前一部分由金属丝的几何尺寸变化引起，一般金属的在 0.3 左右，因此(1 2) 1.6，后一部分为电阻率随应变而引起变化的部分，它除与金属丝 几何尺寸有关外还与金属本身的特性有关。Ks对于一种金属材料在一定应变范围内是一 常数，于是得出 RL (4-1-7) Ks RL 为表示应变片的电阻变化与试件应变的关系，引入应变片的灵敏系数K，定义为： 试件受到一维应力的作用时， 如应变片的主轴线与应力方向一致， 则应变片的电阻变化 率 L R 和试件主应力方向的应变 x (即) 之比称为应变片的灵敏系数，即 RL R K  R (4-1-8)  x 由于粘结剂传递形变的失真与应变片的横向变形等因素的影 响，应变片的灵敏系数K 总是小于金属丝的灵敏系数Ks。K值由生产厂家给出。 由式（4-1-8）看出，应变片的敏感栅受力后使其电阻发生变化。将其粘贴在试件 上， 利用应变——电阻效应便能把试件表面的应变量直接变换为电阻的相对变化量， 电 阻应变片就是利用这一原理制成的传感元件。 非平衡电桥测量质量与电流、电压的关系非平衡电桥测量质量与电流、电压的关系 将电阻应变片粘贴在试件的表面，应变片的两端接入测量电路（电桥） 。随着试件 受力变形， 应变片的电阻丝也获得相应的形变使电阻值发生变化。 由应变片的工作原理 可知，当应变沿应变片的主轴方向时，应变片的电阻变化率R和试件（本实验为悬臂 R 梁）的主应变 x 成正比，即 R RLR (4-1-1) K K x 或  x  R  RLKRK 式中K为应变片的灵敏系数（此值由应变片厂家给出） ；R是未加力时应变片阻值的初 始值；R是加力变形后应变片的电阻变化。 所以只要测出应变片阻值的相对变化， 便可得出被测试件的应变。 本实验用平衡电 桥测量应变片电阻的相对变化。 实验装置及测量线路如图4-1-1 和图 4-1-2 所示， 将被 测试件一端夹持在稳固的基座上， 其主体悬空，构成一悬臂梁。在悬臂梁固定端 A 处贴 一应变片， 在悬臂梁变形端 B 处贴一同型号同规格的应变片， 在 C 端挂一砝码托盘以备 加载。将 A 处的应变片作为温度补偿片R1，B 处的应变片Rx作为传感元件测量应变，用 电阻箱R2、Ra和微调电阻箱Rb以及R1、Rx组成一电桥，作为微小形变测量电路。 当 C 处加载时， 悬臂梁将向下弯曲， B 处产生变形， 贴在 B 处的应变片亦发生变形， 其电阻值发生变化， 此电阻值的变化可通过电桥测量出来， 从而可测定悬臂梁 B 处的形 变。 接应变片  R1  G  Rx A C  K2 R  Rb R2 mA Ra K 1 R E 图 4-1-1悬臂梁示意图 图 4-1-2 微小形变测量电路 应变片由金属电阻丝制成，当其内部通电流或环境温度变化时，均能引起电阻丝 的阻值变化。 温度引起的阻值变化与应变引起的阻值变化同时存在， 从而导致测量误差。 测量中怎样才能使温度引起的阻值变化对测量系统无影响？A 处的应变片R1是作为温 度补偿用的，称为补偿片。它与应变片Rx的结构和参数相同，而且贴在同一悬臂梁上， 保证了两个应变片的内部条件和外部环境一致。不同的是应变片Rx随悬臂梁的变形而 变形，而补偿片R1则不受悬臂梁形变的影响，只是当温度变化引起应变片Rx的阻值变 化时，补偿片R1亦有同样变化。而R1与Rx又分别处于电桥的两个相邻臂上（电桥平衡 后，R1与Rx流过的电流相同） ，如图4-1-2，当电桥平衡时有 R 1 1R 2 ，在 R x 1(R a  R b ) 同一温度变化条件下，Rx有一增量R，则R1亦有一相同增量 R，则 R 2 R 1  R1 =  ，电桥仍然是平衡的，即测量过程中因温度变化而引 R x  R1R a  R b 起应变片的阻值变化对测量（电桥的平衡状态）没有影响，此时电阻箱（Ra+Rb）的读 数反映的只是应变引起的阻值变化，所以达到了温度补偿的目的。 在用电桥测电阻时，电桥系统的灵敏程度反映了测量的精确程度，所以引入电桥 灵敏度的概念，其定义为 S  d (格) (4-1-2) R x 它表示电桥平衡后，Rx所引起的d越大，电桥灵敏度S越高，所得平衡点越精确， 测量误差越小。 电桥灵敏度不仅与检流计有关， 还与所加电压及各桥臂电阻值的大小和 配置有关，检流计的灵敏度越高， 电源电压越大，电桥的灵敏度越高。但测量时并非灵 敏度越高越好，而应选择合适的电桥灵敏度， 即当电桥平衡后，改变电阻箱的最小步进 值，使检流计有小于一格的明显偏转。 传 感 电 路 一级 放 大 二级 放 大 比较 器 报警 电路