实验论文箔式应变传感器特性研究精Word格式.docx
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1.1电阻应变式传感器
应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生的应变的一种传感器。
电阻应变片则是其最常采用的传感元件,此种传感器则为电阻应变式传感器。
它是利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器。
电阻应变片一般由敏感栅、基底、引线、盖片等组成。
电阻应变片的原理是基于应变效应,即在导体内产生机械变形时,它的电阻值也发生相应的变化。
如,一根金属丝,在其未受力时,原始电阻值为:
R=
式中:
ρ为电阻丝的电阻率;
L为电阻丝的长度;
S为电阻丝的截面积。
当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长ΔL,横截面积相应减小ΔS,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ,故引起电阻值相对变化量为
(2)
式中ΔL/L是长度相对变化量,用应变ε表示,即
(3)
ΔS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即
(4)
由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为
(5)
μ为电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。
将(3)、(5)代入
(2)可得
(6)
通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度系数。
其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量,其表达式为
(7)
灵敏度系数受两个因素影响:
一个是受力后材料几何尺寸的变化,即(1+2μ);
另一个是受力后材料的电阻率发生的变化,即(Δρ/ρ)/ε。
对金属材料电阻丝来说,灵敏度系数表达式中(1+2μ)的值要比((Δρ/ρ)/ε)大得多,而半导体材料的((Δρ/ρ)/ε)项的值比(1+2μ)大得多。
大量实验证明,在电阻丝拉伸极限内,电阻的相对变化与应变成正比,即K为常数。
用应变片测量应变或应力时,根据上述特点,在外力作用下,被测对象产生微小机械变形,应变片随着发生相同的变化,同时应变片电阻值也发生相应变化。
当测得应变片电阻值变化量ΔR时,便可得到被测对象的应变值。
根据应力与应变的关系,得到应力值σ为
σ=E·
ε (8)
式中:
σ为试件的应力;
ε为试件的应变;
E为试件材料的弹性模量。
由此可知,应力值σ正比于应变ε,而试件应变ε正比于电阻值的变化,所以应力σ正比于电阻值的变化,这就是利用应变片测量应变的基本原理。
1.2金属箔式应变片
属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件,用它来转换被测部位的受力大小及状态,通过电桥原理完成电阻到电压的比例变化.它一般是由敏感栅(箔栅)、基底、覆盖层、胶黏剂及引出线等组成。
而当其粘贴在试件(或弹性体)上时,则还应包括试件(或弹性体)、贴片胶和防潮层,从而构成一个复杂的应变传递系统。
其构成元件的性能对其应变传递性能都将产生不同程度的影响。
试件的变形通过胶粘剂层传递给基底,基底的变形通过胶层传递到箔栅上,引起相应的电阻变化,在此传递系统中,胶粘剂介于试件(或弹性体)和应变片之间,它对应变传递起着关键的作用。
图1-1 箔式应变片
Figure1-1 foiltypestraingauge
从应变片的结构可见,应变片的应变传递系统实际上是试件(或弹性体)、胶粘剂、基底、胶牯剂、敏感箔栅、胶粘剂、覆盖层等组成的层状结构,为此其性能不仅取决于所用的胶粘剂、基底、敏感箔栅、覆盖层等材料的本身性能,而且还与固化温度、时间压力等工艺条件直接有关。
应变片或传感器的稳定性取决于敏感箔栅、胶粘剂、基底等本身性能及系统的工艺条件。
金属箔式应变片的工作原理是建立在电阻应变效应的基础上。
1.3测量电路---电桥电路
由于机械应变一般都很小,要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来,同时要把电阻相对变化ΔR/R转换为电压或电流的变化。
因此,需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路,通常采用电桥电路。
图1-2直桥电路
Figure1-2Straightbridgecircuit
其中 (9)
当电桥平衡时,Uo=0,则R1R4=R2R3或 (10)
式(10)称为电桥平衡条件。
这说明欲使电桥平衡,其相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积相等
应变片工作时,电阻值变化很小,电器相应输出电压也很小,一般需要加入放大器进行放大。
由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高得多,所以此时仍视电桥为开路情况。
当受应变时,若应变片电阻变化为ΔR,其他桥臂固定不变,桥路输出电压0,则电桥不平衡,输出电压为
(11)
设桥臂比n=,由于《,分母中可忽略,并考虑到平衡条件
,则上式可写为
(12)
电桥灵敏度定义为 E (13)
上式说明:
.电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压E,E越高越高,但E的提高受到应变片允许功耗的限制,所以要做适当选择。
.是桥臂电阻比值n的函数,恰当的选择n值,保证电桥具有较高灵敏度的电压灵敏度。
2.实验设备和方法
2-1.CSY传感器系统实验仪
2-1-1仪器简介
实验仪主要由四部分组成:
传感器安装台、显示与激励源、传感器符号及引线单元、处理电路单元。
传感器安装台部分:
装有双平行振动梁(应变片、热电偶、PN结、热敏电阻、加热器、压电传感器、梁自由端的磁钢)、激振线圈、双平行梁测微头、光纤传感器的光电变换座、光纤及探头小机电、电涡流传感器及支座、电涡流传感器引线Φ3.5插孔、霍尔传感器的二个半圆磁钢、振动平台(圆盘)测微头及支架、振动圆盘(圆盘磁钢、激振线圈、霍尔片、电涡流检测片、差动变压器的可动芯子、电容传感器的动片组、磁电传感器的可动芯子)、扩散硅压阻式传感器、气敏传感器及湿敏元件安装盒。
显示及激励源部分:
电机控制单元、主电源、直流稳压电源(±
2V-±
10V档位调节)、F/V数字显示表(可作为电压表和频率表)、动圈毫伏表(5mV-500mV)及调零、音频振荡器、低频振荡器、±
15V不可调稳压电源。
图2-1CSY传感器系统实验仪
Figure2-1CSYsensorsystemexperimentalapparatus
实验主面板上传感器符号单元:
所有传感器(包括激振线圈)的引线都从内部引到这个单元上的相应符号中,实验时传感器的输出信号(包括激励线圈引入低频激振器信号)按符号从这个单元插孔引线。
处理电路单元:
电桥单元、差动放大器、电容放大器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通滤波器、涡流变换器等单元组成。
CSY实验仪配上一台双线(双踪)通用示波器可做几十种实验。
2-1-2主要技术参数、性能及说明
一.传感器安装台部分
双平行振动梁的自由端及振动圆盘下面各装有磁钢,通过各自测微头或激振线圈接入低频激振器VO可做静态或动态测量。
应变梁:
应变梁采用不锈钢片,双梁结构端部有较好的线性位移。
传感器:
(1).差动变压器
量程:
≥5mm直流电阻:
5Ω-10Ω由一个初级、二个次级线圈绕制而成的透明空心线圈,铁
芯为软磁铁氧体。
(2).电涡流位移传感器
≥1mm 直流电阻:
1Ω-2Ω多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成。
(3).霍尔式传感器
±
≥2mm 直流电阻:
激励源端口:
800Ω-1.5KΩ输出端口:
300Ω-500Ω
日本JVC公司生产的线性半导体霍尔片,它置于环形磁钢构成的梯度磁场中。
(4).热电偶
直流电阻:
10Ω左右,由两个铜一康铜热电偶串接而成,分度号为T冷端温度为环境温度。
(5).电容式传感器
量程:
±
≥2mm,由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容。
(6).热敏电阻
由半导体热敏电阻NTC:
温度系数为负,25℃时为10KΩ。
(7).光纤传感器
由多模光纤、发射、接收电路组成的导光型传感器,线性范围≥2mm。
红外线发射、接收、直流电阻:
500Ω-1.5kΩ 2×
60股丫形、半圆分布。
(8).压阻式压力传感器
10Kpa(差压);
供电:
≤6V;
Vs+---Vs-:
350Ω-450Ω,Vo+---Vo
-:
3KΩ-3.5KΩ。
美国摩托罗拉公司生产的MPx型压阻式差压传感器,具有温度自补偿功能,先进的x型工作片(带温补)。
(9).压电加速度计
PZT-5双压电晶片和铜质量块构成。
谐振频率:
≥10KHz,电荷灵敏度:
q≥20pc/g。
(10).应变式传感器
箔式应变片阻值:
350Ω、应变系数:
-2.1mV/℃。
(11).PN结温度传感器:
利用半导体P-N结良好的线性温度电压特性制成的测温传感器,能直接显示被测温度。
灵敏度:
(12).磁电式传感器
0.21×
1000;
30Ω-40Ω;
由线圈和动铁(永久磁钢)组成,灵敏度:
0.5v/m/s。
(13).气敏传感器
MQ3:
酒精,测量范围:
50-2000ppm。
(13).湿敏电阻
高分子薄膜电阻型:
RH:
几兆Ω-几KΩ;
响应时间:
吸湿、脱湿小于10秒。
湿度系数:
0.5RH%/℃;
测量范围:
10%-95%;
工作温度:
0℃-50℃
二.信号及变
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