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电阻应变片的结构及工作原理.doc
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电阻应变片的结构及工作原理.doc
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电阻应变片的构造及工作原理
电阻应变片的构造如图 4-1-3 所示,其中,
敏感栅是应变片中把应变量转换成电阻变化量的
敏感局部,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。
(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。
(2)覆盖层:用来保护敏感栅而覆盖在上面的
绝缘层。
(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
(4-1-3)
式中 是导线的电阻率。
如果导线沿其轴线方向受力产生形变,那么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〕取对数后进展微分得
(4-1-4)
式中, 为金属导线长度的相对变化,用轴向应变
来表示,即 ; 是截面
积的相对变化。 〔r 为金属导线的半径〕, 是金属导线半径的相
对变化,即径向应变
r
。导线轴向伸长的同时径向缩小,所以轴向应变
与径向应变
r
有以下关系:
(4-1-5)
为金属材料的泊松比。
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1
2
3
4
5
图 4-1-3 电阻应变片
1- 敏感栅; 2- 引线; 3- 粘结
剂;
4- 覆盖层; 5- 基底
- -
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
,C 为金属材料的一个常数,如铜丝 C=1 。
由 我们可导出 与
、
r
之间的关系。
由此得出
代入式〔4-1-4〕得
(4-1-6)
K
s
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 K
s
由两局部组成,前一局部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 ,后一局部为电阻率随应变而引起变化的局部,它除与金
属丝几何尺寸有关外还与金属本身的特性有关。K
s
对于一种金属材料在一定应变围是
一常数,于是得出
(4-1-7)
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,那么应变片的电阻
变化率 和试件主应力方向的应变 之比称为应变片的灵敏系数,即
(4-1-8)
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 K
s
。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外表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
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将电阻应变片粘贴在试件的外表,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 和试件〔本实验
为悬臂梁〕的主应变 成正比,即
或 (4-1-1)
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 R
1
,B 处的应变片 R
x
作为传感元件
测量应变,用电阻箱 R
2
、R
a
和微调电阻箱 R
b
以及 R
1
、R
x
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。
应变片由金属电阻丝制成,当其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 R
1
是作
为温度补偿用的,称为补偿片。它与应变片 R
x
的构造和参数一样,而且贴在同一悬臂
梁上,保证了两个应变片的部条件和外部环境一致。不同的是应变片 R
x
随悬臂梁的变
形而变形,而补偿片 R
1
那么不受悬臂梁形变的影响,只是当温度变化引起应变片 R
x
的阻值变化时,补偿片 R
1
亦有同样变化。而 R
1
与 R
x
又分别处于电桥的两个相邻臂上
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A
C
图 4-1-1 悬臂梁示意图
接应变片
图 4-1-2 微小形变测量电路
K
1
R
R
1
R
2
R
x
R
a
R
b
K
2
mA
G
E
R
- -
〔 电 桥 平 衡 后 , R
1
与 R
x
流 过 的 电 流 一 样 〕 , 如 图 4-1-2 , 当 电 桥 平 衡 时 有
,在同一温度变化条件下,R
x
有一增量R,那么 R
1
亦有一一样
增量R,那么 = ,电桥仍然是平衡的,即测量过程中因温度变
化而引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
〔R
a
+R
b
〕的读数反映的只是应变引起的阻值变化,所以到达了温度补偿的目的。
在用电桥测电阻时,电桥系统的灵敏程度反映了测量的准确程度,所以引入电桥
灵敏度的概念,其定义为
(格) (4-1-2)
它表示电桥平衡后,R
x
所引起的d 越大,电桥灵敏度 S 越高,所得平衡点越准确,
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,而应选择适宜的电桥灵敏度,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。
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gjmm89
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