1、,电阻式应变片的基本原理与应用,Resistance Strain Gage,邵阳学院能源与机械工程系机制教研室,说课,教学内容与目标,教学设计,板书设计,教学的主要内容,应变片材料的选用,教学重点和难点,教学重点,电阻应变片的工作原理、工作特性、结构组成及功能,教学难点,电阻应变片灵敏系数的公式推导、工作特性、金属材料的变电阻特性、半导体材料的压阻特性,教学目标,.,知识目标,掌握电阻应变片的工作原理，掌握电阻应变片的组成与功能，掌握电阻应变片的种类,能力目标,能够区分电阻丝应变片与半导体应变片在工作原理上区别，根据实际情况选择合适的应变片,学情分析,专业年级：大三，大四的学生理论基础：在学
2、习高等数学，材料力学，电学的基础上有了一定的理论基础。实践基础：材料力学应力实验，用到了应力传感器。难题：没有将理论和实践进行结合，应变片原理是搭建理解应力测量与传感器的桥梁。,教学设计,采用问题教学法,选择生活中应用电阻应变片的实例，引导学生积极思考，激发学生的学习兴趣,电阻应变片：是将被测试件的机械量（应变）转换成电量（电阻）的一种元件。,电阻应变片的概念,1.粘合层,2.基底,3.盖片,4.敏感栅,5.引出线,组成结构,覆盖层：用来保护和固定敏感栅。,组成部分功用,敏感栅：由金属电阻丝构成，能 将机械应变转化成电阻变化。,基底：固定保护敏感栅一般由纸 和有机聚合物成。,引线：由镍铬铝丝构
3、成，用来从敏感栅引 出电信号。,组成部分功用,机械效应：金属导线受力变形，该导线电阻值随之变化的物理现象称为应变效应。,工作原理,图2.1 导体受拉伸后的参数变化,横向应变,纵向应变,电阻变化率与应变的关系:,工作特性,1.灵敏系数: 是指应变片的电阻变化率与试件应变的比值称为应变片的灵敏系数。,材料几何尺寸的变化,材料电阻率的变化率,工作特性,1.金属材料的应变电阻效应 金属材料灵敏度系数 1+2的值要比(d/)/大得多，因此金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。对金属或合金, k0 =1.84.8。,.半导体材料的压
4、阻效应半导体材料的(d/)/项的值比1+2大得多。,工作特性,压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时， 其电阻率发生变化的现象。式中：半导体材料的压阻系数;半导体材料的所受应变力; E半导体材料的弹性模量;半导体材料的应变。,由于E(1+2)，因此半导体丝材的KsE。可见，半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。通常Ks=(5080)Km。,压阻效应,工作特性,横向效应：电阻应变片由于横向缩短引起应 变片电阻值减小，因此所测的应 变值减小，这种现象称为横向效 应。,温度效应：温度变化时，应变片电阻值也发 生变化，这种现象称为温度效应。,种类,丝式应变片 敏感栅由高阻值的金属丝绕成。箔
5、式应变片 敏感栅由高阻值的金属铂片经光刻腐蚀技术制成。,半导体应变片 由锗或硅单晶体作为敏感元件制成,丝式应变片,箔式应变片,半导体应变片,基底材料的选用 敏感元件材料选用 敏感栅基长的选用 电阻值的选用,应变片的选用,1.基底材料的选用,基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。 基底材料有纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚度约0.030.05mm,应变片材料的选用,对敏感栅的材料的要求：应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的
6、应变片；电阻温度系数要小；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；易于焊接，对引线材料的热电势小。 常用材料有：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、铂、铂钨合金等,3.黏合剂材料,用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。 常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。,思考题,电阻丝应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？各有何优缺点？应如何根据具体情况选用？把一个变阻器式传感器按图接线，问它的输入量是什么？输出量是什么？在什么条件下它的输出量与输入量之间有较好的线性关系？,谢谢，欢迎批评指正,
