传感器与检测技术第二版胡向东著第三章 电阻式传感器

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1、第3章电阻式传感器被测量↕→电阻↕输出电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，主要应用于测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等检测系统。目前已成为生产过程检测以及实现生产自动化不可缺少的手段之一。测量电路知识单元与知识点应变、应变效应的基本概念；应变电阻式传感器的工作原理、测量电路与典型应用；电阻应变片的温度误差及其补偿。能力点深入理解应变、应变效应的基本概念；理解应变片的分类；把握应变电阻式传感器的工作原理、直流电桥与交流电桥的平衡条件与电压灵敏度特性；会分析电阻应变片的温度误差及其补偿方法、直流电桥的非线性误差及其补偿方法；了解应变电阻式传感器的典型应用。重难点重点：应变与应变效

2、应的涵义；电阻应变片的温度误差及其补偿方法；应变电阻式传感器的工作原理；电阻应变片的测量电路。难点：电阻应变片的温度误差及其补偿方法、直流电桥的非线性误差及其补偿方法。学习要求掌握应变、应变效应的基本概念；牚握应变电阻式传感器的工作原理、直流电桥与交流电桥的平衡条件与电压灵敏度特性；掌握产生电阻应变片温度误差的主要原因及其补偿方法；了解应变片的分类、应变电阻式传感器的典型应用；会分析半桥差动、全桥差动对非线性误差和电压灵敏度的改善。本章主要介绍应变式电阻传感器。工作原理：基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。优点：1.精度高,测量范围广；2.使用寿命长,性能稳定可

3、靠；3.结构简单、尺寸小,重量轻；4.频率响应特性好；应变片响应时间约为10-7S；5.可在高低温、高速、高压、强烈振动、强磁场、核辐射和化学腐蚀等恶劣环境条件下工作；6.应变片种类繁多、价格便宜。缺点:1.在大应变状态下具有较大非线性;2.输出信号微弱;3.不适用于高温（1000℃以上）环境中;4.实际测出的仅是某一面积上的平均应变，不能完全显示应力场中应力梯度的情况。3.1.1应变效应应变效应：导体或半导体材料在受到外界力(拉力或压力)作用时，将产生机械变形，机械变形会导致其电阻值变化。3.1工作原理图3.1应变效应设电阻丝在外力F的作用下被拉伸(或压缩)，则：电阻相对变化量：式中：dL

4、/L——长度相对变化量，用应变ε表示为dA/A——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2πrdr，则：材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，轴向应变和径向应变的关系可表示为：μ为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。推得：定义：电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为用增量表示：说明：K为电阻丝的灵敏系数，即单位应变所引起的电阻的相对变化。它受两个因素的影响：一是它是由电阻丝几何尺寸改变引起的，对某种材料来说，它是常数；另一个是，它是由电阻丝电阻率的改变而引起的，对于金属材料，其值也是常数，但往往比小

5、很多，可以忽略，故对于金属材料，灵敏系数K将保持不变，即值是恒定的。结论：当金属电阻丝受到外界应力的作用时，其电阻的变化与受到应力的大小成正比。3.1.2电阻应变片种类常用的电阻应变片有两种：金属电阻应变片半导体电阻应变片（压阻式传感器）3.2金属电阻应变片的主要特性1.结构及材料金属电阻应变片分金属丝式和箔式金属丝式应变片的基本结构1,3——粘合层2——基底4——盖层5——敏感栅6——引线金属丝式应变片是最早应用的品种，金属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角,如下图所示。弯曲部分作成圆弧（U）形是最早常用的一种形式,制作简单但横向效应较大。直角（H）形两端用较粗的镀银铜线焊接,横向效应相对较

6、小,但制作工艺复杂,将逐渐被横向效应小、其他方面性能更优越的箔式应变片所代替。箔式应变片的基本结构对电阻应变片敏感栅材料有如下要求：①灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数；②ρ值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；③电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；④与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小；⑤机械强度高，具有优良的机械加工性能。通常采用的材料有：康铜、镍铬合金、铂、铂钨合金等表3-1常用电阻丝材料及性能康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于它有很多优点：灵敏系数稳定性好电阻温度系数较小且稳定在（±50×10-6/℃的范围内）康铜的加工性能好

7、，易于焊接。应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。粘结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测件应变传递到敏感栅上。选择粘结剂时必须考虑应变片材料和被测件材料性能（机械性能可靠、电气绝缘性、滞后小，耐湿，耐油，耐老化，耐疲劳等，同时，还要考虑工作条件：如温度、相对湿度、稳定性等）。应变片的粘结2、电阻应变片的主要特性（1）灵敏系数应变片的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。通常比电阻丝的灵敏系数K小，一般通过实测来确定。（