第3章 电阻应变式传感器

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1、第3章电阻应变式传感器（4学时）本章主要内容：3.1应变片的基本结构与工作原理一.应变片的基本结构二.应变片的工作原理三.应变片的种类及特性参数1.种类：金属应变片（丝式、箔式）、薄膜式应变片、半导体应变片。2.主要特性参数：应变片的原始电阻值、绝缘电阻、灵敏系数、允许电流、机械滞后、应变极限。3.2电阻应变片测量电路一.应变片测量电路的构成二.应变片测量的直流电桥根据接入的数量及电路组成不同，应变片测量电桥可分为如下三种形式：单臂电桥、半桥、全桥。电桥电压的灵敏度三.应变片测量的交流流电桥四压阻式传感器-----基于半导体应变片的压阻效

2、应1.压阻效应2.压阻传感器灵敏系数3.测量电路3.3电阻应变片温度误差及补偿措施3.4电阻应变式传感器的应用应变片式传感器的基本原理是将非电量的变化转换成与之有确定关系的传感器元件电阻值的变化，然后通过转化电路将电阻值的变化转化成电压或电流的输出。具有体积小、结构简单、性能可靠、灵敏度高、动态响应快、测量精度高，是应用最广泛地传感器之一。本章的教学要求及重点、难点一.教学要求1.了解应变片的基本结构、分类、特性参数；2.掌握电阻应变效应及电阻应变片的测量原理；3.掌握电阻应变片的测量电路－桥路的三种形式。4.了解测量电路的补偿方法5.了

3、解压阻效应及压阻式传感器的工作原理6.了解电阻应变式传感器的应用。二．重点、难点1.电阻应变效应&电阻应变片的测量电路2.应变式传感器的测量电路的补偿方法3.1应变片的基本结构与工作原理一.应变片的基本结构应变片种类繁多、形式多样，但基本构造大体相同都是由敏感栅、基底、覆盖层、引线及黏合剂构成。如图3.1所示。图3.1电阻应变片的结构金属电阻应变片的敏感栅有丝式和箔式两种形式，如图3.2所示。丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径为0.01mm～0.05mm的电阻丝平行排列而成。箔式金属电阻应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，

4、其厚度一般为0.003mm~0.01mm。图3.2丝式和箔式两种形式的电阻应变片二.应变片的工作原理1.应变效应导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值会相应地发生变化，这种现象称为应变效应。电阻应变片的工作原理就是基于应变效应。如图3.3所示的金属电阻丝，在其未受力时，假设其初始电阻值为（3.1）式中—电阻丝的电阻率；——电阻丝的长度；——电阻丝的截面积图3.3金属电阻丝当电阻丝受到轴向的拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了Δρ，从而引起的电阻值的变化，对式（3.1）

5、全微分，得：则相对变化量为或⑴称为金属电阻丝的轴向应变，简称应变。对于圆形截面金属电阻丝，截面积，则⑵称为金属电阻丝的径向应变。根据材料的力学性质，在弹性范围内，当金属丝受到轴向的拉力时，将沿轴向伸长，沿径向缩短。轴向应变和径向应变的关系可以表示为式中μ—电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。电阻值的相对变化量为⑶电阻丝的灵敏系数K若把单位应变引起的电阻值变化量定义为电阻丝的灵敏系数K，则它的物理意义是：单位应变所引起电阻值相对变化量的大小。灵敏系数K受两个因素影响：Ø应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ。Ø应变片受力后材料的电

6、阻率发生的变化(压阻效应)，即(dρ/ρ)/ε。对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数K表达式中1+2μ的值通常要比(dρ/ρ)/ε大得多，由于μ=0.3~0.5，所以K值在1.6~2之间；而对半导体材料的(dρ/ρ)/ε项的值比1+2μ大得多。实验表明，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。2.横向效应应变片在承受轴向应力而产生纵向拉应变时，各直线段的电阻将增加，但在半圆弧段受到横向缩短应变，横向缩短作用引起的电阻值减小量对于轴向伸长作用引起的电阻值的增加量起着抵消作用，它使所测应变数值偏小，或者说使应变片灵敏系数减小，

7、此现象称为横向效应。为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片。图3.4应变片轴向受力及横向效应3.测量原理（胡克定律）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为ΔR时，便可得到被测对象的应变值ε，根据应力与应变的关系，应变ε与应力σ成正比，即σ=E.ε，试件材料的弹性模量。三.应变片的种类及特性参数1.种类：金属应变片（丝式、箔式）、薄膜式应变片、半导体应变片。2.主要特性参数：⑴应变片的原始电阻值：指在未受力的情况下，室温下测得的电阻值，有

8、60、120、350、600、1000等多种阻值。电阻值大，可以加大应变片的承受电压。⑵绝缘电阻：应变片的敏感栅及引出线与试件之间的电阻，电阻越大，允许的工作电压也越大，有利于灵敏度的提高，一