传感器与检测技术的理论基础3

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1、3.1工作原理3.2应变片的种类、材料及粘贴3.3电阻应变片特性3.4电阻应变片的测量电路3.5应变式传感器应用主要内容应变式传感器是电阻式传感器的一种，电阻式传感器主要是使用传感器阻值的变化来检测被测量。常见的有电位器式电阻传感器、应变片式电阻传感器、热电阻式传感器、固态压阻式传感器、半导体传感器中的气敏电阻、湿敏电阻。概述各种电子称:1.电位器式电阻传感器讨论（1）电位器式电阻传感器的原理（2）阶梯特性、阶梯误差和分辨率（3）负载特性和负载误差1.电位器式电阻传感器（了解）2.应变片式电阻传感器（重点）主要内容：电阻式应变

2、传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到0.01—0.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。2.电阻式应变传感器电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器,传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时,弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式传感器特征：不同材料类型：金属应变片、半导体应变片应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度；主要优点：精度高，测量范

3、围广、使用寿命长，性能稳定可靠、结构简单、尺寸小，重量轻、频率响应特性好，响应时间约为10-7秒、可在各种恶劣条件下工作、应变片种类繁多，价格便宜3.1工作原理电阻应变片的工作原理是基于应变效应,即在导体产生机械变形时,它的电阻值相应发生变化。如图3-1所示,一根金属电阻丝,在其未受力时,原始电阻值为R=当电阻丝受到轴向拉力F作用时，电阻值ΔR的变化引起电阻的相对变化为:当电阻丝受到轴向拉力F作用时，金属丝几何尺寸变化引起电阻的相对变化用应变ε表示长度相对变化量ΔS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即由材料力学可知,在

4、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可得或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。半导体应变片使用半导体材料制成，其工作原理

5、是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指半导体材料某一轴向受到外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。其中：π-----半导体材料的压阻系数σ------半导体材料的所受应变力E--------半导体材料的弹性摸量ε-------半导体材料的应变半导体应变片与金属丝式应变片的比较：优点：灵敏系数高，可比金属丝高50~80倍缺点：温度系数大，应变时非线性比较严重，应用范围有限。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

6、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式中:σ——试件的应力;ε——试件的应变;E——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。3.2应变片的种类、材料及粘贴电阻应变片的种类但常用的应变片可分为两类:金属电阻应变片和半导体电阻应变片。其中金属应变片有丝式电阻应变片和箔式应变片。金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成,如图3-2所示。敏感栅是应变片的核心部分,

7、它粘贴在绝缘的基片上,其上再粘贴起保护作用的覆盖层,两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。金属电阻应变片的材料要求：详细情况见P45箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅,其厚度一般在0.003～0.01mm。其优点是散热条件好,允许通过的电流较大,可制成各种所需的形状,便于批量生产。薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅,最后再加上保护层。3.3电阻应变片的特性1.弹性敏感元件及其基本特性弹性元件的基本特性有：刚度、灵敏度、

8、灵敏系数等。(1)刚度刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，其定义为弹性元件在单位变形下所需要的力，用C来表示(2)灵敏度通常用刚度的倒数来表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度。(3)灵敏系数被测体应变片ＦＦ思考其他特征有那些？直线电阻丝绕