传感器与检测技术第2章-1_应变式传感器

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1、第二章电阻式传感器§2.1应变式传感器§2.2压阻式传感器应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器。核心元件是电阻应变计（应变片、应变计），它将试件上的应变变化转换成电阻变化。2.1金属应变片式传感器2.1.1工作原理2.1.2金属应变片的主要特性2.1.3温度特性（误差及其补偿）2.1.4测量电路2.1.5应变式传感器应用2.1.1工作原理1电阻应变效应电阻应变效应：当金属丝（或半导体）在外力作用下发生机械变形时其电阻值发生变化的现象。当受轴向应力作用时有：FΔl、ΔA、ΔρΔR设有一根长度为l、截面积为S

2、、电阻率为ρ的金属丝，其电阻R为两边取对数，得等式两边取微分，得——电阻的相对变化；——电阻率的相对变化；——金属丝长度相对变化，用ε表示，ε=称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；——截面积的相对变化。dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr。S=πr2dS/S=2·dr/rεr=–με由材料力学知对于金属材料，电阻率的变化满足以下关系。(C是金属材料的某个常数。)可将微分dR、dρ改写成增量ΔR、Δρ比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。实验也证明：金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比

3、例关系。电阻的灵敏系数ε为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量μ为电阻丝材料的泊松比，一般金属μ=0.3~0.5；λ为压阻系数，与材质有关；σ为应力值；E为材料的弹性模量；金属电阻的灵敏系数材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率ρ随应变引起的（压阻效应）金属材料：k0以前者为主，则k0≈1+2μ=1.7~3.6半导体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定2.应变片的基本结构与种类位移、力、力矩、加速度、压力弹性敏感元件应变外力作用被测对象表面产生微小机械变形应变片敏感栅随同变形电阻值发生相应变化应变片应变

4、片的类型和材料金属丝式金属箔式金属薄膜式回线式短接式金属丝式应变片金属电阻丝应变片的基本结构1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线金属箔式应变片金属箔式应变片箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图。优点：（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求，（2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅（3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。（4）横向效应可以忽略。（5）蠕变、机械

5、滞后小，疲劳寿命长。缺点：电阻值的分散性大阻值调整金属薄膜应变片采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系金属应变计2.1.2金属应变片的主要特性（一）灵敏系数（二）横向效应（三）动态特性应变片的电阻值R应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值电阻系列：60、120、200、350、500、1000Ω可以加大应

6、变片承受电压，电阻值大输出信号大，敏感栅尺寸也增大1灵敏度系数当金属丝做成应变片后，其电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系。即K为金属应变片的“标称灵敏系数”。应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS。原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。2.横向效应试件与其上的应变片受单向应力时，其表面处于平面应变状态。对于由多条直线和圆弧部分组成敏感栅：直线段：沿轴向拉应变εx，电阻圆弧段：沿横向压应变εy等，电阻lεyεxεybOlεrrdldθθε0ε横向效应：金属应变片测量应变时，构件的

7、轴向应变ε使敏感栅电阻发生变化，其横向应变εr也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化，应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。图为应变片敏感栅半圆弧部分的形状。沿轴向应变为ε，沿横向应变为εr。丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分3.动态特性若已知应变波在某材料内传播速度υ，栅长l，确定相对误差的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。问题1、传感器的静态特性如：迟滞漂移测量范围（应变极限）与其结构有关吗？如何克服？2、应变片对于应变的输入是几阶系统？应变式传感器的特点精度

8、高,测量范围广频率响应较好结构简单,尺寸小,质量轻使用环境广易于小型化、（固态化）价格低2.1.3温度特性（误差及其补偿）1温度误差应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。设环境引起的构件温度变化为Δt（℃）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为αt，则应变片产生的电阻相对变化为由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当Δt