传感器原理与应用课件 第4章 电阻应变式传感器

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1、第4章电阻应变式传感器4.1电阻应变片的工作原理（应变效应）4.2电阻应变片的结构、类型及参数4.2.1应变片的基本结构4.2.2电阻应变片的种类及特点4.2.3金属应变片的参数4.2.4应变片的粘贴技术4.3应变片的动态响应特性4.3.1应变波的传播过程4.3.2应变片的极限工作频率估算4.4测量电路4.4.1直流电桥4.4.2交流电桥4.5电阻应变式传感器的温度误差及其补偿4.5.1温度误差及其产生原因4.5.2温度补偿方法4.6应变式传感器的结构设计及应用4.6.1应变式压力传感器4.6.2应变式加速度传感器将电阻应变片粘贴在弹

2、性元件特定表面上，当力、扭矩、速度、加速度及流量等物理量作用于弹性元件时，会导致元件应力和应变的变化，进而引起电阻应变片电阻的变化。电阻的变化经电路处理后以电信号的方式输出，这就是电阻应变式传感器的工作原理。4.1电阻应变片的工作原理电阻应变片简称应变片，是一种能将试件上的应变变化转换成电阻变化的传感元件，其转换原理是基于金属电阻丝的电阻应变效应。所谓电阻应变效应是指金属导体（电阻丝）的电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改变的一种物理现象。原因：因为金属丝的电阻与材料的电阻率与其几何尺寸有关，而金属丝在承受机械变形的过程中，它们都要发生

3、变化，因而引起金属丝的电阻变化。设有一段长为L，截面积为A，电阻率为ρ的导体(如金属丝)，它具有的电阻为当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其L、A和ρ均发生变化根据材料力学的知识，杆件在轴向受拉或受压时，其纵向应变与横向应变的关系金属丝电阻率的相对变化与其轴向所受应力s有关，即式中e——金属丝材料的应变E——金属丝材料的弹性模量l——压阻系数，与材料有关m——为金属材料的泊松比dr/r—金属丝电阻率的相对变化量由式子可知电阻相对变化量是由两方面的因素决定的。一是由金属丝几何尺寸的改变而引起，即（l+2m）项；另一是材料受力后，

4、材料的电阻率r发生变化而引起，即lE项。对于特定的材料，（l+2m+lE）是一常数，因此，式子所表达的电阻丝电阻变化率与应变成线性关系，这就是电阻应变计测量应变的理论基础。K0为单根金属丝的灵敏系数，其物理意义为：当金属丝发生单位长度变化（应变）时，其大小为电阻变化率与其应变的比值，亦即单位应变的电阻变化率。金属丝式电阻应变片与半导体式应变片的主要区别在于：前者是利用金属导体形变引起电阻的变化，后者则是利用半导体电阻率变化引起电阻的变化。4.2电阻应变片的结构、类型及参数4.2.1应变片的基本结构敏感栅——应变计中实现应变-电阻转换的

5、敏感元件。敏感栅合金材料的选择对所制造的电阻应变计性能的好坏起着决定性的作用。基底——固定敏感栅，并使敏感栅与弹性元件相互绝缘；应变计工作时，基底起着把试件应变准确地传递给敏感栅的作用，为此基底必须很薄，一般为0.02～0.04mm。常用的基底材料有纸、胶膜和玻璃纤维布。引线——连接敏感栅和测量线路的丝状或带状的金属导线。一般要求引线材料具有低的稳定的电阻率及小的电阻温度系数。盖层——保护敏感栅使其避免受到机械损伤或防止高温氧化。粘结剂——在制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；在使用应变计时，用它把应变计基底再粘贴在试

6、件表面的被测部位，因此它也起着传递应变的作用。4.2.2电阻应变片的种类及特点1.电阻丝式应变片电阻丝式应变片的敏感元件是丝栅状的金属丝，它可以制成U型、V型和H型等多种形状电阻丝式应变片因使用的基片材质又可以分为纸基、纸浸胶基和胶基等种类。2.箔式应变片箔式应变片的工作原理和结构与丝式应变片基本相同，但制造方法不同。它采用光刻法代替丝式应变片的绕线工艺。箔式应变片与丝式应变片相比具有下列优点：a.制造工艺能保证线栅的尺寸正确，线条均匀，大批生产时电阻值离散度小，能制成任意形状以适应不同的测量要求。电阻线栅的基长可做得很小（最小的目前

7、已达0.2mm）；b.横向效应很小；c.允许电流大;d.柔性好、蠕变小、疲劳寿命长。可贴在形状复杂的试件上,与试件的接触面积大，粘接牢固，能很好地随同试件变形，在受交变载荷时疲劳寿命长，蠕变也小。e.生产效率高。便于实现生产工艺自动化，从而提高生产率，减轻工人的劳动,价格便宜。3.半导体式应变片半导体式应变片的使用方法与金属电阻应变片相同，即粘贴在弹性元件或被测体上，随被测试件的应变其电阻值发生相应变化。半导体式应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。4.2.3金属应变片的参数1.几何尺寸应变片的工作宽度（基宽）b是在应变片轴线相

8、垂直的方向上，敏感栅最外侧之间的距离；应变片的工作基长（标距）L是应变片敏感栅在其轴线方向的长度，对于带有圆弧端的敏感栅，就是指两端圆弧之间的距离;应变片敏感栅的有效工作面积b×L。目前应变片最小基长为0.2mm，最长达