力与压力测量传感器

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1、实用传感器技术教程2021/9/151压电式传感器1.2第3章力与压力测量传感器电阻式压力传感器3.13.2集成压力传感器1.2差动变压器式传感器3.33.4力与压力测量传感器性能比较1.2压磁式传感器3.53.62021/9/152本章要点电阻式、压电式、差动变压器式、压磁式与集成式压力传感器等压力测量传感器结构与工作原理压力测量传感器的特性参数、测量电路与温度补偿方法压力测量传感器性能及应用范围比较压力测量传感器应用实例2021/9/1533.1电阻式压力传感器3.1.1金属电阻应变式传感器金属电阻

2、应变式传感器是利用应变效应原理制成的一种测量微小机械变化量的传感器。它是由弹性元件和电阻应变片构成。当弹性元件感受被测物理量时，其表面产生应变，粘贴在弹性元件表面的电阻应变片也产生应变，其阻值将随着弹性元件的应变而变化。通过测量电阻应变片的电阻值，可以用来测量被测的物理量。金属电阻应变传感器具有结构简单、测量精度高、使用方便、动态性能好等特点，被广泛应用于测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数。2021/9/1542021/9/1552021/9/1561.1传感器基本概念1.电阻应变片原理及主要特性（

3、1）工作原理金属导体材料在受到外界力作用时，将产生机械变形，机械变形会导致其电阻值变化，这种因形变而使其电阻值发生变化的现象被称为“应变效应”。图3-1金属电阻丝伸长后几何尺寸变化2021/9/157设有一根电阻丝，如图3-1所示，它在未受到外力作用时的初始电阻为（3-1）式中，ρ——电阻丝的电阻率；L——电阻丝的长度；S——电阻丝的截面积。2021/9/158当电阻丝在外力F的作用下被拉伸(或压缩)，则其ρ、L、S均发生变化，变化量分别为Δρ、ΔL、ΔS。几何尺寸的变化引起电阻值的变化，电阻值相应变化

4、为ΔR，其电阻的相对变化量为:(3-2)经过整理，可得下式:(3-3)2021/9/159式中，μ为为泊松比，定义为材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值。如果令:(3-4)则有:(3-5)式中，ε=ΔL/L为金属导体电阻丝的纵向应变；k0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。2021/9/1510由式(3-4)可知，电阻丝的灵敏系数受两个因素的影响：一是(1+2μ)，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（Δρ/ρ）/ε，对于同一种金属

5、材料，其值也是常数，但比(1+2μ)小很多，可以忽略，故k0≈1+2μ。理论与实验证明，对于每一种电阻丝，在一定的相对变形范围内，金属材料的灵敏系数k0将保持不变。因此，由式（3-5）可知，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。即金属导体电阻丝的电阻的相对变化率与电阻丝的应变呈线性关系变化，这就是金属电阻应变式的工作原理。2021/9/1511（2）应变片的结构常用的金属应变片分为电阻丝应变片和箔式应变片。它们基本结构大体相同，由敏感栅、基底、覆盖层、引线和黏结剂组成。2

6、021/9/1512（3）电阻应变传感器主要特性1)灵敏系数K当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化ΔR/R。实验表明，在一定应变范围内ΔR/R由下式确定：式中:ε为应变片的纵向应变；K为应变片的灵敏系数。2021/9/1513（3）电阻应变传感器主要特性2)机械滞后应变片安装在试件上以后，在一定的温度下，应变片的指示应变εi与试件机械应变εm应该是一个确定关系，但实验表明，在加载和卸载过程中，对同一机械应变量，两过程的特性曲线并

7、不重合，卸载时的指示应变高于加载时的指示应变，如图3-3所示，这种现象称为应变片的机械滞后。加载和卸载特性曲线之间的最大差值Δεm称为应变片的机械滞后值。2021/9/1514（3）电阻应变传感器主要特性3)零漂和蠕变已粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定，试件上没有机械应变的情况下，应变片的指示会随着时间增长而逐渐变化，这就是应变片的零点漂移，简称零漂。已粘贴的应变片，温度保持恒定，在承受某一恒定的机械应变长时间作用下，应变片的指示会随时间的变化而变化，这种现象称为蠕变。一般来说，蠕变的方向与原来应变

8、量变化的方向相反。2021/9/1515（3）电阻应变传感器主要特性4)温度效应粘贴在试件上的电阻应变片，除感受机械应变而产生电阻相对变化外，在环境温度变化时，也会引起电阻的相对变化，产生虚假应变，这种现象称为温度效应。温度变化对电阻应变片的影响是多方面的，这里仅考虑两种主要影响：一是当环境温度变化Δt时，由于敏感栅材料的电阻温度系数αt的存在，引起电阻的相对变化；二是当环境温度变化Δt时，由于敏感材料和试件材料的膨胀系数不同，应变片产生附