传感器原理及应用-第2章

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1、第二章应变式传感器一、电阻应变式传感器二、压阻式传感器主要内容：本章重点：电阻应变式传感器的构成原理及特性电桥测量电路的结构形式及特点压阻式传感器的工作原理基本要求：掌握电阻应变式传感器的构成原理及特性，掌握电桥测量电路的结构形式及和差特性，掌握压阻式传感器的工作原理及设计特点。电阻应变片式传感器的核心元件是电阻应变片，是将被测试件（弹性元件）上的应变转换为电阻变化的一种传感器,由弹性元件和粘贴在其上的电阻应变片构成。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片的阻值变化,通过测量电路将其转

2、变成电压或电流的输出,输出电量的变化反映了被测物理量的变化。§2-1电阻应变片式传感器应变物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象。弹性应变当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变。弹性元件具有弹性应变特性的物体。弹性体应变片电桥电路力、加速度、荷重等应变电阻变化电压、电流电阻应变式传感器是目前测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。图2-1电阻应变式传感器典型结构与测量原理弹性体应变片F电桥（转换）电路电压或电流输出电阻应变片：利用金属丝的电阻应变效应或半导体的压阻效应制成的一

3、种传感元件。电阻应变片的分类：金属应变片和半导体应变片。（一）工作原理——应变效应导体或半导体材料在外力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化的现象称为应变效应。一、电阻应变片图2-2均匀电阻丝的应变效应l单根均匀电阻丝的阻值是：电阻的相对变化量为：当电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积相应减小ΔS，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了Δρ，从而引起电阻值绝对变化量为：式中：dl/l——长度相对变化量，用ε表示，称为轴向应变。单位：微应变，。对于半径为r的圆截面电阻由材料力学知：在

4、弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，反之亦然。轴向应变和径向应变的关系可表示为：μ——电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。故应变效应表达式为金属丝的应变效应所以应变效应表达式也可写成增量形式式中，Ks——金属丝的应变灵敏系数。物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量。因为注意：①在金属丝拉伸极限范围内，同一材料，灵敏系数为常数；②金属丝的应变效应主要取决于几何尺寸的变化。金属丝几何尺寸金属本身的特性C如康铜，C≈1，Ks≈2.0。其他金属，Ks一般在1.8~4.8范围内。金属丝的灵敏

5、系数取决于两部分：①金属丝几何尺寸的变化，②电阻率随应变而引起的变化康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，它有很多优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数，进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；康铜的电阻温度系数较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在±50×10-6/℃的范围内；康铜的加工性能好，易于焊接，因而国内外多以康铜作为应变丝材料。半导体的应变效应半导体应变片是用半导体材料制成的,其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用

6、时,其电阻率ρ发生变化的现象。即半导体的dρ/ρ与其在轴向所受应力的关系为式中：π——半导体材料的压阻系数；σ——半导体材料所受的轴向应力；E——半导体材料的弹性模量。实验证明,πE比（1+2μ）大上百倍,所以（1+2μ）可以忽略,因而半导体应变片的灵敏系数为。可见，半导体的应变效应主要取决于压阻效应。所以半导体材料的应变效应表达式为式中，Kb——半导体材料的应变灵敏系数。半导体应变片的灵敏系数比金属丝式的高50～80倍，但半导体材料的温度系数大，测量应变时非线性比较严重，使它的应用范围受到一定

7、的限制。（二）结构与类型图2-3电阻应变片的结构示意图1.结构金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。敏感栅是应变片的核心部分,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。敏感栅感受应变，并将应变转换为电阻的变化。基底（基片）绝缘及传递应变。由纸质或胶质膜等制成。黏结剂敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层间的黏结。覆盖层保护作用。防潮湿、腐蚀、灰尘等。引线（低阻易焊）连接电阻丝与测量电路，输出电参量。2.电阻应变片的类型金属电阻应变片半导体电阻应变片丝式箔式薄膜式根据

8、制栅工艺的不同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。与丝式应变片相比较，箔式应变片有如下优点：①金属箔栅很薄，所感受的应力状态与试件表面的应力状态更为接近；接触面积大；箔栅端部较宽，横向效应较小，测量精度高。②箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，可输出较大信号，提高了测量灵敏度。③箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为制造应变花和小标距应变片提供了条