传感器与检测技术第2版教学课件作者胡向东第3章节

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1、第3章电阻式传感器3.1工作原理3.2电阻应变片的温度误差及补偿3.3电阻应变片的测量电路3.4电阻式传感器的应用知识单元与知识点应变、应变效应的基本概念；应变电阻式传感器的工作原理、测量电路与典型应用；电阻应变片的温度误差及其补偿。能力点深入理解应变、应变效应的基本概念；理解应变片的分类；把握应变电阻式传感器的工作原理、直流电桥与交流电桥的平衡条件与电压灵敏度特性；会分析电阻应变片的温度误差及其补偿方法、直流电桥的非线性误差及其补偿方法；了解应变电阻式传感器的典型应用。重难点重点：应变与应变效应的涵义；电阻应变片的温度误差及其补偿方法；应变电阻式传感器的工作原理；电阻应变片的测量电路

2、。难点：电阻应变片的温度误差及其补偿方法、直流电桥的非线性误差及其补偿方法。学习要求掌握应变、应变效应的基本概念；牚握应变电阻式传感器的工作原理、直流电桥与交流电桥的平衡条件与电压灵敏度特性；掌握产生电阻应变片温度误差的主要原因及其补偿方法；了解应变片的分类、应变电阻式传感器的典型应用；会分析半桥差动、全桥差动对非线性误差和电压灵敏度的改善。3.1工作原理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应变式传感器是利用弹性元件和电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，

3、弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。结构：应变式传感器由弹性元件（敏感元件）上粘贴电阻应变片（转换元件）构成应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量3.1.1应变效应电阻应变片的工作原理是基于应变效应即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：应变效应当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长ΔL，横截面积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影

4、响而改变了Δρ，从而引起电阻值变化量为：式中：dL/L——长度相对变化量，用应变ε表示为电阻相对变化量：dA/A——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2πrdr，则：材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，轴向应变和径向应变的关系可表示为：μ为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。推得：定义：电阻丝的灵敏系数（物理意义）：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K受两个因素影响一是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（∆ρ/ρ）/ε。对金属材料：1+2μ＞＞(∆ρ/ρ)/

5、ε对半导体材料：(∆ρ/ρ)/ε＞＞1+2μ大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。3.1.2电阻应变片种类常用的电阻应变片有两种：金属电阻应变片半导体应变片金属电阻应变片灵敏度取决于尺寸变化（应变效应为主）半导体应变片灵敏度取决于电阻率的变化（压阻效应为主）分析：当半导体应变片受轴向力作用时半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关：式中：π——半导体材料的压阻系数;σ——半导体材料的所受应变力;E——半导体材料的弹性模量;ε——半导体材料的应变。压阻效应：单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象因此：实验证明，πE比

6、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：测量原理：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量为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应变力正比于电阻值的变化！3.1.3应变片的温度误差及补偿1应变片的温度误差由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。1)电阻温度系数的影响敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：Rt=R0(1+α0Δt)式中:Rt——

7、温度为t时的电阻值；R0——温度为t0时的电阻值；α0——温度为t0时金属丝的电阻温度系数；Δt——温度变化值，Δt=t-t0。当温度变化Δt时，电阻丝电阻的变化值为：ΔRα=Rt-R0=R0α0ΔtRt=R0(1+α0Δt)2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时：环境温度变化不会产生附加变形。当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时：环境温度变化，电阻丝会产生附加变形，从而