传感器原理与检测技术钱显毅第2章节

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1、第2章　电阻应变式传感器2.1　电阻应变式传感器的工作原理2.2　电阻应变片的工作原理2.2.1　金属的应变效应2.2.2　电阻应变片的结构和工作原理2.2.3　电阻应变片的横向效应2.3　电阻应变片的种类、材料和参数2.3.1　电阻应变片的种类2.3.2　电阻应变片的材料2.3.3　应变片的主要参数2.4　粘合剂和应变片的粘贴技术2.4.1　粘合剂2.4.2　应变片粘贴工艺第2章　电阻应变式传感器2.5　电阻应变式传感器的温度误差及其补偿2.5.1　温度误差及其产生原因2.5.2　温度补偿方法2.

2、6　电阻应变式传感器的信号调节电路及电阻应变仪2.6.1　测量电桥的工作原理2.6.2　电阻应变仪2.7　电阻应变式传感器2.7.1　电阻应变式力传感器2.7.2　应变式传感器的应用2.1　电阻应变式传感器的工作原理所谓电阻应变式传感器，就是由于某些物理量的变化引起应变，应变引起电阻变化的一种传感器。电阻应变式传感器主要是由弹性敏感元件和电阻应变片组成。弹性敏感元件的材料是弹性物质，其作用是在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变；而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此

3、电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。2.2　电阻应变片的工作原理2.2.1　金属的应变效应2.2.2　电阻应变片的结构和工作原理2.2.3　电阻应变片的横向效应2.2.1　金属的应变效应根据电阻定律，金属丝的电阻随着它所受的机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生相应的变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。电阻应变片的工作原理就是基于金属的应变效应设计而成的。金属丝的电阻为什么会随着其应变而变化呢？道理很简单，因为金属丝的电阻(R=ρL/A)与

4、材料的电阻率(ρ)及其几何尺寸(长度L和截面积A)有关，而金属丝在承受机械变形的过程中，这三种物理量都要发生变化，因而引起金属丝的电阻变化。2.2.2　电阻应变片的结构和工作原理1.应变片的结构2.应变片的特性3.应变片的测试原理1.应变片的结构图2-1　电阻丝应变片的基本结构1—基底　2—电阻丝　3—覆盖面　4—引线2.应变片的特性图2-2　金属导线受力变形情况3.应变片的测试原理用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于对象上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦

5、随其发生相同的变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。2.2.3　电阻应变片的横向效应直线金属丝受单向力拉伸时，在任一微段上所感受的应变都是相同的，而且每段都是伸长的，因而每一段电阻都将增加，金属丝总电阻的增加为各微段电阻增加的总和。2.3　电阻应变片的种类、材料和参数2.3.1　电阻应变片的种类2.3.2　电阻应变片的材料2.3.3　应变片的主要参数2.3.1　电阻应变片的种类1.丝式应变片2.箔式应变片3.薄膜应变片4.半导体应变片1.丝式应变片(1)回线式应变片(2)短接式应变片(1)回线式应

6、变片图2-3　回线式应变片(2)短接式应变片图2-4　短接式应变片2.箔式应变片1)制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制成任意形状以适应不同的测量要求。2)敏感栅截面为矩形，其表面积对截面积之比远较圆断面的为大，故粘合面积大。3)敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能好。4)散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而最大输出信号。5)敏感栅弯头横向效应可以忽略。6)蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。3.薄膜应变片图2-5　应变片a)薄膜应变片　b)半导体应变片的结构形式4.半导体应变片半导

7、体应变片的工作原理是基于半导体材料的电阻率随作用应力而变化的所谓“压阻效应”。所有材料在某种程度都呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别显著，能直接反映出很小的应变。常见的半导体应变片采用锗和硅等半导体材料作为敏感栅，一般为单根状，如图2-5b所示。根据压阻效应，半导体和金属丝一样可以把应变转换为电阻的变化。2.3.2　电阻应变片的材料1.敏感栅材料2.应变片基底材料3.引线材料1.敏感栅材料1)灵敏系数KS和电阻率ρ要尽可能高而稳定，电阻变化率ΔR/R与机械应变εx之间应具有良好而宽广的线性关系

8、，即要求KS在很大范围内为常数。2)电阻温度系数小，电阻-温度间的线性关系和重复性好。3)机械强度高，辗压及焊接性能好，与其他金属之间接触热电动势小。4)抗氧化、耐腐蚀性能强，无明显机械滞后。2.应变片基底材料应变片基底材料有纸和聚合物两大类，纸基逐渐被胶基(有机聚合物)取代，因为胶基各方面性能都好于纸基。胶基是由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成的胶膜，厚约0.03~0.05mm。对基底材料性能有如下要求：①机械强度高，绕性好；②粘贴性能好；③电绝缘性能好；④热稳定