电阻应变式传感器(I)

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1、一.弹性体及其应变二.电阻应变片及其电阻变化三.信号处理电路四.电阻应变片的粘贴五.应变式传感器应用实例2.1应变式传感器一.弹性体及其应变弹性体（敏感元件）的基本概念：物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象称为变形。如果变形后的物体在外力去除后又恢复原来形状的变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。（1）刚度：弹性元件产生单位变形所需的力。（2）灵敏度：在单位力作用下弹性元件产生的变形。弹性敏感元件的基本要求及类型：刚度和灵敏度表示了弹性元件的软硬程度。元件越硬，刚度越大，单位力作用下变形越小，

2、灵敏度越小。当刚度和灵敏度为常数时，作用力F与变形X成线性关系，此种元件称为线性弹性元件。（1）具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能。（2）良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）。（3）弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定。（4）抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。对弹性敏感元件的基本要求（1）变换力（力矩）弹性元件：等截面柱式、悬臂梁、圆环式和等截面薄板等。（2）变换压力弹性元件：弹簧管、波纹管、膜片（力、压力均可以变换）等。弹性元件

3、输入量rr0ll0绝对伸长绝对压缩1.弹性等截面轴受外力作用后变形量：FF(a)拉伸FF(b)压缩轴向应变径向应变泊松系数反映物质形变程度，反映物质弹性特征（0.2~0.4），E是材料的弹性模量.E钢=2.0*1011N/m2E铝=0.7*1011N/m2应变2.等截面悬臂梁自由端受向下外力作用后：此时上表面应变为正（拉应变）下表面应变为负（压应变）自由端位移（挠度）最大，固定端应变最大。它适于测量500Kg以下的载荷，最小为测几十克重的力，这种传感器具有结构简单、加工容易、应变片易粘贴、灵敏度高等特点。悬臂梁

4、是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。特点是灵敏度比较高。所以多用于较小力的测量。例如民用电子秤中就多采用悬臂梁。当力F（例如苹果的重力作用）以垂直方向作用于电子秤中的铝质悬臂梁的末端时，梁的上表面产生拉应变，下表面产生压应变。应变3.等强度悬臂梁自由端受向下外力作用后：此时上表面应变为正（拉应变）下表面应变为负（压应变）同一表面上各点应变相等，上下表面应变绝对相等、符号相反。FhL0通常采用厚度h不变，宽度b改变来满足：其他讨论与等截面梁式荷重传感器相同。应变*两端固定横梁受向下外力作用后：此时上表面应变为负（压

5、应变）下表面应变为正（拉应变）双弯曲梁为传感器弹性体，四片应变片分别粘贴在梁的上、下两表面上，组成全桥电路。当载荷F作用时，R1、R3受拉伸，阻值增加；R2、R4受压缩，阻值减小。电桥失去平衡，产生电压输出。双弯曲梁R4R2R3R1F电阻应变片种类：丝式(绕线式)、箔式、半导体式引出线电阻丝(丝栅)基底金属箔式应变片金属丝式应变片二.电阻应变片及其电阻变化金属电阻应变片的结构如右图所示，它由敏感栅、基体、覆盖层（保护片）和引出线四部分组成1．金属应变片机电设备中传感器的连接与信号获取（1）敏感栅是转换元件，由金属

6、丝、金属箔制成，它被粘贴在基体上。通过基体把应变传递给它。（2）基体起绝缘作用。（3）覆盖层（保护片）起绝缘保护作用。（4）引出线焊接于敏感栅两端，作连接测量导线之用。电阻应变片有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。金属电阻应变片又有丝式、箔式和薄膜式等结构形式。电阻应变片的结构和工作原理对于一长为L、横截面积为A、电阻率为ρ的金属丝，其电阻值R为：如果对电阻丝长度作用均匀，则ρ、L、A的变化(dρ、dL、dA)将引起电阻R变化dR，dR可通过对上式的全微分求得：电阻相对变化量为：若电阻丝是圆形的，则A=πr²,

7、对r微分得dA=2πrdr，则：ll+dl2r2(r-dr)F金属丝的应变效应εy=-μεx由材料力学的知识：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为：可得：对于确定的材料，(1+2μ)项是常数，其数值约在1~2之间，2．半导体应变片半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率会发生变化。当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为:实验证明πLE比1+2μ大近百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半导体

8、应变片的灵敏系数为：晶面(crystalface):在晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面。晶向(crystaldirection):在晶格中,任意两原子之间的连线所指的方向。晶向指数:用密勒(Miller)指数对晶格中某一原子排列在空间的位向进行标定。使用方法:设置坐标;求截距;取最小整数。半导体应变片在不同晶向上受相同大小应力作用时电阻率变化情况不同。例如p型硅在[