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1、第2章电阻应变式传感器及应用提问1：电子秤中用到的传感器是什么结构？收费站称重收费过程中是如何称重的？提问2：你还了解哪些测量力、压力、位移、加速度等物理量的传感器？这些传感器在日常生活中都有何用途？掌握重点：工作原理:被测量⇒应变()⇒电阻变化(R)电阻应变片的特性测量电路典型应用内容安排金属:半导体:按材料分应变式传感器压阻式传感器2.1应变式传感器2.1.1金属电阻应变片工作原理基于金属的应变应变效应：金属丝的电阻随着它所受的机械形变(拉伸或压缩)而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。长为l、截面积为A、电阻率为
2、ρ的金属或半导体丝,电阻若导电丝在轴向受到应力的作用,其长度变化Δl,截面积变化ΔA,电阻率变化Δρ,而引起电阻变化ΔR,则一、金属电阻应变效应FFL+dLd式中为单根导电丝的灵敏系数,表示当发生应变时,其电阻变化率与其应变的比值。（材料的泊松系数）导电丝的几何尺寸的改变材料的电阻率ρ发生变化对金属：πE很小,可忽略不计,μ=0.25～0.5,故k0=1+2μ≈1.5～2；对半导体：πE比1+2μ大得多,压阻系数π=(40-50)×10-11m2/N,杨氏模量E=1.67×1011Pa,则πE≈50～100,故（1+2μ）可以忽略不
3、计。可见,半导体灵敏度要比金属大50~100倍。π表示压阻系数二、应变计的结构与分类LAa结构图栅宽低阻镀锡铜丝作为引线应变计：将应变转换为电阻变化的传感元件结构：电阻应变片种类繁多，但基本构造大体相同图示为其构造简图：排列成网状的高阻金属丝、栅状金属箔或半导体片构成的敏感栅,用粘合剂贴在绝缘的基片上。敏感栅上贴有盖片（即保护片）。核心部件：敏感栅应变计的分类对金属：金属丝式应变片：金属箔式应变片：薄膜应变片：按尺寸分：按结构形式分：单片、双片及各种特殊形状的图案按使用环境分：高低温、核辐射、高雅、磁场的等按安装形式分：粘贴、非粘
4、贴、焊接、火焰喷涂按材料分：金属式、半导体式对半导体：体型应变片：扩散型应变片：薄膜型应变片：外延型应变片：PN结及其它图2.3金属丝式应变片：有U型、V型、H型金属丝弯曲部分成圆弧（U）形,是最早常用的一种形式，制作简单但横向效应较大金属丝弯曲部分成直角（H）形,两端用较粗的镀银铜线焊接，横向效应较小，制作工艺复杂(将逐渐被横向效应小、性能更优越的箔式应变计所代替)图2.4几种箔式应变计金属箔式应变片：箔式应变计的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属薄栅（厚度一般在0.003～0.01mm）薄膜应变片：薄膜式应变计是采用真空溅
5、射或真空沉积技术，在薄的绝缘基片上蒸镀金属电阻薄膜（厚度在纳米量级），再加上保护层制成优点：灵敏度高；允许通过的电流密度大；工作温度范围广（可工作于-197～317℃），也可用于核辐射等特殊情况下。敏感元件常用的材料：康铜（铜镍合金）、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金等，常温下使用的应变计多由康铜制成。2.1.2金属电阻应变片主要特性一、应变计的特点灵敏度和精确度高：能测1～2微应变，误差一般小于1%；测量范围大：从弹性变形一直可测至塑性变形；尺寸小，重量轻，对试件工作状态和应力分布影响很小；具有良好的动态响应；能适应高温、高压、强
6、磁场以及辐射等恶劣环境；价格低廉、品种多样，便于选择和大量使用。优点：在大应变下具有较大的非线性；输出信号较微弱，抗干扰能力较差；应变式传感器的性能在很大程度上取决于应变计的性能。一、应变计的特点缺点：二、应变计的灵敏度系数金属电阻丝应变计电阻应变计的灵敏度系数应变丝的灵敏度系数原因：基底传递衰减；存在横向效应；三、应变计的横向效应敏感栅由许多直线及圆角组成，拉伸被测试件时，粘贴在试件上的应变计沿长度方向拉伸，产生纵向拉伸应变εx，应变计直线段电阻增加；在垂直方向产生压应变-εy，该微段电阻减少，在圆弧的其他各微段，感受的应变由+ε
7、x变化到–εy，圆弧段的电阻变化将小于同样长度沿x方向的直线段的电阻变化总结：将同样长的金属线材做成敏感栅后，对同样应变，应变计敏感栅的电阻变化变小，灵敏度降低，这种现象称为应变计的横向效应。四、应变计的动态特性应变波的传播过程机械应变以相同于声波速度的应变波形式在材料中传播。应力波从试件通过胶层、基片传到敏感栅需要一定时间，沿应变计长度方向经过敏感栅需要更长一些的时间，敏感栅电阻的变化是对某一瞬时作用于其上应力的平均值的反应；胶层和基片的总厚度约为0.05mm，由试件经过胶层和基片传到敏感栅的时间约为5×10-8s，可以忽略不计；
8、应变波沿敏感栅长度方向传播的时间应加以考虑钢材声速为5000m/s，胶层声速为1000m/s。阶跃波沿敏感栅轴向传播，由于应变波通过敏感栅需要时间L/V，当阶跃波的跃起部分通过敏感栅全部长度后，电阻变化才达到最大值(理论相应特性曲线)
