第3章应变式传感器

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1、第3章应变式传感器3.1工作原理3.2应变片的种类、材料及粘贴3.3电阻应变片的特性3.4电阻应变片的测量电路3.5应变式传感器的应用3.1工作原理应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。（而应变与被测物理量的关系为已知。）电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体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”。应变式传感器是目前在测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数中应用最广泛的传感器之一。例如，电子秤、汽车衡、轨道衡等。是我国已实现产业化一类传感器。材料力学的一

2、些基本知识：（多学科，交叉性）1、弹性变形与塑性变形F在一定范围内可使弹性体发生形变，加大到一定程度可使弹性体发生不可恢复直至破坏（断裂）性形变。弹性变形-------塑性变形------特别注意：我们研究应变式传感器中的弹性体（包括弹性元件、力敏件、试件等）均只能发生弹性变形，否则，毫无意义。撤除外力恢复原状。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。撤除外力仍然残留一部分永久变形。2、应变与应力应变--------而且由实验得出：μ是金属材料的泊松比（常数），如一般钢材为0.25~0.33之间。（负号表示方向相反）受力后弹

3、性体外形的相对变化。应力-------而且由实验得出：由于外力作用，在一个截面上分布至每一点的力。3、虎克定律（英国科学家R.HOOK在1678年发现)E：为一个常数，称拉压弹性模量或杨氏弹性模量。结论：在弹性范围内，应力与应变成正比。现在我们知道了应力（σ）与应变（ε）的关系，又知道外力（F）与应力的关系，但还看不出与电参数的关系。如果能找到金属材料电阻值变化与应变（ε）或应力（σ）的关系，就能通过电路达到测量的目的。请很好理解好该式！式中：ρ——电阻丝的电阻率；l——电阻丝的长度；A——电阻丝的截面积。图3-1金属电

4、阻丝应变效应如图3-1所示，一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为（在中学物理学过）A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响而改变了dρ，从而引起电阻值相对变化量为（四个参数均为变量，。。。）（3-2）式中已知关系有高数求导：得：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，则有A=πr2微分后可得dA=2πdr（3-4）式中,μ为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。则有或（3-7）通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。其物理

5、意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达式为（3-8）灵敏系数K受两个因素影响：一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ；另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（dρ/ρ）/ε。对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2μ的值要比(dρ/ρ)/ε大得多，而半导体材料的(dρ/ρ)/ε项的值比1+2μ大得多。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（线性关系），即K居然为一个常数（约为1+2μ）。（3-8）式简为：总结测量原理：用应变片测量应变或应力时，在外力作用下，被测对象（弹

6、性体）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ε，根据应力与应变的关系（虎克定律），得到应力值σ。σ=E·ε即：作业题一：200C时截面积为1mm2，长为1m的铜线，求其电阻R1；如果其截面积变为0.9mm2，长度变为1.1m，求其电阻R2及△R=R2-R1。（铜线的电阻率ρ要课后查资料）3.2.1金属电阻应变片的结构与种类图3-2金属电阻应变片的结构3.2应变片的种类、材料及粘贴样品展示：电阻应变片型号：DTB3-G1敏感栅是

7、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。覆盖层与基片将敏感栅紧密地粘贴在中间，对敏感栅起几何形状固定和绝缘、保护作用，基片要将被测体的应变准确地传递到敏感栅上，因此它很薄，一般为0.03～0.06mm,使它与被测体及敏感栅能牢固地粘合在一起，此外它还应有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性能。基片和覆盖层的材料有胶膜、纸、玻璃纤维布等。丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径0.01～0.05mm的电阻丝平行排列而成。箔式金属电阻应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，

8、其厚度一般为0.003~0.01mm，可制成各种形状的敏感栅（即应变花），其优点是表面积和截面积之比大，散热性能好，允许通过的电流较大，可制成各种所需的形状，便于批量生产。金属电阻应变片的敏感栅有丝式和箔式两种形式，如图3-3所示。图3-3常用应变片的形式3.2.2金属电阻应变片的材料对电阻丝材料应有如下要求：①