传感器第3章(2)应变式.ppt

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1、电阻式传感器的基本原理是将被测非电量转换成电阻值，通过对电阻值的测量来达到测量非电量的目的。主要学习：电阻应变式和固态压阻式。电阻式传感器第3章电阻式传感器电阻应变式传感器是一种利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，任何非电量，只要能设法转换为应变，都可以利用电阻应变片进行测量，因此可用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。1.电阻应变式传感器构成原理及信号变换原理1）电阻应变式传感器的构成原理第3章电阻式传感器2)信号变换原理被测非电量弹性敏感元件一定关系应力应变挠度一定关系电阻变化测量电路一定关系电压电流变化量用

2、符号表示为：反映3)电阻应变式传感器的特点（1）理论技术成熟，得到广泛应用于各个领域,是测试和控制的主要方法；第3章电阻式传感器（2）结构简单、尺寸小，使用方便、性能稳定可靠；（3）可实现过程中的自动化和多点同步测量及遥测；（4）灵敏度较高、测量速度快，适合静、动态测量；（5）分辨力高能测出极小的应变。（6）价格便宜可实现多种物理量的测量。2.应变片的工作原理1）构成原理及信号变换原理（1）构成原理（2）变换原理反映第3章电阻式传感器3.1应变式传感器常用的弹性敏感元件（自学）弹性圆柱（F与关系）悬臂梁（等截面梁，变截面梁）（挠

3、度或位移与F的关系）弹性圆环（应变挠度与F的关系）周边固支圆形平膜片弹性筒扭转圆柱3.2金属应变式传感器电阻应变片可分为金属电阻应变片与半导体应变片两类。3.2.1金属电阻应变片（一）常见的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。1）丝式：主要结构是由做成栅状的电阻丝（敏感栅）、绝缘基片、覆盖层和引线四部分组成。1—基底2—敏感栅3—覆盖层4—引线第3章电阻式传感器(1)基底——为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质的基底上。一般为0.02～0.04mm(2)敏感栅——应变计中实现应变-电阻转换的敏感元件。

4、其电阻值一般在100Ω以上(3)盖层——用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用(4)引线——它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。第3章电阻式传感器（二）金属的电阻应变特性当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种效应称为电阻应变效应。设有一段长为l，截面积为A，电阻率为ρ的导体(如金属丝)，它具有的电阻为：当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其l、A和ρ均发生变化，如图所示，因而导体的电阻随之发生变化。通过对式两边取对数后再作微分，即可求得其电阻相对变化：第3章电阻

5、式传感器式中—材料的轴向线应变，常用单位με(1με=1×10-6mm/mm);其中r—导体的半径，受拉时r缩小；μ—导体材料的泊松比。可得：勃底特兹明(Бриджмен)通过实验研究发现，金属材料的电阻率相对变化与其体积相对变化之间有如下关系：第3章电阻式传感器式中C—由一定的材料和加工方式决定的常数；---金属丝材的应变灵敏系数(简称灵敏系数)。上式表明：金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。（三）横向效应金属应变计的敏感栅通常都呈栅状。它由轴向纵栅和圆弧横栅两部分组成，如图(a

6、)所示。由于试件承受单向应力时，其表面处于平面应变状态中，即轴向拉伸εx和横向收缩εy。粘贴在试件表面上的应变计，其纵栅和横栅各自主要分别敏感εx和εy（如图(b)），从而引起总的电阻相对变化为:第3章电阻式传感器因为，又令，得：结论：1）单丝应变片工作式为2）应变栅工作式为3）因栅灵敏度小于单丝灵敏度，故称横向效应。第3章电阻式传感器(四）1）金属丝式应变片有回线式和短接式二种，如图所示。回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，但其应变横向效应较大。短接式应变片两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝短接。优点是克

7、服了横向效应，但制造工艺复杂。常用材料：康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等应变片a、回线式b、d短接式第3章电阻式传感器注：①应变片的基长用表示，基宽用b表示，为应变片的使用面积。②应变片的阻值系列有：60，120，350，600，1000。③应变片的规格一般使用面积和电阻值表示例如：（3x10）mm2，120。2）箔式应变片：是通过光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.003～0.01mm之间，任意形状线条均匀，尺寸准确，散热好，易粘贴。第3章电阻式传感器3）半导体应变片锗、硅等单晶半导体材料具有压

8、阻效应，即在材料只受拉（压）力，且应力方向与电流方向一致时，电阻率与应力成正比，即：第3章电阻式传感器半导体应变片的特点：1）灵敏度高，比金属应变片要高50～70倍。2）横向效应和机械滞后小，体积小。3）温度稳定性差。4）在较大的应变下，灵敏度和非线性误差大。由