电阻应变式传感器.ppt

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1、模块三传感器原理及检测实训电阻应变式传感器浙江经济职业技术学院徐文3.1电阻应变式传感器返回首页电阻应变式传感器由电阻应变片和测量电路组成。其敏感元件的电阻随着机械变形（伸长或缩短）而变化。它广泛应用于测量力和与力有关的一些非电参数（如压力、荷重、扭力、加速度等）。电阻应变传感器的特点是精度高，测量范围广；结构简单，性能稳定可靠，寿命长；频率特性好，能在高温、高压、振动强烈、强磁场等恶劣环境条件下工作。3.1.1应变片的工作原理3.1.2电阻应变传感器的测量电路3.1.3电阻应变传感器的温度误差及其补

2、偿3.1.4电阻应变传感器的应用3.1.5电阻应变传感器实训返回首页3.1电阻应变式传感器3.1.1应变片的工作原理返回首页图3-1-4示出了电阻应变片的基本结构。金属导体的电阻随着它所受机械外力导致变形而发生变化的现象，称为金属电阻的应变效应。这就是电阻应变片赖以工作的物理基础。图3-1-4电阻应变片的基本结构图3-1-3电阻应变片的基本形状金属导体的应变效应金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)而发生变化的现象。根据电阻的定义:如果金属导体在外力作用下产生变化

3、量dρ、dl、dA时，其电阻变化dR为：3.1.1应变片的工作原理返回首页3.1.1应变片的工作原理返回首页根据偏导数定义，设ρ、A为常数，则，同理，，，故常见表达式：（3-1-6）3.1.1应变片的工作原理返回首页前式，则，则上式中，称为轴向线应变，单位：“微应变”，由材料力学知，经向收缩和轴向伸长的关系为：，称为泊松比则3.1.1应变片的工作原理返回首页下面分导体和半导体两种情况对上式进行讨论：金属电阻应变片（按结构形式分）丝式箔式薄膜式半导体应变片体型半导体应变片薄膜型半导体应变片扩散型半导体应

4、变片图3-1-5电阻应变片的类型3.1.1应变片的工作原理返回首页应变电阻效应（1）金属材料的应变电阻效应（2）半导体材料的应变电阻效应——金属材料的电阻相对变化与线应变成正比——半导体材料的电阻相对变化与线应变成正比金属丝材的应变灵敏系数半导体材料的应变灵敏系数3.1.1应变片的工作原理返回首页应变灵敏系数金属半导体几何尺寸变化电阻率变化金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主，Km=1.8~4.8几何尺寸变化压阻效应半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应3.1.1应变片的工作原理返回首页金属电阻

5、应变片大多数金属材料的之间，所以在1.6~2.0之间。金属电阻应变片具有分辨率高，非线性误差小；温漂系数小；测量范围大，可从弹性变形一直测至塑性变形（1％～2％），可超载达20％；既能测量静态应变，又能测量动态应变；价格低廉，品种繁多，便于选择和大量使用等优点，因此在各行各业都广泛应用。3.1.1应变片的工作原理返回首页半导体应变片半导体应变片突出的优点是灵敏度系数高，可测微小应变（一般600微应变以下）；机械滞后小；动态特性好；横向效应小；体积小。其主要缺点是：电阻温度系数大；一般可达10－3/℃；

6、灵敏度系数随温度变化大；非线性严重；测量范围小。因此，在使用时需采用温度补偿和非线性补偿措施。3.1.2电阻应变传感器的测量电路返回首页由于电阻应变片工作时其电阻变化很微小，例如，一片、初始电阻120Ω的应变片，受1333微应变（约2吨重的力）时，其电阻变化仅0.36Ω。测量电路的任务是把微弱的电阻变化转换成电压或电流的变化，因此常用直流电桥和交流电桥作为测量电路。目前应变片电桥大都采用交流电桥，但由于直流电桥比较简单，交流电桥原理与它相似，所以以直流电桥作分析,如图3-T1所示。图3-T1桥式测量电

7、路电桥测量电路见图3-T1，图中分别为四桥臂电阻，为供桥电压，为电桥输出电压。当电桥的负载电阻为无穷大时，桥路的输出电压为：为了使测量前的输出为零，应使：满足上式的条件称为电桥平衡条件。此时，当每桥臂电阻的变化远小于本身值，即，（1、2、3、4），且负载电阻为无穷大时，输出电压可近似为：3.1.2电阻应变传感器的测量电路返回首页电桥测量电路的分析3.1.2电阻应变传感器的测量电路返回首页1）单臂电桥桥臂电阻中只有一个电阻为应变片，其余为固定电阻。2）对称电桥对于电源左右两边对称，例如产生纵向应变，产生

8、横向应变，、为固定电阻。因此得：若和均是产生纵向应变的应变片，和是固定电阻，则这种电桥称为半桥。（桥路电压灵敏度）3.1.2电阻应变传感器的测量电路返回首页3）非对称电桥，，如令，如和是产生不同应变的应变片，和是固定电阻，则由上式可见，当时，电压灵敏度最高，对称电桥是非对称电桥的特例。非对称电桥的优点是非线性误差较小。3.1.2电阻应变传感器的测量电路返回首页4）全等电桥，均为应变片，设和产生纵向应变，和产生横向应变，则：这种情况称为全桥，其电压灵敏度最