传感器原理与应用 第2章 应变式传感器.ppt

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1、第2章应变式电阻传感器2.1电阻应变式片应变式传感器的核心元件是电阻应变片，它可将试件上的应力变化转换成电阻变化。2.1.1应变效应导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。2.1.2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应力，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,对r微分得dA=2πrdr，则：ll+dl2r2(r-dr)F图2-1金属丝的应变

2、效应由材料力学的知识：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：εy=-μεx（2-5）μ为金属材料的泊松系数。将（2-4）式、（2-5）代入（2-3）式得：KS称为金属丝的灵敏系数，表示单位应变所引起的电阻的相对变化。对于确定的材料，(1+2μ)项是常数，其数值约在1~2之间，实验证明dρ/ρ╱εx也是一个常数。上式表示金属丝的电阻相对变化与轴向应变成正比关系。根据应力和应变的关系:应力σ=εE，即σ∝ε，而ε∝dR，所以σ∝dR。1．金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式。(1)金属丝式应变片：将金属电阻丝（一般是合金，电阻率较高，直径约0.02mm）

3、粘贴在绝缘基片上，上面覆盖一层薄膜，使它们变成一个整体。2.1.3电阻应变片的分类金属电阻应变片半导体电阻应变片基片覆盖层金属丝引线图2-2金属丝应变片结构（2）金属箔式应变片利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.003~0.010mm，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。其优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种需要的形状，便于批量生产。图2-3箔式应变片（3）金属薄膜应变片金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较

4、广。常用应变片的形式金属应变计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:式中为半导体应变片的电阻率的相对变化，其值与半导体敏感条在轴向所受的应力之比为一常数。即代入（2-10）式，得：上式中1+2μ项随几何形状而变化，πLE项为压阻效应，随电阻率而变化。实验证明πLE比1+2μ大近百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为：半导体应变片的突出优点是体积小，灵敏度高，频率响应范围宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接，使测量

5、系统简单。但其温度系数大，应变时非线性较严重。2.2电阻应变片的重要特性2.2.1灵敏度系数金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片后，其电阻—应变特性与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻—应变特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系。K为金属应变片的灵敏系数。测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS。原因主要是胶层传递变形失真及横向效应。即:2.3.2横向效应金属丝式应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变ε使敏感栅电阻发生变化，而其横

6、向应变εr也使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。bOlεrdldθθε0ε图2-5敏感栅半圆弧形部分r应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴向应变ε作用下，全部纵栅的变形视为ΔL1ΔL1=nlε半圆弧横栅同时受到ε和εr的作用，在任一微小段长度dl=rdθ上的应变εθ可由材料力学公式求得每个圆弧形横栅的变形量Δl为纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅的变形量为应变片敏感栅的总变形为敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则电阻相对变化为令：则：可见，敏感栅电阻的相对变化分别是ε和εr作用的

7、结果。当εr=0时，可得轴向灵敏度系数：当ε=0时，可得横向灵敏度系数：横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应系数H。即：可见，r愈小、l愈大，则H愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。ΔεΔε1机械应变εR卸载加载指示应变εi图2-6应变片的机械滞后2.2.3机械滞后、零漂及蠕变机械