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1、3.1工作原理3.2电阻应变片特性3.3电阻应变片的测量电路3.4应变式传感器应用第3章应变式传感器返回主目录第3章应变式传感器电阻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,传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时,弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。3.1工作原理电阻应变片的工作原理是基于应变效应,即在导体产生机械变形时,它的电阻值相应发
2、生变化。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R=式中:ρ——电阻丝的电阻率;L——电阻丝的长度;S——电阻丝的截面积。（3-1）当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长ΔL,横截面积相应减小ΔS,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ,故引起电阻值相对变化量为式中ΔL/L是长度相对变化量,用应变ε表示ΔS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为式中:μ——电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。将式（3-3）#,式（3-5
3、）代入式（3-2）,可得或（3-6）（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度系数。其物理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）灵敏度系数受两个因素影响:一个是受力后材料几何尺寸的变化,即（1+2μ）;另一个是受力后材料的电阻率发生的变化,即（Δρ/ρ）/ε。对金属材料电阻丝来说,灵敏度系数表达式中（1+2μ）的值要比（（Δρ/ρ）/ε）大得多,而半导体材料的（（Δρ/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,即K为常数。用应变片测量应变或应力时,根据
4、上述特点,在外力作用下,被测对象产生微小机械变形,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ΔR时,便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系,得到应力值σ为σ=E·ε（3-9）式中:σ——试件的应力;ε——试件的应变;E——试件材料的弹性模量。由此可知,应力值σ正比于应变ε,而试件应变ε正比于电阻值的变化,所以应力σ正比于电阻值的变化,这就是利用应变片测量应变的基本原理。3.2电阻应变片特性一、电阻应变片的种类电阻应变片品种繁多,形式多样。但常用的应变片可分为两类:金属电阻应变片和半导体电
5、阻应变片。金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成,如图3-2所示。敏感栅是应变片的核心部分,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。金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅,其厚度一般在0.003～0.01mm。其优点是散热条件好,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。薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅,最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大,允许电流密度大,工作
6、范围广。半导体应变片是用半导体材料制成的,其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时,其电阻率ρ发生变化的现象。半导体应变片受轴向力作用时,其电阻相对变化为（3-10）式中Δρ/ρ为半导体应变片的电阻率相对变化量,其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力关系为（3-11）式中:π——半导体材料的压阻系数。将式（3-11）代入式（3-10）中得（3-12）实验证明,πE比（1+2μ）大上百倍,所以（1+2μ）可以忽略,因而半导体应变片的灵敏系数为Ks=（3-13）半导体应变片突出优点是灵敏度高,比金属
7、丝式高50～80倍,尺寸小,横向效应小,动态响应好。但它有温度系数大,应变时非线性比较严重等缺点。二、横向效应当将图3-3所示的应变片粘贴在被测试件上时,由于其敏感栅是由n条长度为l1的直线段和（n-1）个半径为r的半圆组成,若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变εx时,则各直线段的电阻将增加,但在半圆弧段则受到从+εx到-μεx之间变化的应变,圆弧段电阻的变化将小于沿轴向安放的同样长度电阻丝电阻的变化。综上所述,将直的电阻丝绕成敏感栅后,虽然长度不变,应变状态相同,但由于应变片敏感栅的电阻变化较小,因而其灵敏系数K较电阻丝的灵敏系数K0小,这种现象称
8、为应变片的横向效应。当实际使用应变片的条件与其灵敏系数K的标定条件不同时,如μ≠
