第五章电阻式传感器.docx

百度文库 百度文库 PAGE PAGE # 百度文库 百度文库 PAGE PAGE # 第五章电阻式传感器 金属应变式传感器 半导体压阻应变式传感器 / 测量电路 \ 原理 电阻式传感器的基本原理将被测量的变化转换成传感器元件电阻值 的变化，再经过转换电路变成点信号输出。常用来测量力、压 力、位移、应变、扭矩、加速度等。应变式传感器基本上是利用金属 的电阻应变效应将被测量转换为电量输出的一种传感器。传感 元件有应变片、半导体膜片、电位器等。由它们分别制成了应变式传 感器、压阻式传感器、电位器式传感器等 §金属应变式传感器 5.1.1工作原理 5.1.2应变片的基本结构和测量原理 \ 5.1.3电阻应变片的主要特性 § 5.1.1 工作原理：导体或半导体材料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 ”。设有一段长为。 设有一段长为I,截面积为A，电阻率为，电阻率为p的导体（如金属 丝），它具有的电阻为： R=pl （5— 1） 式中：p —电阻丝的电阻率； I—电阻丝的长度； A —电阻丝的截面积。 \ 当它受到轴向力F而被拉伸（或压缩）时，其I、A和p均发变化，导体 的电阻随之发生变化，电阻相对变化率推导为： 对（5— 1）两端取对数得： In R =ln p +ln I -In A 等式两边微分有:(5-2)材料的轴向线应变 等式两边微分有: (5-2) 材料的轴向线应变 dl ￡ =—— I dA 宀 dr —=2— A r / (5-3) \ 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 dr dl (5— 4) □为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反，则 学(1 + 2?)牛+虫R L p 学(1 + 2?)牛+虫 R L p (5 — 5) 应变灵敏系数: ” dR (dL K = —— /—— s R L ” c 、 dp = (1 + 2 #) /— p L = (l + 2“)+^^ ￡ (5— 6) （1+ 2卩） 决定于导体几何形状发生的变化 dp{ p s 金属导体应变灵敏系数，物理含义:（压阻效应） 金属导体应变灵敏系数，物理含义: 是单位纵向应变引起电阻的相对变化量。 是单位纵向应变引起电阻的 相对变化量 dR ” dL ” ——=匕它——=K& R s L s /(5-7) 或 百度文库 百度文库 PAGE PAGE # 百度文库 百度文库 1% PAGE 1% PAGE # / \ Ks还与敏感栅的横向效应、粘结剂及粘粘结剂及粘贴工艺等诸多因 素有关。电阻应变片灵敏系数略小于系数略小于 Ks。 § 5.1.2 1.应变计的结构主要有丝式、箔式和半导体等三种箔式(c)半导体 1.应变计的结构 主要有丝式、箔式和半导体等三种 箔式 (c) 半导体 1—基底2 —敏感栅3 —盖层4 —引线 图 典型应变计的结构型式 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~ 0.04mm 敏感栅 应变计中实现应变-电阻转换的敏感元件。其电阻值 一般在100 Q以上 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 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。 丝式应变片-敏感栅材料为直径约为 0.025mm勺高电阻率的电阻应变 丝，弯成栅状电阻体，粘结在绝缘基片和覆盖片之间。 箔式应变片：利用照像制板或光刻腐蚀技术，将电阻箔材(厚度为 1 -10微米)做在绝缘基底上，制成各种形状的应变片。具有尺寸准确， 线条均匀，适合不同的测量要求，传递试件应变性能好，横向效应小， 散热性能好，允许通过的电流较大，易于批量生产等诸多优点。应用 较多，已经基本取代了丝式应变片。 2.测量原理 用应变片测量时，将其粘贴在被测对象表面上。当被测对象受力 变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化， 通过转换电路转换为电压或电流的变化， 这是用来直接测量应变。 通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量 转换为应变，则可用应变片测量上述各量，而做成各种应变式传 感器。 应变片之所以应用得比较广泛，是由于它有如下的优点： 测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，可测，误差小于 应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快。测 量时对被测件的工作状态和应力分布基本上无影响。既可用于静 态测量，又可用于动态测量。 测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围 可从 1%- 2% '\ 适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射 等恶劣环境下使用。 便于多点测量、