第3章B应变式传感器技巧.ppt

1 电阻应变片的工作原理 2 电阻应变片的特性 3 电阻应变片的测量电路 4 应变式传感器的应用 ; 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。 ;1 电阻应变片的工作原理; 金属丝在未受拉力时, 原始电阻值为R0= 其中，ρ——电阻丝的电阻率;  L——电阻丝的长度;  A——电阻丝的截面积。 ;当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长ΔL, 横截面积相应减小ΔA, 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： ;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;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，即单位应变所引起的电阻相对变化量, 其表达式为;对于受力后材料的电阻率发生的变化, 即(Δρ/ρ)/ε，考虑如下， 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, 对半导体材料的((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, 可得应力值σ为： σ=E·ε  其中，σ——试件的应力; ε——试件的应变;  E——试件材料的弹性模量。 应变片测量应变的基本原理即，应力值σ正比于应变ε, 同时试件应变ε正比于电阻值的变化, 所以应力σ正比于电阻值的变化。;2 电阻应变片的特性;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???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。 ;丝式应变片：回线式应变片，短接式应变片;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。其优点是应变灵敏度系数大, 允许电流密度大, 工作范围广。 但目前实际使用中的主要问题，是尚难控制其电阻对温度和时间的变化关系。;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。  所有材料这某种程度都会呈现压阻效应，但半导体的这种效应特别显著，能直接反映出很微小的应变。 半导体应变片受轴向力作用时, 其电阻相对变化为;半导体应变片受轴向力作用时, 其电阻相对变化为;其中，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 ;实验证明, πE比（1+2μ）大上百倍, 因此可定义半导体应变片的灵敏系数为：;小结： 1）敏感栅 细丝直径一般为0.015~0.05mm。电阻值为60Ω、120 Ω、200 Ω等规格。栅长有100mm、200mm、1mm、0.5mm、0.2mm等规格。 2）基底和盖片 对于基底要求能可靠地传递应变。 3）粘结剂 用于将敏感栅规定到基底上并将盖片与基 底粘结在一起。 使用应变片时还须将应变片粘结到构件表面。 4）引线 电阻率低、电阻温度系数小、易于焊接、抗氧化。;（二）横向效应 如下图所示的应变片粘贴在被测试件上时, 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。;因此，将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，但应变状态不同, 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