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第5章 电阻应变式传感器 学习要点： 1.掌握传感器的工作原理及性能 2.了解传感器的结构、种类 3.掌握测量电路及其补偿方法 4.掌握应变片的布置及接桥方式 5.了解传感器的应用 电阻应变式传感器的基本原理是将被测非电量转换成与之有确定对应关系的电阻值，再通过测量此电 阻值达到测量非电量的目的。 一、工作原理及结构参数 1. 电阻应变片的工作原理 电阻应变片分为金属电阻应变片和半导体应变片。金属电阻应变片的工作原理是基于导体材料的“电 阻应变效应”，半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的“压阻效应”。 当电阻丝受到拉伸或压缩时，其几何尺寸和电阻值同时发生变化，电阻的相对变化为 ρρ+εμ+=d)21( RdRx 对于金属材料来说，电阻应变效应是主要的。由于压阻系数很小，电阻率的变化可以忽略不计，所以 有 x)21( RdRεμ+= 其灵敏度 0/12xdRRSμε==+ 对于半导体材料来说，其压阻效应远大于其应变效应，所以有 xLEdRdRεπρρ== 其灵敏度 ERdRSLxπε==0 和金属电阻应变片相比，半导体应变片具有灵敏度系数大，横向效应小，机械滞后小，尺寸小等优点， 但是，半导体应变片多数用薄硅片制成，容易断裂，其测试时的可测应变范围通常限制在3000με左右， 而金属电阻应变片的可测应变值达40000με。另外，半导体应变片的温度稳定性差，测量较大应变时非 线性严重，所以其应用仍然受到一定的限制。  当同样长度的线材制成金属电阻应变片时，试件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，同时敏感栅半圆 弧部分产生的横向应变也将使其电阻发生变化。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。横向效应的存在使得在测量纵向应变时，圆弧部分产生了一个负的电阻 变化，从而降低了应变片的灵敏度系数。 减小横向效应的措施主要有：1）按标称灵敏度系数的测定条件使用；2）减小横向效应系数C，采用 短接措施或采用箔式应变片；3）针对实际情况，重新标定在实际使用的应变场下，应变片的应变灵敏度 系数。 2. 电阻应变片的种类及材料 1） 金属电阻应变片 金属电阻应变片有丝式、箔式及薄膜式等结构形式。 2） 半导体应变片 半导体应变片分为体型和扩散型两大类。 二、测量电路及温度补偿 1. 测量电路 电阻应变片的应变量及其电阻的变化一般都很微小。为了便于传输、显示和记录，必须经过测量电路， 把电阻的变化转换成电压或电流的变化。在这里我们主要介绍的是直流电桥电路。 直流电桥电路具有和差特性，即：1）若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输 出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性相反，则输出电压为两者之和。2） 若相对两桥臂的应变极 性一致，则输出电压为两者之和；反之为两者之差。利用电桥的和差特性 ，可以提高电桥灵敏度，获得 温度补偿，并消除非测量载荷的影响。 2. 温度误差及补偿 应变片测量过程中，其电阻值不仅随应变而变，同时还受温度的影响，产生温度误差。要消除温度误 差，必须采取温度补偿措施。 温度补偿的方法主要有三种：自补偿法、桥路补偿法和热敏电阻补偿法。自补偿法是通过精心选配敏 感栅材料与结构参数来实现温度补偿。桥路补偿法是利用电桥的和差特性来达到补偿的目的。热敏电阻补 偿法则是在电桥输出端接入热敏元件，处在于应变片相同的温度条件下。温度升高时，一方面应变片的灵 敏度下降，另一方面热敏电阻的阻值也下降，于是电桥的输出电压增加，导致电桥的输出增大，补偿了由 于应变片受温度影响引起的输出电压的下降。 3. 电阻应变片的布置和接桥方式 电阻应变片的布置和接桥方式应遵循的原则是： 1. 为获得最大输出，应将应变片布置在弹性元件产生应变最大的位置，并沿主应力方向贴片，同时 避开非线性区。 2. 为获得最大灵敏度，应利用电桥的和差特性，同时排除非待测力的影响并进行温度补偿。  三、 电阻应变式传感器的应用 电阻应变片可直接用于测定结构件的应变或应力，也可将应变片粘贴在测力环、悬臂梁、扭力杆等弹 性元件上，作为测量力、位移、扭矩、压力、加速度等物理参数的传感器。 习题与思考题 一、选择与填空题 1. 半导体应变片主要是利用半导体材料的 。 A．形变 B．电阻率的变化 C．弹性模量的变化 D．泊松比 2. 电阻应变片的灵敏度为 。 A．应变片电阻丝的电阻变化率与应变值之比 B．应变片