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第2章 应变电阻传感器 本章主要内容： 1、电阻应变片的工作原理 2、电阻应变片的种类及特点 3、电阻应变传感器测量电路 4、电阻应变传感器命名与选择 5、电阻应变传感器应用 2.1电阻应变片的工作原理 电阻应变片简称应变片，是一种能将试件上的应变变化转换成电阻变化的传感元件，其转换原理是基于金属电阻丝的电阻应变效应。 电阻应变效应是指金属导体（电阻丝）的电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改变的一种物理现象。 原因：因为金属丝的电阻和材料的电阻率与其几何尺寸有关，而金属丝在承受机械变形的过程中，它们都要发生变化，因而引起金属丝的电阻变化。 一、电阻应变效应现象观察 设有一段长为L，截面积为A，电阻率为ρ的导体(如金属丝)，它具有的电阻为 根据材料力学的知识，杆件在轴向受拉或受压时，其纵向应变e与横向应变e r的关系 式中 e ——金属丝材料的纵向应变 e r——金属丝材料的横向应变 m ——为金属材料的泊松比 金属丝电阻率的相对变化与其轴向所受应力s 有关，即 式中：E ——金属丝材料的弹性模量 l ——压阻系数，与材料有关 dr/r —金属丝电阻率的相对变化量 由式子可知电阻相对变化量是由两方面的因素决定的。 一是由金属丝几何尺寸的改变而引起，即（l+2m）项；另一是材料受力后，材料的电阻率r 发生变化而引起，即lE项。 对于特定的材料，（l+2m+lE）是一常数，因此，式子所表达的电阻丝电阻变化率与应变成线性关系，这就是电阻应变计测量应变的理论基础。 2.2电阻应变片的种类(自学了解) 2.2.1 应变片的基本结构 2.2.2 电阻应变片的种类 2.2.3 电阻应变片的选用及命名规则 金属箔式应变片的外形 半导体应变片的外形 2.3 测量电路 电阻应变计把机械应变信号转换成电阻后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路或仪器，把应变计的电阻变化转换成电压或电流变化。通常采用电桥电路实现这种转换。根据电源的不同，电桥分直流电桥和交流电桥。 2.3.1直流电桥 1.直流电桥工作原理及平衡条件 直流电桥平衡条件： R1R4=R2R3 相邻两臂电阻的比值应相等, 或相对两臂电阻的乘积相等。 电桥的种类： 2.直流电桥输出电压灵敏度(以单桥为例分析) 定义为单臂工作应变片电桥输出电压灵敏度，其物理意义是，单位电阻相对变化量引起电桥输出电压的大小。 提高灵敏度的措施： 1.电桥电源电压越高，输出电压的灵敏度越高。但提高电源电压使应变片和桥臂电阻功耗增加，温度误差增大。一般电源电压取3～6V为宜。 2.桥臂比n取何值使KV最大？KV是n的函数，取dKV/dn = 0时有KV最大值。 3.输出电压非线性误差 电桥的非线性是指电桥的输出电压不与应变片的应变成正比。 上面在讨论电桥的输出特性时，应用了近似条件，才得出线性关系。单桥输出电压的精确值为: 按幂级数展开 利用非线性误差的表达式，可以按照测量要求所允许的最大非线性误差来选择应变片或确定应变片的最大测量范围。 对于一般应变片来说, 所受应变ε通常在5×10-3以下, 若取K=2, 则ΔR/R=Kε=0.01, 代入式计算得非线性误差为0.5%; 若K=130, ε=1×１0-3时, ΔR1/R1=0.13, 则得到非线性误差为6.5%, 故当非线性误差不能满足测量要求时, 必须予以消除。 因为：非线性误差不得大于仪器仪表的最大允许误差。 一般消除非线性误差的方法有以下几种： 1）.采用差动电桥 （半桥或全桥）