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第3章?应变和力的测量 应变的测量广泛应用在某些其它物理量如力、力矩、压力、功率等，这些物理量多数情况下可先将其转变成应变或力的测试，然后再转换成力矩、压力、功率等物理量。 测量应变传感器：金属应变片、半导体应变片（属电阻式传感器） 测量力传感器：压电式力传感器 变阻器式传感器 原理：把被测的量转换成电阻变化。主要是通过改变导体的长度改变电阻值。 被测量：线位移、角位移 电阻应变式传感器工作原理 电阻应变式传感器的敏感元件，它感受力的变化，将力转换成应变值（以虎克定律为基础）。 应变的定义 应变? 是此导体受拉、压后的长度变化率，即应变。 应变? 是一个无量纲的数，常以10-6=1?? 作为度量单位，如1000?? 称为应变量等于1000微应变，值为：1000×10-6。 电阻应变片 应变式传感器 金属应变片 金属丝式应变片 金属箔式应变片 半导体应变片 原理：被测量变化引起电阻长度、电阻率、截面积，均可改变电阻值。 应变片测量原理 测量原理： 根据欧姆定律： ρ——电阻率（Ω·m m2/m） l ——电阻丝长度（m） A ——电阻丝截面积（m m2） 电阻的变化： 金属应变片的分类 应变片测量原理 根据材料力学推导： ε——应变 ν——材料的泊松比 λ——材料的压阻系数 E ——材料的弹性模量 S ——灵敏度 电阻应变片原理 金属应变片：电阻应变效应 金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化的现象，称为电阻应变效应。 半导体应变片：压阻效应 固体半导体材料的电阻率因外力作用发生显著变化，这种效应称作压阻效应。 应变式传感器特点： 优点：灵敏度高、机械滞后小、测量范围大、频响范围宽。 缺点：稳定性差、灵敏度分散性大、非线性误差大 。 被测量：应变、力 应变片影响因素 金属应变片电阻相对变化率主要由几何因素影响， 即受长度和截面积影响，灵敏度为1.7～3.6 。 半导体应变片电阻相对变化率主要由物理因素影响， 即受电阻率影响，灵敏度为75～150 。 半导体电阻应变片 金属电阻应变片工作性能稳定、精度高、应用广泛，至今还在不断改进和开发新型应变片，以适应工程应用的需要，但其主要缺点 是灵敏系数小，一般为2～4； 为了改善以上不足，60年代后相继开发出多种类型的半导体电阻应变片，其灵敏度可达金属应变片的50～80倍，且尺寸小、机械滞后小，更适用于动态测量。 压阻效应 沿着半导体某晶向施加一定的压力而使其产生应变时，其电阻率将随应力改变而变化，这种现象称之为半导体的压阻效应。 不同类型的半导体，其压阻效应不同；同一类型的半导体，受力方向不同，压阻效应也不同。 用于制作半导体应变片的材料有硅、锗、锑化铟、磷化镓等，但目前一般用硅和锗的杂质半导体。硅和锗在不同晶向下具有不同的压阻效应。 半导体应变片的基本结构 半导体应变片由基片、敏感栅和电极引线等部分组成。敏感栅由硅或锗条构成，内引线是连接敏感栅和电极的金属线，基片是绝缘胶膜，带状电极引线一般由康铜箔制成。 半导体电阻应变片的主要缺点是温度稳定性差，测量较大应变时非线性严重，在应用时要采取相应的温度补偿和非线性校正措施。 应变片应用 应变式测力与称重传感器 悬臂梁式传感器 等截面梁 等强度梁 应变式加速度传感器 电阻式传感器后续处理电路 后续处理电路： 直流电桥 四个桥臂组成电桥 供电电压为直流 各桥臂为纯电阻 电桥的作用： 放大信号 把电阻量转化为电压量 电桥平衡条件 直流电桥平衡条件：输出电压为零。 即： 电桥和差特性 通常取以下值时，电桥自然平衡： 电桥和差特性： 电桥相对桥臂对输出的影响是相同的； 电桥相邻桥臂对输出的影响是相反的。 电桥和差特性 相对桥臂 R1增大 Uout增大 R3增大 Uout增大 相邻桥臂 R1增大 Uout增大 R2增大 Uout减少 电桥和差特性 如Uin=10V 当R1=R2=R3=R4=5Ω， Uout=0V 当R1=6Ω，R2=4Ω， Uout=6-5=+1V 当R3=6Ω，R4=4Ω， Uout=5-4=+1V 电桥接法 电桥的输出 半桥单臂 电桥接法 半桥双臂（差动电桥） 电桥接法 全桥 应变片的全桥贴法 根据电桥的和差特性 R1和R3接入相对桥臂 R2和R4接入相对桥臂 R1和R2接入相邻桥臂 R3和R4接入相邻桥臂 所以接成全桥形式 应变片测量系统 应变片测量系统由两个环节组成 应变式传感器 直流电桥处理电路 电桥的灵敏度 电桥灵敏度比较 单臂 双臂 全桥 结论 全桥 灵敏度 最高 单臂 灵敏度 最低 半桥单臂应变片的温度补偿 电阻应变片由于环境温度改变而产生电阻变化引起误差 称温度误差，需进行补偿。 补偿方法：采用两个应变片接成