電阻應(yīng)變式傳感器的基本原理、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

1、、原理由歐姆定律知，對(duì)于長(zhǎng)為J、截面積為 V、電阻率為 以的導(dǎo)體，其電阻若:'、 以和 八均發(fā)生變化，則其電阻也變化，對(duì)上式全微分，有熾三色戰(zhàn)-氏dA十三HpA2 A設(shè)半徑為 ”的圓導(dǎo)體， & =十'，代入上式，電阻的相對(duì)變化為因?yàn)閯tdR .GE 2dr dpRr p1十2卩十2F)£式中三一一導(dǎo)體的縱向應(yīng)變。其數(shù)值一般很小，常以微應(yīng)變?nèi)攘?1 歸=10 6 占；v材料泊桑比，一般金屬"=0.3-0.5 ；幾 壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān);E 材料的彈性模量。上式中，'表示幾何尺寸變化而引起電阻的相對(duì)變化量;；'：S三表示由于材料電阻率的變

2、化而引起電阻的相對(duì)變化量。不同屬性的導(dǎo)體，這兩項(xiàng)所占的比例相差很大。若定義導(dǎo)體產(chǎn)生單位縱向應(yīng)變時(shí)，電阻值相對(duì)變化量為導(dǎo)體的靈敏度系數(shù), 則=(1十莎十JLE顯然，SS愈大，單位縱向應(yīng)變引起的電阻值相對(duì)變化愈大，說(shuō)明應(yīng)變片 愈靈敏。可用不同的導(dǎo)體材料制成應(yīng)變片，目前主要有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變 片兩類(lèi)。、金屬電阻應(yīng)變片1 .結(jié)構(gòu)形式原理：對(duì)于金屬電阻應(yīng)變片，材料電阻率隨應(yīng)變產(chǎn)生的變化很小，可忽略，得:選用應(yīng)變片時(shí)，要考慮應(yīng)變片的性能參數(shù)，主要有：應(yīng)變片的電阻值、靈敏度、允許電流和應(yīng)變極限等。市售金屬電阻應(yīng)變片的電阻值已趨于標(biāo)準(zhǔn)化，主要規(guī)格有60Q、120Q、350 Q600Q和1000Q 等

3、，其中120Q用得最多。應(yīng)變片產(chǎn)品包裝上標(biāo)明的”標(biāo)稱(chēng)靈敏系數(shù)”，出廠(chǎng)時(shí)測(cè)定的該批產(chǎn)品的平均靈敏度系數(shù)值。2.其他結(jié)構(gòu)形式三、半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu)形式1滋17 半導(dǎo)體爾空片的秸搗弊朮對(duì)于半導(dǎo)體應(yīng)變片，幾何尺寸變化引起的電阻變化遠(yuǎn)小于由材料電阻率變化引起的電阻變 化，前者可忽略不計(jì)，可得dR從而可得半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度系數(shù)為g =粗半導(dǎo)體應(yīng)變片的最突出優(yōu)點(diǎn)是靈敏度大，S可達(dá)60150,能直接與記錄儀器連接而不需放大器，使測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)化。此外，其橫向效應(yīng)小，機(jī)械滯后小和體積小。缺點(diǎn)是電阻值和靈敏度的溫 度穩(wěn)定性差。當(dāng)應(yīng)變較大時(shí)，非線(xiàn)性嚴(yán)重。由于受晶向、雜質(zhì)等因素影響，靈敏度分散度 大。學(xué)習(xí)時(shí)注意觀察應(yīng)變片粘

4、貼的位置及方向。四、應(yīng)用1 . BLR-1拉壓力傳感器被測(cè)外力通過(guò)螺紋作用在彈性圓筒上，圓筒變形，應(yīng)變 片電阻變化，接線(xiàn)座將信號(hào)引出。其電阻的變化與被測(cè)外力成正比。2 .應(yīng)用電阻應(yīng)變片通過(guò)不同的彈力體來(lái)測(cè)力。(1柱式ttK：憚怦體分尖廿柿空心赳鐘尖t関柑小氏哽牧扎切那叩也 帽橫向別廃丄樓宦性好.彈性體分實(shí)心和空心兩種，實(shí)心圓柱可承受較大負(fù)荷心圓筒橫向剛度大，穩(wěn)定性好(2環(huán)式在外力作用下，各點(diǎn)的應(yīng)力差別較大.線(xiàn)性誤差和滯后誤 差較小.(3雙端固定梁式這種結(jié)構(gòu)當(dāng)梁受力過(guò)載時(shí)容易產(chǎn)生非線(xiàn)性誤差梁和殼體一般是做成一體，避免兩固定端在工作過(guò)程中可能滑動(dòng)而產(chǎn)生誤差(4懸臂梁式這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容

5、易、應(yīng)變片容易粘 貼、靈敏度度較高等特點(diǎn)2.電阻應(yīng)變式位移傳感器 圖示將應(yīng)變片貼在西、懸臂梁（彈性元件上，當(dāng)被測(cè)物移動(dòng) 測(cè)桿移動(dòng)，拉簧伸長(zhǎng)，使懸臂梁變形，從而引起應(yīng)變片電阻發(fā)生變化這種方法可用于測(cè)力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)。電阻式傳感器種類(lèi)繁多，應(yīng)用廣泛，其基本原理就是將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換成電 阻值的變化，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路顯示或記錄被測(cè)量值的變化。9.2.1電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器是基于測(cè)量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的一種傳感器，最常用的傳感 元件為電阻應(yīng)變片。丿應(yīng)用范圍：可測(cè)量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)。J應(yīng)變式傳感器特點(diǎn) 精度高，測(cè)量范圍廣; 使用壽命長(zhǎng)，性能穩(wěn)定可靠

6、； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕； 頻率響應(yīng)較好，既可用于靜態(tài)測(cè)量又可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量； 價(jià)格低廉，品種多樣，便于選擇和大量使用。1、應(yīng)變式傳感器的工作原理（1金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形（伸長(zhǎng)或縮短的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱(chēng)為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。公式推導(dǎo):斷=國(guó)星=（1十2#）4她 若金屬絲的長(zhǎng)度為L(zhǎng),截面積為S,電阻率為P其未受力時(shí)的電阻為R,則:(9.1如果金屬絲沿軸向方向受拉力而變形，其長(zhǎng)度 L變化dL,截面積S變化dS，電 阻率p變化-，因而引起電阻R變化dR。將式（9.1微分，整理可得：dR dL dS dp心 c(9.2對(duì)于圓形截面有:

7、(9.3為金屬絲軸向相對(duì)伸長(zhǎng)，即軸向應(yīng)變；而則為電阻絲徑向相對(duì)伸長(zhǎng)，即徑向應(yīng)變，兩者之比即為金屬絲材料的泊松系數(shù)卩，負(fù)號(hào)表示符號(hào)相反，有dr(9.9將式（9.9代入（9.3得:(9.5將式（9.5代入（9.2，并整理得:(9.7K0稱(chēng)為金屬絲的靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化。K0稱(chēng)為金屬絲的靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化。 公式簡(jiǎn)化過(guò)程：禺=遇貨=1 + 2毋+坐爬一由式可以明顯看出，金屬材料的靈敏系數(shù)受兩個(gè)因素影響：一個(gè)是受力后材料的幾何尺寸變化所引起的，即項(xiàng)；另一個(gè)是受力后材料的電阻率變化所引起的，即項(xiàng)。對(duì)于金屬材料項(xiàng)比項(xiàng)小得多。大量實(shí)驗(yàn)表明，在電阻

8、絲拉伸比例極限范圍內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與其所受的軸 向應(yīng)變是成正比的，即K0為常數(shù)，于是可以寫(xiě)成：-:-：(9.8通常金屬電阻絲的K0=1.74.6通常金屬電阻絲的K0=1.74.6(2應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)l稱(chēng)為柵長(zhǎng)(標(biāo)距，b稱(chēng)為柵寬(基 寬，b *稱(chēng)為應(yīng)變片的使用面積。應(yīng)變 片的規(guī)格一般以使用面積和電阻值表 示，女口 3>20mm2，120Q。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介>>電阻絲應(yīng)變片是用直徑為 0.025mm具有高電阻率 的電阻絲制成的。為了獲得高的阻值，將電阻絲排 列成柵狀，稱(chēng)為敏感柵，并粘貼在絕緣的基底上。 電阻絲的兩端焊接引線(xiàn)。敏感柵上面粘貼有保護(hù)作 用的覆蓋層。應(yīng)變式傳感器是將應(yīng)變片粘貼于彈性體表面或者直接將應(yīng)變片粘貼