傳感器與檢測(cè)技術(shù)2.1 應(yīng)變式傳感器-1

第2章電阻式傳感器原理與應(yīng)用2.1應(yīng)變式傳感器2.1.1

金屬電阻應(yīng)變片的工作原理2.1.2

電阻應(yīng)變片的特性2.1.3

電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路2.1.4

電阻應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用2.2壓阻式傳感器2.2.1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)2.2.2體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片2.2.3擴(kuò)散型電阻式壓力傳感器2.2.4壓阻式加速度傳感器2.2.5測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償上一頁返回下一頁2.1應(yīng)變式傳感器2.1.1工作原理2.1.2金屬應(yīng)變片的主要特性2.1.3測(cè)量電路2.1.4應(yīng)變式傳感器應(yīng)用2.1.1工作原理1.金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí) 其電阻值將發(fā)生變化F

Δl、ΔA、ΔρΔR電阻的靈敏系數(shù)對(duì)于半徑為r的圓導(dǎo)體，A=πr2，ΔA/A=2Δr/r又由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，

ε為導(dǎo)體的縱向應(yīng)變，其數(shù)值一般很小，常以微應(yīng)變度量；μ為電阻絲材料的泊松比，一般金屬μ=0.3~0.5；λ為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)；σ為應(yīng)力值；E為材料的彈性模量；金屬電阻的靈敏系數(shù)材料的幾何尺寸變化引起的材料的電阻率ρ隨應(yīng)變引起的（壓阻效應(yīng)）金屬材料：k0以前者為主，則k0≈1+2μ=1.7~3.6半導(dǎo)體：k0值主要是由電阻率相對(duì)變化所決定2.應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類敏感柵直徑為0.025mm左右的合金電阻絲絲繞式基底絕緣覆蓋層保護(hù)位移、力、力矩、加速度、壓力彈性敏感元件

應(yīng)變外力作用被測(cè)對(duì)象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形應(yīng)變片敏感柵隨同變形電阻值發(fā)生相應(yīng)變化應(yīng)變片應(yīng)變片的類型和材料金屬絲式

金屬箔式

金屬薄膜式

回線式短接式金屬絲式應(yīng)變片

金屬電阻絲應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)1-基片；2-電阻絲；3-覆蓋層；4-引出線金屬電阻應(yīng)變片，材料電阻率隨應(yīng)變產(chǎn)生的變化很小，可忽略應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變片縱向應(yīng)變成正比，并且對(duì)同一電阻材料，

K0=1+2μ是常數(shù)。其靈敏度系數(shù)多在1.7～3.6之間。金屬箔式應(yīng)變片在絕緣基底上，將厚度為0.003～0.01mm電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀箔式應(yīng)變片優(yōu)點(diǎn)：（1）尺寸準(zhǔn)確，線條均勻，適應(yīng)不同的測(cè)量要求，

（2）可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵（3）與被測(cè)試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。散熱條件好，允許電流大，靈敏度提高。（4）橫向效應(yīng)可以忽略。（5）蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長。

缺點(diǎn)：電阻值的分散性大阻值調(diào)整金屬薄膜應(yīng)變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1μm以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，再加上保護(hù)層，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)問題：難控制電阻與溫度和時(shí)間的變化關(guān)系2.1應(yīng)變式傳感器2.1.1工作原理2.1.2金屬應(yīng)變片的主要特性2.1.3測(cè)量電路2.1.4應(yīng)變式傳感器應(yīng)用2.1.2金屬應(yīng)變片的主要特性

（一）靈敏系數(shù)（二）橫向效應(yīng)（三）溫度誤差及其補(bǔ)償應(yīng)變片的電阻值R應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力情況下，于室溫下測(cè)得的電阻值電阻系列：60、120、200、350、500、1000Ω

可以加大應(yīng)變片承受電壓，電阻值大輸出信號(hào)大，敏感柵尺寸也增大

（一）靈敏系數(shù)“標(biāo)稱靈敏系數(shù)”：受軸向單向力（拉或壓），試件材料為泊松系數(shù)μ=0.285的鋼等。一批產(chǎn)品中只能抽樣5％的產(chǎn)品來測(cè)定，取平均值及允許公差值。電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k<電阻絲的靈敏系數(shù)k0

粘結(jié)層傳遞變形失真還存在有橫向效應(yīng)原因：

（二）橫向效應(yīng)敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成直線段：沿軸向拉應(yīng)變?chǔ)舩，電阻圓弧段：沿軸向壓應(yīng)度εy

電阻K(箔式應(yīng)變片)lεyεxεy橫向效應(yīng)應(yīng)變片的橫柵部分將縱向絲柵部分的電阻變化抵消了一部分，從而降低了整個(gè)電阻應(yīng)變片的靈敏度，帶來測(cè)量誤差，其大小與敏感柵的構(gòu)造及尺寸有關(guān)。敏感柵的縱柵愈窄、愈長，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應(yīng)的影響愈小。（三）溫度誤差及其補(bǔ)償1、試件材料的線膨脹引起的誤差。當(dāng)溫度變化△t時(shí)，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片將產(chǎn)生附加拉長（或壓縮），引起的電阻相對(duì)變化。（三）溫度誤差及其補(bǔ)償2、敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。當(dāng)環(huán)境溫度變化△T時(shí)，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為，則引起的電阻相對(duì)變化為其中相應(yīng)的虛假應(yīng)變輸出為可得由于溫度變化而引起的總電阻變化為溫度補(bǔ)償

單絲自補(bǔ)償法自補(bǔ)償法組合式自補(bǔ)償法線路補(bǔ)償法〔電橋補(bǔ)償法、熱敏電阻〕溫度補(bǔ)償①電橋補(bǔ)償法U0R1R4R3URbFFR1Rb電橋補(bǔ)償法優(yōu)點(diǎn)： 簡(jiǎn)單、方便，在常溫下補(bǔ)償效果較好缺點(diǎn)： 在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致的情況，因而影響補(bǔ)償效果。②應(yīng)變片的自補(bǔ)償法粘貼在被測(cè)部位上的是一種特殊應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒@種應(yīng)變片稱為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。利用這種應(yīng)變片來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǚQ為應(yīng)變片自補(bǔ)償法。a.選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片b.雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片a.選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片優(yōu)點(diǎn)：容易加工，成本低，缺點(diǎn)：只適用特定試件材料，溫度補(bǔ)償范圍也較窄。由式(2.1.16)可知，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)臈l件為當(dāng)被測(cè)試件的線膨脹系數(shù)βg已知時(shí)，通過選擇敏感柵材料，使下式成立

(2.1.21)

即可達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹1R2組合自補(bǔ)償法b.雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成

選用兩者具有不同符號(hào)的電阻溫度系數(shù)調(diào)整R1和R