第3章电阻应变片式传感器1

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1、第3章应变式传感器教师：郑一力办公室：森工楼423E-mail：zhengyili0620@gmail.comtel:13811762730or62337736-423例：取一根细电阻丝，两端接上一台3位半位数字式欧姆表（分辨率为1/2000），记下其初始阻值（图中为10.01）。当我们用力将该电阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加（图中增加到为10.05）。测量应力、应变、力的传感器就是利用类似的原理制作的。电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。传感器由在弹性元件(被测对象)上粘贴电阻应变片构成。当被测物理量作

2、用在弹性元件上时,弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。主要内容3.1工作原理3.2电阻应变片种类、材料及粘贴3.3电阻应变片特性3.4电阻应变片的测量电路3.5应变式传感器的典型应用3.1　工作原理应变物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象弹性应变当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变弹性元件具有弹性应变特性的物体应变传感器在承重梁上电阻应变片的种类电阻应变片品种繁多,形

3、式多样。常用的应变片可分为两类:金属电阻应变片和半导体电阻应变片。应变效应分析电阻应变片的工作原理是基于应变效应应变效应：即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：图3-1金属电阻丝应变效应金属丝受拉力后几何尺寸伸长,这时电阻变化多少呢？当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了Δρ，从而引起电阻值变化量为:式中：dl/l——长度相对变化量，用应变ε表示为电阻相对变化量：dA/

4、A——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2πrdr，则材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短。轴向应变和径向应变的关系可表示为μ为材料的泊松比，负号表示与应变方向相反。推得：定义：电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为灵敏系数K0受两个因素影响一是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（dρ/ρ）/ε。对金属材料：1+2μ＞＞(dρ/ρ)/ε对半导体材料：(dρ/ρ)/ε＞＞1+2μ很难用解析式描述大量

5、实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。对康铜材料，K≈1.9~2.1；对镍铬合金材料，K≈2.1~2.3；对铂材料，K≈3~5。实验证明，在金属电阻材料中，1+2μ＞＞(dρ/ρ)/ε，所以(dρ/ρ)/ε，因而金属电阻材料的灵敏系数为半导体应变片是用半导体材料制成的,其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时,其电阻率ρ发生变化的现象。半导体应变片受轴向力作用时,其电阻相对变化为半导体应变片半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关：式中：π——半导

6、体材料的压阻系数;σ——半导体材料的所受应变力;E——半导体材料的弹性模量;ε——半导体材料的应变。因此：实验证明，在半导体材料中，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高50～80倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的应用范围受到一定的限制。应变片主要性能指标举例上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？应变片测量原理：在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，贴在对象上的应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得

7、应变片电阻值变化量为ΔR时，便可得到被测对象的应变值，进而得到产生该应变的外力。由此可知,应变力σ正比于应变ε,而试件应变ε正比于电阻值的变化,所以应变力σ正比于电阻值的变化,这就是利用应变片测量应变的基本原理。σ=E·ε根据应变力与应变的关系，得到应变力σ为3.2电阻应变片种类、材料及粘贴电阻应变片的种类电阻应变片品种繁多,形式多样。常用的应变片可分为两类:金属电阻应变片和半导体电阻应变片。金属电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成,如图所示。金属电阻应变片应变片的基本结构金属电阻应变片构成材料敏感栅作用：将应变量转换成电

8、阻量要求：灵敏系数大且稳定，电阻率高，电阻温度系数小，易加工成细丝和箔材，具有良好的焊接性能和抗氧化性能。材料：铜镍合金、镍铬合金等金属电阻应变片构成材料基底作用：保持敏感栅、引线的几何形状及