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1、第二章第二章 应变式传感器应变式传感器本章内容及要求本章内容及要求 电电阻阻应应变变式式传传感感器器传传感感器器的的工工作原理、测量电路、用途和特点。作原理、测量电路、用途和特点。一、工作原理一、工作原理原理：把原理：把被被测量的变化转换为电阻值的变测量的变化转换为电阻值的变 化。化。常用于测量物体的受力和机械常用于测量物体的受力和机械 变形。变形。特点：特点：结构构简单，性能，性能稳定，使用方便。定，使用方便。分辨力低，噪声大分辨力低，噪声大。测量直线位移的电位计测量直线位移的电位计 测量应变的电阻应变片测量应变的电阻应变片 应变式应变式流体压力流体压力传感器传感器金属电阻应变式金属电阻应变
2、式 电阻应变片电阻应变片半导体应变式半导体应变式 电阻丝在外力的作用下发生变形，其电阻丝在外力的作用下发生变形，其电阻值发生变化的现象。电阻值发生变化的现象。（1）应变效应应变效应：导体的电阻率导体的电阻率mm2/m；l：电阻丝的长度电阻丝的长度mF：电阻丝的横截面面积电阻丝的横截面面积mm2。设一根一根电阻阻丝，未受力，未受力时的原始的原始电阻阻值：当受到外力当受到外力F作用，其作用，其R的的变化：化：电阻的相对变化为电阻的相对变化为 纵向应变电阻率相对变化电阻的相对变化为电阻的相对变化为 几何尺寸变化引起几何尺寸变化引起材料导电率因材料导电率因材料变形引起材料变形引起（2）金属）金属电阻阻
3、应变片片 工作原理工作原理 结构结构丝式、箔式丝式、箔式a丝式丝式b箔式箔式通过光刻、腐蚀等工艺制成。通过光刻、腐蚀等工艺制成。c.金属薄膜式金属薄膜式 采用真空蒸镀或溅射式阴极扩采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系片。这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范数，允许电流密度大，工作温度范围较广。围较广。（3）半导体半导体电阻阻应变片片 工作原理工作原理压阻效应压阻效应 单晶半晶半导体材料在沿某一体材料在沿某一轴向受到外力作向受到外力作用用
4、时，其，其电阻率阻率发生生变化的化的现象。象。结构结构半导体敏感栅内引线焊接端外引线胶膜衬底a.体型半导体应变片体型半导体应变片 将半导体材料硅或锗晶体按一定方将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成的片状小条，经腐蚀压焊粘向切割成的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片贴在基片上而成的应变片b.薄膜型半导体应变片薄膜型半导体应变片 利用真空沉积技术将半导体材料沉积利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成在带有绝缘层的试件上而制成.c.扩散型半导体应变片扩散型半导体应变片 将将P型杂质扩散到型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一型硅单晶基底上，形成一层极薄的层极薄的P型导电
5、层，再通过超声波和热压焊法型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。金属应变片材料金属应变片材料灵敏度系数：灵敏度系数：灵敏度系数实测获得，实测条件：试件材料为泊松比0.285的钢材；试件单向受力；应变片轴向与主应力方向一致。二、电阻应变片的主要特性二、电阻应变片的主要特性1 1、主要特性参数、主要特性参数 横向效应：横向变形引起的电阻值横向效应：横向变形引起的电阻值的减小量对于轴向力引起的电阻值的的减小量对于轴向力引起的电阻值的增加量的影响。增加量的影响。绝缘电阻和最大工作电流绝缘电阻和最大工作电流绝缘电阻：引线与试件之间的电
6、阻，绝缘电阻：引线与试件之间的电阻，50-100M最大工作电流：允许通过敏感栅而不最大工作电流：允许通过敏感栅而不影响工作特性的最大电流，静态测量影响工作特性的最大电流，静态测量25mA,动态测量动态测量75-100mA 机械滞后：在一定温度下，在增加和减小机械滞后：在一定温度下，在增加和减小 机械应变过程中同一机械应变机械应变过程中同一机械应变 量下，指示应变的最大差值。量下，指示应变的最大差值。指示应变指示应变机械应变机械应变机械滞后机械滞后温度效应温度效应:由温度引起的由温度引起的虚假应变。虚假应变。2 2应变片的温度误差及其补偿应变片的温度误差及其补偿 （1 1）由温度引起的由温度引起
7、的虚假应变虚假应变a.应变片本身电阻随温度的变化引起：应变片本身电阻随温度的变化引起：R T因温度变化而引起的电阻变化数值因温度变化而引起的电阻变化数值;f应变合金的电阻温度系数。应变合金的电阻温度系数。T温度的变化度数。温度的变化度数。b.b.应变丝与基底线胀系数不一致引起：应变丝与基底线胀系数不一致引起：应变丝由于温度变化引起的相对伸长为应变丝由于温度变化引起的相对伸长为 基底由于温度变化引起的相对伸长为基底由于温度变化引起的相对伸长为 g，b分别为电阻丝与基底的线胀系数，即单位分别为电阻丝与基底的线胀系数，即单位温度变化引起的相对长度变化温度变化引起的相对长度变化 引起一附加应变：引起一
8、附加应变：（2 2）补偿方法）补偿方法 a.a.温度修正法温度修正法:预先作温度预先作温度应变变化曲线，使用时在特定应变变化曲线，使用时在特定温度下查找变化值作相应修正。温度下查找变化值作相应修正。b.b.参数补偿法参数补偿法:局部补偿局部补偿 应变丝由两种应变丝由两种正负正负不同温度系数的材料不同温度系数的材料组组成成。相互补偿法相互补偿法使引起温度误差的两项值总的效果达到抵消。使引起温度误差的两项值总的效果达到抵消。使所选各部分参数满足：使所选各部分参数满足：c.c.电路补偿法电路补偿法 三、电阻应变片的测量电路三、电阻应变片的测量电路直流电桥直流电桥交流电桥交流电桥按激励电压分按激励电压
9、分不平衡电桥不平衡电桥平衡电桥平衡电桥按输出测量方式分按输出测量方式分 一）、直流一）、直流电桥 1 1直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件图图2-1 直流电桥直流电桥 电桥的平衡条件为：电桥的平衡条件为：2 2非平衡电桥非平衡电桥 （1 1）单臂工作电桥）单臂工作电桥 单臂电桥单臂电桥设设R2=R3=R4=R0，R1=R0+R输出电压：输出电压：若若R5的小曲率圆环，可用下面的式（1）及式（2）计算出A、B两点的应变。式中：h圆环厚度；b圆环宽度；E材料弹性模量。这样，测出A、B处的应变，即可得到载荷F。（1）（2）(3).梁式力传感器梁式力传感器 梁式弹性元件有悬臂梁（包括等截面梁和等强度梁）
10、和两端固定梁。（a）等截面梁 (b)等强度梁梁式梁式1n对等截面梁，作用力F与某一位置处的应变关系为 式中,x为距固定梁x端处的应变；S为梁的横截面积；E为梁材料的弹性模量。n等强度梁在自由端加上作用力时，在梁上各处产生的应变大小相等。它的灵敏度结构系数与长度方向的坐标无关。为了保证等应变性，作用力F必须加在梁的两斜边的交汇点T处。等强度梁各点的应变值为 n两端固定梁，中间加载荷，中心处的应变为 梁式梁式2 2、应变式压力传感器、应变式压力传感器 应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力,如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力、枪管及炮管内部的压力、内燃机管道的压
11、力等。应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。下图为膜片式压力传感器，应变片贴在膜片内壁，在压力p作用下，膜片产生径向应变r和切向应变t，表达式分别为 膜片式压力传感器（a）应变变化图;（b）应变片粘贴 根据以上特点，一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片，在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片，然后接成全桥测量电路。式中：p膜片上均匀分布的压力；R,h膜片的半径和厚度；x离圆心的径向距离。由应力分布图可知，膜片弹性元件承受压力p时，其应变变化曲线的特点为：当x=0时，rmax=tmax；当x=R时，t=0，r=-2rmax。例：如图所示，悬臂梁受弯矩例：如图所示，悬臂梁受弯矩M
12、 M的作用，计算出的作用，计算出U U0 0（假定输入假定输入电压为电压为U US S）并分析温度的影响。并分析温度的影响。M1)1)应变片贴在应变极性相同处应变片贴在应变极性相同处 R1 R3M不能进行温度补偿不能进行温度补偿 2)应变片贴在应变极性相反处应变片贴在应变极性相反处可以进行温度补偿可以进行温度补偿 R1 R2 M电桥的和差特性电桥的和差特性相邻相邻桥臂的应变若极性桥臂的应变若极性相同相同时，电桥的输出电时，电桥的输出电压与两应变之压与两应变之差差有关；有关；相邻相邻桥臂的应变若极性桥臂的应变若极性相相反反时，电桥的输出电压与两应变之时，电桥的输出电压与两应变之和和有关。有关。相对相对桥臂的应变若极性桥臂的应变若极性相同相同时，电桥的输出电压时，电桥的输出电压与两应变之与两应变之和和有关；有关；相对相对桥臂的应变若极性桥臂的应变若极性相反相反时，电桥的输出电压与两应变之时，电桥的输出电压与两应变之差差有关。有关。极性相同极性相同邻边差，对边和邻边差，对边和电子电子秤秤(1)(1)应用电阻应变片通过不同的弹力体来测力应用电阻应变片通过不同的弹力体来测力 扭矩扭矩汽车衡汽车衡液罐秤液罐秤测位移测位移（2 2）电阻应变式位移、加速度传感器）电阻应变式位移、加速度传感器 测加速度测加速度