传感器 第二章 电阻式传感器

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3、应变片的优点：
测量应变的灵敏度和精确度高，性能稳定、可靠，可测 1～2με，误差小于1％。 应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、响应速 度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布影响较小。 既可用于静态测量，又可用于动态测量。 测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。 变形范围可从1％～2％至20％。 适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以 及核辐射等恶劣环境下使用。 便于多点测量、远距离测量和遥测。
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一、工作原理 ★金属的电阻应变效应
定义：当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将 发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。 一根长l ，截面积为S ，电阻率为ρ的金属丝电阻为: （2－1）
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如图2-1所示
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用横向、径向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：
R l 1 2 R l
令：
（2－3）
k0
R / R

1 2
/

受力后材料几何尺寸变化（1+2μ）；材料电阻率的变化（Δρ/ρ）/ε。 对于金属材料而言，以前者为主，则k0≈1+2μ，对半导体，k0值主要是由 电阻率相对变化所决定。 通常金属丝的灵敏系数k0=2左右。

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二、应变片的类型和材料 ★三种类型：金属丝式，金属箔式和金属薄膜式。
1、金属丝式应变片
应变片短接式
第二章 电阻式传感器 回线式：
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– 敏感栅丝直径在0.012～0.05mm，以0.025mm左右为最常用；
– 回线的曲率半径r为0.1～0.3mm；
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★应变片的基本结构及测量原理
1、丝绕式应变片结构： 合金电阻丝（φ0.025mm左右）绕成敏感栅； 敏感栅粘贴在绝缘的基底1 ； 电阻丝的两端焊接引出线4； 敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层3。 参数：l—基长，b—基宽，l×b—使用面积 规格：以使用面积和电阻值表示，例如3×10mm2，120Ω。
本章主要研究的内容：应变式传感器和压阻式传感器。
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第一节 应变式传感器
定义：应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将被测物 变形转换成电阻变化的传感器。 本节内容： 一． 工作原理 二． 应变片的类型和材料 三． 金属应变片的主要特性 四． 转换电路 五． 温度误差及其补偿 六． 应变式传感器举例
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当电阻丝受到轴向拉力F作用时，电阻值ΔR的变化引起电阻 的相对变化为:
R l S R l S
（2－2）
Δl/l=ε，为金属导体电阻丝的轴向应变，常用单位 με（με=1×10-6 mm/mm）
假设Δr/r为径向应变，且由材料力学知，
Δr/r= μΔl/l，式中为金属材料的泊松比。
值ε。
应变ε(ε=σ/E) → ΔR
扩展应用： 通过弹性敏感元件的作用，可以将应变片测应变的应用 扩展到能引起弹性元件产生应变的各种非电量的测量， 如位移、力、力矩、压力等物理量，从而构成各种电阻 应变式传感器。
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第二章 电阻式传感器
– 基片用厚度为0.03mm左右的薄纸（称纸基），或用粘结剂和有机 树脂基膜制成（称胶基），粘贴性能好，能保证有效地传递变形。
– 引线多用0.15～0.30mm直径的镀锡铜线与敏感栅相接。
回线式主要特点：因制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴， 所以最为常用。但因弯曲部的变形使其横向效应较大。
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短接式：
–两端用直径比栅丝直径粗5～10倍的镀银丝短接而成， 有效克服了横向效应。
–由于焊点多，易在焊点处出现疲劳损坏，制造工艺要
求高，使用较少。
金属丝常用的材料有康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁镍
铬合金以及贵金属（铂、铂钨合金）等。
第二章 电阻式传感器 2、金属箔式应变片
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图2-21 电阻应变片的基本结构 1-敏感栅;2-基底;3-覆盖层;4-引线
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2、应变片的测量原理：
直接用应变片测量受力应变时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在
外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随 同变形，其电阻值发生相应变化ΔR 。 应用转换电路和仪器测出ΔR，根据式（2-3），可得弹性试件的应变
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基本原理：将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经转 换电路变成电量输出。 电阻材料：导体、半导体、电解质溶液等。 物理学原理：导体、半导体的长度或内应力变化、温度变 化导致电阻变化。 被测参数：力、压力、应变、加速度等。 主要优点：结构简单，性能稳定，灵敏度较高，有的可用 于动态测量。
可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，栅长l最小可做到 0.2mm，以适应不同的测量要求。 与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流 大，提高了输出灵敏度。 横向效应可以忽略。 蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。
箔式应变片的缺点：
电阻值的分散性大，有的能相差几十欧坶，故需要作阻值调整。
第二章 电阻式传感器 3、金属薄膜应变片
制作工艺：箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为 0.003～0.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方 法，制成适用于各种需要的形状。
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第二章 电阻式传感器 箔式应变片的优点：
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