3.4 应变式电阻式传感器定
应变式电阻传感器的工作原理

应变式电阻传感器的工作原理
应变式电阻传感器也被称为应变计,是一种常见的用于测量物体变形或应变的传感器。
它能够将物体的应变转化为电阻值的变化,从而实现对物体应变的测量。
应变式电阻传感器基于电阻值与导电材料长度、横截面积和导电材料电阻率间的关系进行工作。
当物体受到外力作用而产生应变时,传感器中的敏感电阻也会发生变化,这种变化可以通过不同的电路进行测量和记录。
传感器中的敏感电阻通常是通过在物体表面覆盖薄膜来制作的。
正常情况下,薄膜的长度和宽度已知,因此根据薄膜的电阻率,可以计算出薄膜的电阻值。
当物体发生应变时,薄膜也会发生相应的拉伸或压缩,从而改变了其长度和宽度,导致电阻值的变化。
为了测量这种电阻值的变化,通常会将传感器与电桥电路连接起来。
电桥电路通常由四个电阻器组成,其中一个电阻器是传感器中的敏感电阻。
当传感器发生变化时,电桥电路中的电流也会发生变化,这种变化可以通过差动放大器转换为输出电压信号,从而实现对物体应变的测量。
应变式电阻传感器适用于多种应用场合,例如压力测量、重量测量、振动测量、温度测量等。
传感器可以制成各种形状和大小,以适应不同的测量需求,具有灵敏度高、精度高、响应速度快等优点。
总之,应变式电阻传感器的工作原理是基于物体应变导致传感器中的电阻值发生变化。
借助电桥电路、差动放大器等器件,可以将这种变化转换为输出信号,从而实现对物体应变的测量。
传感器原理与工程应用考试题库

传感器原理与工程应用习题一、单项选择题1、在整个测量过程中,如果影响和决定误差大小的全部因素(条件)始终保持不变,对同一被测量进行多次重复测量,这样的测量称为( C )A.组合测量 B.静态测量C.等精度测量 D.零位式测量1.1在直流电路中使用电流表和电压表测量负载功率的测量方法属于( B )。
A. 直接测量B. 间接测量C. 组合测量D. 等精度测量2、1属于传感器动态特性指标的是( B )A.重复性 B.固有频率 C.灵敏度 D.漂移2.1不属于传感器静态特性指标的是( B )A.重复性 B.固有频率 C.灵敏度 D.漂移2.2 以下那一项不属于电路参量式传感器的基本形式的是( D )。
A.电阻式B.电感式C.电容式D.电压式2.2传感器的主要功能是( A )。
A. 检测和转换B. 滤波和放大C. 调制和解调D. 传输和显示3.电阻式传感器是将被测量的变化转换成( B )变化的传感器。
A.电子B.电压C.电感D.电阻3.1电阻应变片配用的测量电路中,为了克服分布电容的影响,多采用( D )。
A.直流平衡电桥 B.直流不平衡电桥C.交流平衡电桥D.交流不平衡电桥3.2电阻应变片的初始电阻数值有多种,其中用的最多的是( B )。
A、60ΩB、120ΩC、200ΩD、350Ω3.3电阻应变片式传感器一般不能用来测量下列那些量( D )A、位移B、压力C、加速度D、电流3.4直流电桥的平衡条件为( B )A.相邻桥臂阻值乘积相等 B.相对桥臂阻值乘积相等C.相对桥臂阻值比值相等 D.相邻桥臂阻值之和相等3.5全桥差动电路的电压灵敏度是单臂工作时的( C )。
A. 不变B. 2倍C. 4倍D. 6倍3.6、影响金属导电材料应变灵敏系数K的主要因素是( B )。
A.导电材料电阻率的变化 B.导电材料几何尺寸的变化C.导电材料物理性质的变化 D.导电材料化学性质的变化3.7、产生应变片温度误差的主要原因有(A、B )。
电阻式传感器

3.1 工作原理 3.2 特性分析 3.3 电阻应变片的温度误差及补偿 3.4 电阻应变片的测量电路 - 电桥
导学表
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
可见:电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变ε有关,而与环境温度无关。
注意补偿条件
① 在应变片工作过程中,保证R3=R4。 ② R1和R2两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应 变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 ③ 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样, 两者线膨胀系数相同。 ④ 两应变片应处于同一温度场。
分析:当半导体应变片受轴向力作用时 半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关:
E 式中:
π——半导体材料的压阻系数; 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。
弹性模量: 单向应力状态下 应力除以该方向的应变。
应变成正比,即K为常数。
3.1.2 电阻应变片种类
常用的电阻应变片有两种: 金属电阻应变片 半导体应变片
金属电阻应变片
电阻丝
衬底
蚀刻箔片 衬底
(a)丝式
引出导线
1 2
(b)箔式
K 1 2
灵敏度取决于尺寸变化(应变效应为主)
半导体应变片
1 2
A
受外力作用伸长,长度增加,截面积减少,电阻值会增大。 受外力作用压缩,长度减小,截面增加,电阻值会减小。 电阻率增大,电阻值会增大 电阻率减小,电阻值会减小
电阻应变式传感器的工作原理

电阻应变式传感器的工作原理
电阻应变式传感器是一种常用的传感器,它可以将物体的应变转化为电阻的变化,从而实现对物体应变的测量。
其工作原理主要是利用电阻在受力作用下产生的应变效应,通过测量电阻值的变化来确定物体的应变情况。
首先,我们来了解一下电阻应变式传感器的基本结构。
它由电阻应变片、支撑件、固定件、连接线等部分组成。
其中,电阻应变片是传感器的核心部件,它通常由金属材料制成,具有一定的弹性。
当外力作用于物体表面时,电阻应变片会发生形变,从而导致其电阻值发生变化。
这种变化可以通过连接线传输到测量仪器中进行检测和分析。
其次,我们来看一下电阻应变式传感器的工作原理。
当外力作用于物体表面时,物体会产生应变,即单位长度内的形变量。
电阻应变片固定在物体表面上,随着物体的应变而产生相应的形变,从而使得电阻值发生变化。
这种变化可以通过连接线传输到测量仪器中,并经过放大、滤波等处理后,最终得到物体的应变情况。
在实际应用中,电阻应变式传感器通常被安装在需要测量应变的物体表面上。
当物体受到外力作用时,电阻应变片会产生相应的应变,从而使得电阻值发生变化。
通过测量仪器对电阻值的变化进行监测和分析,就可以得到物体的应变情况。
这种测量方法简单、灵敏,可以广泛应用于工程、科研等领域。
总的来说,电阻应变式传感器的工作原理是利用电阻在受力作用下产生的应变
效应,通过测量电阻值的变化来确定物体的应变情况。
它具有结构简单、测量精度高、响应速度快等优点,因此在工程、科研等领域得到了广泛的应用。
希望通过本文的介绍,能够让大家对电阻应变式传感器有更深入的了解。
电阻式应变传感器

电阻式应变传感器是以电阻应变计为转换元件的传感器,其精确测量工作的原理是应变式原理。
这种应变计可以将变形能量转换为电阻值的变化,从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。
弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成的电阻应变式传感器,可以根据具体测量要求,设计成多种结构的形式。
还有这样的事实存在,弹性敏感元件如果受到所测量的力会产生变形,并使附着其上的电阻应变计一起变形。
目前,在测量行业内,常用的电阻应变式传感器有应变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器、应变式位移传感器、应变式加速度传感器和测温应变计等。
电阻应变式传感器的优点是精
度高,测量范围广寿命长,结构简单,频响特性好,能在恶劣条件下工作,易于实现小型化、整体化和品种多样化等。
电阻式应变传感器常见的特点有以下几点:
①精度高,测量范围广;
②使用寿命长,性能稳定可靠;
③结构简单,体积小,重量轻;
④频率响应较好,既可用于静态测量又可用于动态测量;
⑤价格低廉,品种多样,便于选择和大量使用。
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常用传感器的工作原理及应用

3.1.1电阻式传感器的工作原理应变: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3.1.3电阻应变式传感器电阻应变式传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器。
工作原理:当被测物理量作用于弹性元件上,弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形,产生相应的应变或位移,然后传递给与之相连的应变片,引起应变片的电阻值变化,通过测量电路变成电量输出。
输出的电量大小反映被测量的大小。
结构:应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。
应用:广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量。
1.电阻应变效应电阻应变片的工作原理是基于应变效应,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”。
2.电阻应变片的结构基片bl电阻丝式敏感栅金属电阻应变片的结构4.电阻应变式传感器的应用(1)应变式力传感器被测物理量:荷重或力主要用途:作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。
力传感器的弹性元件:柱式、筒式、环式、悬臂式等(2)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应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。
(3)应变式容器内液体重量传感器感压膜感受上面液体的压力。
(4)应变式加速度传感器用于物体加速度的测量。
依据:a=F/m。
3.2电容式传感器3.2.1电容式传感器的工作原理由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为当被测参数变化使得S 、d 或ε发生变化时,电容量C 也随之变化。
如果保持其中两个参数不变,而仅改变其中一个参数,就可把该参数的变化转换为电容量的变化,通过测量电路就可转换为电量输出。
电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。
1.变间隙型电容传感器此时电容C 变为:式中:εg —云母的相对介电常数,εg=7;ε0—空气的介电常数,ε0=1;d 0—空气隙厚度;d g —云母片的厚度。
应变式电阻传感器的工作原理

应变式电阻传感器的工作原理引言应变式电阻传感器是一种常用的传感器,广泛应用于测量物体的应变变化。
它的工作原理基于金属电阻的变化,通过测量电阻值的变化来获取物体的应变量。
本文将详细介绍应变式电阻传感器的工作原理及其应用。
一、应变式电阻传感器的结构应变式电阻传感器通常由弹性金属片和电阻片组成。
弹性金属片连接在被测物体上,当被测物体受到外力作用时,会发生形变,进而使弹性金属片产生应变。
应变会导致弹性金属片的长度和宽度发生微小的变化,从而改变金属电阻片的电阻值。
二、应变式电阻传感器的工作原理应变式电阻传感器的工作原理基于金属电阻与应变之间的关系。
当外力作用在被测物体上时,弹性金属片会发生微小的形变,从而引起金属电阻片的几何形状发生改变。
根据金属电阻的材料特性,电阻值随着几何形状的改变而发生变化。
应变式电阻传感器通常采用金属材料,如铜、钢等。
这些金属材料具有较小的电阻温度系数,能够提供稳定的电阻值。
当外力作用于被测物体时,弹性金属片产生应变,导致电阻值的变化。
这种电阻变化可以通过电路进行测量和记录。
三、应变式电阻传感器的应用1. 强度测量:应变式电阻传感器常用于测量材料的强度。
通过将传感器粘贴在被测物体上,当物体受到外力时,传感器测量所产生的应变,从而间接测量物体的强度。
2. 应力测量:应变式电阻传感器可用于测量材料的应力。
应力是单位面积上的力,通过测量物体的应变量,可以计算出物体的应力值。
3. 位移测量:应变式电阻传感器在位移测量中也有广泛应用。
通过将传感器安装在机械结构上,当结构发生位移时,传感器可以测量出位移的大小。
4. 压力测量:应变式电阻传感器可用于测量液体或气体的压力。
将传感器安装在压力容器中,当容器受到压力时,传感器测量所产生的应变,从而计算出压力值。
结论应变式电阻传感器通过测量金属电阻的变化,实现对物体应变量的测量。
其工作原理简单而有效,应用广泛。
无论是强度测量、应力测量、位移测量还是压力测量,应变式电阻传感器都发挥了重要作用。
应变式电阻传感器的工作原理

应变式电阻传感器的工作原理引言应变式电阻传感器是一种常用的传感器,广泛应用于工程领域。
其工作原理是利用材料的应变特性来测量所受力的大小。
本文将详细介绍应变式电阻传感器的工作原理以及其在实际应用中的一些特点。
一、工作原理应变式电阻传感器是通过在感应材料中引入电阻应变来测量外力的。
当受力作用于材料时,材料会发生应变,即长度或形状发生变化。
这种应变会导致材料的电阻发生变化,进而改变电路中的电流和电压。
具体来说,应变式电阻传感器通常由一条细长的金属电阻丝或薄膜组成,该电阻丝或薄膜被粘合在一个弹性体基座上。
当外力作用于传感器时,弹性体基座会发生形变,从而使电阻丝或薄膜发生拉伸或压缩。
这些形变会导致电阻丝或薄膜的电阻值发生变化。
二、工作特点1. 高精度:应变式电阻传感器具有较高的测量精度,可达到微米级别。
这使得它在许多精密测量领域得到广泛应用,如机械工程、材料科学等。
2. 宽测量范围:应变式电阻传感器的测量范围较宽,可以覆盖从微小变形到大变形的范围。
这使得它适用于各种不同应变程度的测量需求。
3. 快速响应:应变式电阻传感器具有快速的响应速度,可以实时地测量外力的变化。
这使得它在需要实时监测的应用中非常有用,如结构健康监测、力学测试等。
4. 抗干扰性强:应变式电阻传感器对外界干扰具有一定的抗干扰性能。
它的结构设计使其能够有效屏蔽外界电磁干扰,提高测量的准确性。
5. 结构简单:应变式电阻传感器的结构相对简单,制造成本较低。
这使得它成为一种经济实用的传感器。
三、应用领域应变式电阻传感器在工程领域有广泛的应用,以下是一些常见的应用领域:1. 结构健康监测:应变式电阻传感器可以用于监测建筑物、桥梁、飞机等结构体的应变情况,及时发现并修复潜在的结构问题。
2. 材料力学测试:应变式电阻传感器可以用于测量材料的力学性能,如材料的强度、刚度等参数。
3. 汽车工程:应变式电阻传感器可以用于测量汽车零部件的应变情况,如发动机支架、悬挂系统等。
电阻应变式压力传感器工作原理

电阻应变式压力传感器工作原理
电阻应变式压力传感器是一种常用的压力测量装置,其工作原理基于电阻应变效应。
在电阻应变式压力传感器中,一种常见的构造是将弹性元件与电阻结合在一起。
当受到外部压力作用时,弹性元件会发生弯曲或变形,导致电阻的阻值发生改变。
这是因为弹性元件上的电阻是以导电薄膜形式存在的,而变形会导致导电薄膜的长度、宽度或电阻率发生变化。
当外部压力作用结束后,弹性元件会恢复到原来的形状,电阻的阻值也随之恢复。
通过测量电阻的变化,可以确定外部压力的大小。
为了实现更准确的测量,常常采用电桥测量电路来检测电阻的变化。
电桥中包含了一个标准电阻和一个未知电阻(即弹性元件上的电阻)。
当两者的阻值相等时,电桥平衡,输出电压为零。
而当受到外部压力作用时,弹性元件上的电阻发生变化,导致电桥不再平衡,输出电压不为零。
通过测量输出电压的变化,就可以确定外部压力的大小。
电阻应变式压力传感器具有灵敏度高、测量范围广、工作稳定等优点,因此被广泛应用于工业自动化控制、航空航天、交通运输等领域。
电子工程制图

变片承受应变。 如图 3 - 4 所示。
当被测试件不承受应变时, R1和RB又处于同一环境温度 为t ℃旳温度场中, 调整电桥参数,使之到达平衡, 有
Uo=A(R1R4-RBR3)=0
(3 – 2)
第3章 应变式传感器
第3章 应变式传感器
第3章 应变式传感器
工程上, 一般按R1 = R2 = R3 = R4 选用桥臂电阻。当温度升 高或降低Δt = t-t0时, 两个应变片旳因温度而引起旳电阻变化量 相等, 电桥仍处于平衡状态, 即
R0——温度为t0℃时旳电阻值;
α0——金属丝旳电阻温度系数;
Δt——温度变化值, Δt=t -t0。
当温度变化Δt时, 电阻丝电阻旳变化值为
ΔRt=Rt- R0= R0α0Δt
(3 - 15)
第3章 应变式传感器
2) 试件材料和电阻丝材料旳线膨胀系数旳影响
当试件与电阻丝材料旳线膨胀系数相同步, 不论环境温度怎 样变化, 电阻丝旳变形仍和自由状态一样, 不会产生附加变形。 当试件和电阻丝线膨胀系数不同步, 因为环境温度旳变化, 电阻 丝会产生附加变形, 从而产生附加电阻。
2. 电阻应变片旳温度补偿措施
电阻应变片旳温度补偿措施一般有线路补偿法和应变片 自补偿两大类。
1) 线路补偿法
电桥补偿是最常用旳且效果很好旳线路补偿法。图 3 - 4 所示是电桥补偿法旳原理图。电桥输出电压Uo与桥臂参数旳 关系为
Uo=A(R1 R4- RB R3)
(3 - 23)
第3章 应变式传感器
第3章 应变式传感器
3.1 工作原理
电阻应变片旳工作原理是基于应变效应, 即在导体产生机械 变形时, 它旳电阻值相应发生变化。
如图 3 - 1 所示, 一根金属电阻丝, 在其未受力时, 原始电阻
精品文档-传感器原理及应用(郭爱芳)-第3章

第3章 电阻式传感器 图3.3 金属电阻应变片的种类
第3章 电阻式传感器
4) 薄膜式应变片 薄膜式应变片是利用真空蒸镀、沉积或溅射等方法在绝缘 基底上制成各种形状的薄膜敏感栅,膜厚小于1 μm。这种应 变片的优点是应变灵敏系数大,允许电流密度大,可以在- 197~317℃温度下工作。
第3章 电阻式传感器
在应变极限范围内,金属材料电阻的相对变化量与应变成 正比,即
ΔR R
S0
(3.5)
第3章 电阻式传感器
3.1.2 金属电阻应变片 1. 应变片的结构及测量原理 金属电阻应变片简称应变片,其结构大体相同,如图3.2
所示。金属电阻应变片由基底、敏感栅、覆盖层和引线等部分 组成。
第3章 电阻式传感器 图3.2 金属电阻应变片的结构
第3章 电阻式传感器
图3.1所示为金属电阻丝的电阻应变效应原理图。长度为 L、截面积为A、电阻率为ρ的金属电阻丝,在未受外力作用时 的原始电阻值为
R L
A
(3.1)
图3.1 金属电阻丝的电阻应变效应
第3章 电阻式传感器
当受到轴向拉力F作用时,其长度伸长ΔL,截面积相应减 小ΔA,电阻率ρ则因晶格变形等因素的影响而改变Δρ,故 引起电阻变化ΔR。对式(3.1)全微分可得
第3章 电阻式传感器 图3.4 应变片轴向受力及横向效应
第3章 电阻式传感器
2) 横向效应 由于应变片的敏感栅是由多条直线段和圆弧段组成,若该 应变片受轴向应力而产生纵向拉应变εx时,则各直线段的电 阻将增加。但在圆弧段,如图3.4(b)所示,除产生纵向 拉应变εx外,还有垂直方向的横向压应变εy=-εx,沿各微 段轴向(即微段圆弧的切向)的应变在εx和εy之间变化。在圆 弧段两端的起、终微段,即θ=0°和θ=180°处,承受+εx应 变;而在θ=90°的微段处,则承受εy=-εx应变。因此,将 金属电阻丝绕成敏感栅后,虽然长度不变,应变状态相同,但 应变片敏感栅的灵敏系数S比电阻丝的灵敏系数S0低,这种现 象称为应变片的横向效应。
第3章 电阻式传感器

3. 主要特性 (1)应变片灵敏系数 k
k0 表征金属丝的灵敏系数,但金属丝做成应变片后,电阻应变特征 与单根金属丝不同。 实际的灵敏系数包括基片、粘合剂、敏感栅的横向效应等因素。做 成应变片以后灵敏系数与k0不同,必须重新标定。 通常采用实验的方法,按统一的标准,如受单向力拉力或压力,试 件材料为钢,箔松系数μ=0.285; 取成品的 5% 进行测定,取平均值做产品的灵敏系数,称标称灵敏 系数k ,即产品出厂时标注的灵敏系数。 实验表明,应变片灵敏系数小于电阻丝灵敏系数,即k<k0 如果实际 应用与标定条件不同时,k 误差较大需要修正。
• • •
(2)横向效应
直线电阻丝绕成敏感栅后,虽然长度相同,但圆弧部分应变状态 不同,圆弧段电阻的变化小于沿轴向摆放的电阻丝电阻变化。
实际应变变化 ε = ΔL/L 比拉直了看要小,可见直线的电阻丝作成 敏感栅后,虽然长度相同,但应变不同。
☻ 园弧部分使灵敏系数 k0↓下降,这种现象
称为横向效应。敏感栅越窄、基长越长, 横向效应越小。
R3 R1 R1 U0 E R R R R R R 1 2 2 3 4 1
按等臂电桥:
R3 R1 R1 U0 E R1 R1 R 2 R 2 R3 R 4
R 2 / R1 R 4 / R 3
n R 2 / R1
U0 E
n ( R1 / R1 ) (1 R1 / R1 n ) 1 n
• 由于 R 1 R 1 ,忽略分母中 R1 / R1 • 电桥输出电压可近似为 电桥输出的电压灵敏度为
传感器原理及应用课后习题

习题集1.1 什么是传感器?1.2 传感器由哪几部分组成?试述它们的作用及相互关系。
1.3 简述传感器主要发展趋势,并说明现代检测系统的特征。
1.4 传感器如何分类?1.5传感器的静态特性是什么?由哪些性能指标描述?它们一般可用哪些公式表示?1.6传感器的线性度是如何确定的?电阻应变式传感器3.1 何为电阻应变效应?怎样利用这种效应制成应变片?3.2 什么是应变片的灵敏系数?它与金属电阻丝的灵敏系数有何不同?为什么?3.3 金属应变片与半导体应变片在工作原理上有何不同?半导体应变片灵敏系数范围是多少,金属应变片灵敏系数范围是多少?为什么有这种差别,说明其优缺点。
3.4 一应变片的电阻R=120Ω,灵敏系数k =2.05,用作应变为800/m m μ的传感元件。
求:①R ∆和/R R ∆;② 若电源电压U =3V ,初始平衡时电桥的输出电压U 0。
3.5 在以钢为材料的实心圆柱形试件上,沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120Ω的金属应变片R 1和R 2(如图3-28a 所示),把这两应变片接入电桥(见图3-28b )。
若钢的泊松系数0.285μ=,应变片的灵敏系数k =2,电桥电源电压U =2V ,当试件受轴向拉伸时,测得应变片R 1的电阻变化值10.48R ∆=Ω。
试求:①轴向应变;②电桥的输出电压。
3.6 图3-31为一直流电桥,负载电阻R L 趋于无穷。
图中E=4V ,R 1=R 2=R 3=R 4=120Ω,试求:① R 1为金属应变片,其余为外接电阻,当R 1的增量为ΔR 1=1.2Ω时,电桥输出电压U 0=? ② R 1、R 2为金属应变片,感应应变大小变化相同,其余为外接电阻,电桥输出电压U 0=? ③ R 1、R 2为金属应变片,如果感应应变大小相反,且ΔR 1=ΔR 2 =1.2Ω,电桥输出电压U 0=?电容式传感器4.1 如何改善单极式变极距型电容传感器的非线性?4.2 差动式变极距型电容传感器,若初始容量1280C C pF ==,初始距离04mm δ=,当动极板相对于定极板位移了0.75mm δ∆=时,试计算其非线性误差。
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(a)同步补偿法
温度相同
受力
(b)差动补偿
R1 R2
• 差动补偿:将工作应变片贴在上表面,补偿片贴在
对应下表面,弯曲时, 工作应变片电阻值增加,补 偿片电阻值减小,两个电阻接在电桥的相邻两臂。 结果: – 电桥输出增加一倍,提高输出灵敏度, – 上下温度一致,补偿环境温度造成的误差。
5、应变式传感器的医学应用
• •
常用的金属电阻丝材料的性能
3.金属电阻应变片的结构种类
• 应变式传感器,是利用金属应变片(应变式变换元
• • •
件)内部应力与电阻之间的关系来进行测量的。 它主要用于测量力、应力和压力等。 分为压应力式和张应力式两种 在工作中,把应变片贴在产生应力变形的被测表面, 以实现对其应力和变形的测量。测量力、扭矩、压 力、加速度等物理量。
• 电阻值的相对变化率 dR 取决于三个基本因
素:
R
– 电阻丝的电阻率相对变化量(dρ/ρ)。 – 电阻丝长度的相对变化量(dL/L)。 – 电阻丝截面积的相对变化量(dA/A)。
2.灵敏系数(线材)
• 设纵向变化的相对变化量叫纵向应变 •
= dL/L 横向变化的相对变化量叫横向应变1 1 = dr/r(r为半径) 弹性材料横向应变与纵向应变之比为一个常数, 称为泊松比,故有: = - 1/
•
• 如果受拉,则L变长,截面积A(A=πr2)变小:
dr r dA 2 rdr dr = =2 = -2 2 A r r
•金属电阻的相对变化率为:
dR d dL dA R L A d (1 2 )
因应变使电阻率变化而 引起,称压阻效应
为L,则其电阻为:
L R A
•金属丝受应力作用产生形变时,A、L和ρ都随形 变而改变
• 上式取自然对数:
lnR = lnρ+ lnL- lnA
• 取全微分:
Ld dL LdA dR 2 A A A
•其相对变化量
dR d dL dA R L A
dR d dL dA R L A
3.4.2 半导体压阻传感器
• 半导体压阻传感器也称为固态压阻式传感器
(solid-state piezoresistive sensor)。原理是 基于半导体材料压阻效应,也称为半导体应变式传 感器。 半导体材料在机械应力的作用下,使得材料本身的 电阻率发生了较大的变化,这种现象叫做压阻效应。 这与金属电阻的应变效应有根本的区别。
c(1 2 )
• 得:
k0 (1 2 ) c(1 2 )
• 一般金属材料电阻丝在一定变形范围内:
– μ约0.3-0.5 – k0第一项约为1.6-2.0,第二项近似为0。 – 灵敏系数k0为常数2 第一项是应变引起,第二项因电阻率而引起,可以 忽略。 电阻变化反映应力的变化。
• 电阻率变化是因材料发生变化时,其自由电子活
动能力和数量均发生变化的缘故,也是因体积变 化而造成的,即有:
d
dV c V
式中: • c是一个常数,取决于材料成分 • V为体积:V=AL
dV V
dA dL dL (1 2 ) A L L
• 即:
d dV c V dL c(1 2 ) L
•
金属应变片式传感器 一、金属应变效应 几个概念 (一)应力 在一受力物体截面上一点A取一微小面积△A,若此 时受力为△ F,则△ F与△ A的比值则为面积△ A上的 平均应力,当△ A→0时就为A点的应力。 其中σ为垂直截面的应力分量 τ为与截面相切的应力分量 单位:牛顿/米2(或帕斯卡)
(二)应变 物体在外力作用下,其几何形状将发生变化。围绕 物体中任一点取一微小正六面体,其边长分别为△ x 、 △ y、△ z。物体外力作用变形后,其边长和棱边夹角 都将发生变化,变形前为△ x的棱边变形后边长为△ x+ △ l,其相对形变为:εa= △ l/ △ x 其中,εa为单位长度的平均伸长和缩短,称为平均 应变。当 x→0时极限: l lim a lim 0 0 x ε称为x方向的应变。
•
• 原理:晶体在应力作用下,晶格间的载流子(空穴、
电子)的相互作用发生了变化,从能量的角度来看, 原子结构中的导带和价带之间的禁带宽度发生了 变化,这就影响了导带中载流子数目,同时又使载 流子的迁移率发生变化,因此晶体的电阻率变化, 通常称为压阻式传感器。 半导体应变片灵敏系数要比金属应变片大几十倍 至一百多倍。 半导体晶片压阻效应的方向性很强。
因形变引起,称尺寸效应
• 得金属材料灵敏系数k0
k0 dR / R
d / (1 2 )
• 灵敏系数为单位应变所引起的电阻相对变化,它受 两个因素影响:
①受力后材料几何尺寸变化所引起,即(1+2)项; ②受力后材料电阻率变化所引起的,即(d /)/项。
金属电阻应变计
金属电阻应变计:(a)丝式应变计;(b)短接式应变计; (c) 箔式应变计
• 电子秤,采用高性能低功耗处理器和高精度电阻
应变片式传感器
4. 应变片的特性指标
(1)应变片的灵敏系数
– 灵敏系数k是指在一维应力作用下,粘贴在试件表面应
变片单位电阻变化率与试件上应变片沿灵敏轴线产生 单位变形之比,数学式为:
率响应范围大的特点,在医学测量中的应用广泛。 例如血压测量,胃内压测量等,还可以测量指尖、 挠骨、手腕等部位的脉搏波等。
(1)针型压阻式血压传感器
• 采用半导体压阻应变片作传感器,采用扩散硅膜片
工艺制成,故体积极小,把扩散硅膜片装入注射针头 内的传感器可以用来插入血管内直接测量血压,也 可测量胆道的压力。
(6)电阻应变片的温度特性 – 应变片电阻随温度变化必造成误差,称这种误差 为应变片的温度误差。
• 温度补偿的两种方法:
– 同步补偿: 把受力应变片贴在受力件上,把补偿 片贴在不受力但环境温度相同的材料上,接入电 桥线路相邻的桥臂上, 相互补偿。电桥输出只反 映应变大小,与温度无关。
工作应变片
补偿应变片
半导体压阻型脉搏传感器结构图
半导体压阻应变片 弹簧片 外壳 基座 绝缘座 导杆
敏感膜片
3.4.3电阻应变片传感器的测量电路
• 应变式电阻传感器输出的是电阻信号,为了进一 •
步处理,须把电阻再转换为可处理的电压或电流 信号。 直流电桥是把电阻传感器的微弱电阻变化转换成 电流或电压变化的变换电路。直流电桥是因为采 用直流电源作为驱动电源而得名。
(2).扩散式半导体应变片
• 将P型半导体扩散到N型硅基底上,形成一层极薄的导电P型
层线条,连接引线后形成扩散式半导体应变片,通常称压敏 电阻片。
A1
金丝 氮化硅膜 P型扩散条
B1
A2
B2
铝电极
N型硅衬底
(a)
A1
B1 (b)
A2 B2
3. 半导体压阻式传感器的医学应用
• 半导体压阻式传感器具有体积小、灵敏度高和频
针型压阻式血压传感器
半导体应变片 P型 N型
不锈钢针头
导线 固定环
绝缘片
压力敏感膜
(2)半导体压阻型脉搏传感器
• 高灵敏的换能器件。 • 传感器采用典型悬臂梁式结构。 • 其核心为上下两片半导体压阻应变片粘贴在条形
弹簧片上,弹簧片一端固定在基座上,另一端接导 杆。导杆与敏感膜片相连,组成压力传感器。敏 感膜片还可以做成凸面有利于脉搏波测量。脉搏 压力作用在敏感膜片上,经导杆和弹簧片使应变 片发生形变。导线引出每个应变片的信息,再通 过测量电路实现脉搏波测量,包括脉搏波波形和 幅度变化的测量。
3.4.3-1. 直流电桥的特性方程
• 图中:Байду номын сангаас
– R1是电桥的测量臂 (即传感器的电阻) – R2、R3、R4是另外 三个臂,由确定数 a 值的固定电阻构成。 – 直流电源E加入电 路,输出端用负载 电阻RL表示。
L R A
为电阻率(· cm), L 为导体长度(cm), A 为导体均匀截面积(cm2)。 改变参数中任何一个,把被测参数转化为电阻变 化 ,通过测量电阻值的变化,就能反映出被测各 参数的变化。
•
• 电阻式传感器按材料不同分为两大类:
– 金属电阻应变式传感器
用金属丝或金属箔作敏感元件制成的片状传感器。
• 高灵敏度的简支梁结构的血压传感器原理
P
应变片 h 连杆 L/2 血压 膜片 支架
应变片
b 弹簧片 弹簧片
(b) (a)
•(a) 弹簧片(简支梁)结构;(b)传感器的作用原理。
传感器高灵敏度的原因: • ①膜片有较大面积,把均匀分布于膜片上血压量通 过连杆集中起来,使简支梁式的弹簧片接收较大压 力信号。 • ②粘贴四片应变片,上下左右对称,获得最大灵敏 度。应变片集中于弹簧片中心处,具有最大的应变 量。可用于血压测量,还可用于测量颅内压和眼 压。
(1)体型半导体应变片 (2)扩散式半导体应变片
(1)体型半导体应变片
• 用P型或N型硅材料按其压阻效应最强的方向切割成薄片,将
此硅条粘贴在带有引线焊接箔的底基上,焊接好后成为应变 片
底基 半导体条 引线片 半导体条
(a)
(b)
引线片
(c)
(a)普通半导体应变片; (b)补偿式半导体应变片; (c)无底基半导体应变片。
3.4 应变式电阻式传感器
• 应变式电阻传感器原理:利用导体和半导体材料的 •
•
应变效应,把非电量的压力和位移等参数转换为电 阻变化的传感器 应变式电阻传感器是测量微小机械变化量的理想传 感器。 广泛用于人体生理参数测量:呼吸的位移和力、血 压、体重,浓度、速度等。
• 基本原理是根据物理学导体的电阻方程: