金属应变片(正式课件)

第2章 应变式传感器 常 用 应 变 片 的 形 式
第2章 应变式传感器
2.2.2 金属电阻应变片的材料
对电阻丝材料应有如下要求： ① 灵敏系数大， 且在相当大的应变范围内保持常数； ②ρ值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具 有较大的电阻值； ③ 电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻 值； ④ 与铜线的焊接性能好， 与其它金属的接触电势小； ⑤ 机械强度高， 具有优良的机械加工性能。
dr/r=εr为金属电阻丝的径向应变 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为
dr dl
r
l
（2-4）
式中, μ为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。
第2章 应变式传感器
又有， 综上，
d c(1 2)
（2-5）
dR d dl dS C(1 2) (1 2) dl C(1 2) (1 2)
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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。压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力 作用时， 其电阻率ρ发生变化的现象。
当半导体应变片受轴向力作用时， 其电阻相对变化为
dR (1 2) d
R
（2-9）
式中dρ/ρ为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体
RlS
l
dR R
ks
（2-6）
dR
Ks
R dl
（2-8）
l
KS：金属导体应变灵敏系数，物理含义是单位轴（纵）向 应变引起电阻的相对变化量。
大量实验证明，在金属丝的拉伸Biblioteka Baidu限内，金属丝电阻的相对
变化与金属丝的轴向应变成正比，即Ks为常数。
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dR d dl dS C(1 2) (1 2) dl C(1 2) (1 2)
第2章 应变式传感器
• 敏感栅——应变片的核心部分，应变计中实现应变-电阻转换 的敏感元件。其电阻值一般在100Ω以上。
• 盖层——用纸、胶做成覆盖在敏感栅上的保护层；起着绝 缘、防潮、防蚀、防损等作用。
• 基片——将被测体的应变准确地传递到敏感栅上，一般为 0.03～0.06mm, 与被测体及敏感栅能牢固地粘合在一起，此 外它还应有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性能。
第2章 应变式表传2-感1 器常用金属电阻丝材料的性能
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康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于它有很 多优点：
同的变化， 同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片
电阻值变化量为ΔR时，便可得到被测对象的应变值，根据应力
与应变的关系，得到应力值σ为 σ=E·ε
（2-13）
第2章 应变式传感器
2.2 应变片的种类、材料及粘贴
2.2.1 金属电阻应变片的结构
引线
覆盖层 基片
b
l 电 阻 丝式 敏 感 栅
图2-2 金属电阻应变片的结构
RlS
l
➢灵敏系数Ks受两个因素影响：一个是应变片受力后材料 几何尺寸的变化， 即1+2μ；另一个是应变片受力后材料的 电阻率发生的变化， 即 c(1 2。)
➢对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2μ的值 要比c(1 2) 大得多，而半导体材料的c(1 2) 项的值比1+2μ 大得多。
问：金属应变片和半导体应变片的灵敏度分别取决于什么？
➢ 常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度 ➢ 传感元件有应变片、半导体膜片、电位器，由它们
分别制成了应变式传感器、压阻式传感器、电位器 式传感器等
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2.1 工 作原理
应变式传感器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”。
第2章 应变式传感器
第2章 应变式传感器
2.1 工作原理 2.2 应变片的种类、 材料及粘贴 2.3 金属应变片的特性 2.4 金属应变片的测量电路 2.5 金属应变片式传感器的应用
第2章 应变式传感器
基本原理
➢ 电阻式传感器的基本原理：将被测量的变化转换成 传感器元件电阻值的变化，再经过测量电路变成电 信号输出。
dR d dl dS R lS
（2-2）
式中：dl/l——长度相对变化量
dS/S——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dS=2πr dr，则
dS 2 dr Sr
（2-3）
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由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸 长， 沿径向缩短 令dl/l=ε为金属电阻丝的轴向应变，
• 引线——它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导 作用。
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• 金属电阻应变片的敏感栅有丝式和箔式两种形式。 • 丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径0.01～0.05mm的电阻
丝平行排列而成。 • 箔式金属电阻应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种
很薄的金属箔栅， 其厚度一般为0.003~0.01mm，可制成各 种形状的敏感栅（即应变花），其优点是表面积和截面积 之比大， 散热性能好，允许通过的电流较大，可制成各种 所需的形状， 便于批量生产。
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第2章 应变式传感器
一段长为l，截面积为S ，电阻率为ρ的导体(如金属丝)，
在其未受力时，原始电阻值为:
R l
S
（2-1）
图2-1 金属电阻丝应变效应
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当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长Δl，横截面积相应减小 ΔS，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了dρ，从而引 起电阻值相对变化量为
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因而半导体应变片的灵敏系数为
dR
K R E
（2-12）
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。
结论：用半导体应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在
外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相
敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为
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d E
（2-10）
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。
将式（2-10）代入式（2-9）中得
dR (1 2 E)
R
（2-11）
实验证明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略。