传感器-力和压力的检测

单元一
电阻应变片测力
单元目标：通过本训练熟悉电阻应变片的结 构和种类，掌握应变片测量力的工作原理，掌 握直流电桥的工作原理和有关特性，熟悉电阻 应变式传感器测量电路 的工作调零和调节 灵敏度的方法。
任务一：认识应变片及弹性敏感元件
电阻应变片（也称应变计或应变片）是电阻应变 式传感器的核心元件，它是一种电阻传感器，主要由 弹性敏感元件或试件、电阻应变片和测量转换电路组 成。它是把应变转换为电阻变化，再用相应的测量电 路将电阻转换成电压输出的传感器。利用电阻应变式 传感器可以直接测量力，也可以间接测量位移、形变、 加速度等参数。常用的电阻应变片有电阻丝应变片和 半导体应变片两种。
一、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形 变时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为 “应变效应”。 由电工学可知，金属丝电阻R可用下式表示：
（3－1） 式中 ρ──电阻率，Ω·m； l──电阻丝长度，m； A──电阻丝截面积，m2。
当沿金属丝的长度方向施加均匀力时， 上式中ρ、r、l 都将发生变化，导致电阻值 发生变化。即得到以下结论：金属丝受外力 作用而伸长时，长度增加，而截面积减少， 电阻值会增大；当金属丝受外力作用而压缩 时，长度减小，而截面增加，电阻值会减小。 阻值变化通常较小。
三、电阻应变片的分类
按电阻应变片敏感栅材料不同，可分为金属应变片 和半导体应变片两大类。如图3-2为 几种不同类型的电阻 应变片。
图3-2 电阻丝应变片结构形式. （a)丝式应变片；(b)箔式应变片；(c)半导体应变片 1—基底；2—应变丝或半导体；3—引出线；4—焊接电极；5—外引线
四、电阻应变片的测量电路
（一） 直流电桥平衡条件
当RL→∞时，电桥输出电压为
（二） 电压灵敏度
R1为电阻应变片，R2、R3、R4为电桥固定 电阻，这就构成了单臂电桥。
(3-5)
(3-6)
n=1时，为最大值
(3-7)
当电源电压E和电阻相对变化量一定时，电桥的输出电压也是 定值，与各桥臂电阻阻值大小无关。

（三） 非线性误差及其补偿方法
二、电阻应变片的结构、材料
电阻应变片的典 型结构如图3-1所示， 由敏感栅、基底、覆 盖层和引线等部分组 成。
图3-1 电阻应变片的结构简图
无论哪种形式的金属应变片，对敏感栅的 金属材料都有以下基本要求： 1.灵敏系数要大，且在所测应变范围内保持 不变； 2. ρ要大而稳定，以便于缩短敏感栅长度； 3.抗氧化、耐腐蚀性好，具有良好的焊接性 能； 4.电阻温度系数要小； 5. 机械强度高，具有优良的机械加工性能。
(3-13)
若此时被测试件有应变的作用，则工作应变片电阻R1有新的 增量∆R1，而补偿片不承受应变，故不产生新的增量，此时电桥 输出电压为 (3-14) 由上式可知，电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变 电阻有关，而与环境温度无关。
若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下 4个条件： （1）在应变片工作过程中，保证R3=R4。 （2）R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数 α、线膨胀系数β、应变灵敏系数K和初始电阻值Ro。 （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；粘贴工 作应变片和补偿应变片的粘结剂必须相同。 （4）两应变片应处于同一温度场。
[技能要点]
学会识别一般的电阻应变式传感器、压电式传 感器，了解电阻应变式传感器和压电式传感器的基 本结构和材料，通过实验掌握电阻应变式传感器的 使用方法，掌握电阻应变式传感器测量电路的调试 方法。
[知识要点] 了解电阻应变式传感器、压电式传感器的基本 结构、材料，掌握直流电桥的平衡条件及电压灵敏 度，熟悉电阻应变片的温度补偿方法。学习电阻应 变式、压电式传感器在相关领域的应用。
（3－2） 式中 ∆ R/ R ── 电阻应变片的电阻应变； K ── 电阻丝的灵敏度。
式（3-2）中的εR代表了被测件在应变片 的应变。严格来讲，由于试件与应变片之间 存在蠕变等影响，所以应变片与试件这两者 的应变是有差异的，但差异并不很大，工程 上允许忽略，但却存在一大弱点，就是灵敏 度低,一般为 2.0～3.6。
活动1: 理解应变效应 取一根细电阻丝，两端接上一台3 1/2位数 字式欧姆表（分辨率为1/2000），记下其初 始阻值（ ）。当我们用力将该电阻丝 拉长时，会发现其阻值略有增加为 （ ）。测量应力、应变、力的传感器 就是利用类似的原理制作的。
实验证明，电阻应变片的电阻应变 εR=∆R/R与电阻应变片的纵向应变εx的关系 在很大范围内是线性的，即
项目三、力与压力的检测
单元一 电阻应变片测力
任务一：认识电阻应变片及弹性敏感元件 任务二：通过电子秤实验操作，了解应变片的应用 知识巩固
单元二
压电传感器测力
任务一：压电传感器测力应用训练 知识巩固
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项目三、力与压力的检测
[项目描述]
力普遍存在于日常生活中。在科学研究和工农业生产中，力更是起着 重要的作用。
图3-4 差动电桥 (a)半桥; (b) 全桥
1、如图3－4（a)半桥电桥输出电压为
（3-8）
(3-9) 2、如图3-4(b)所示 ，全桥差动电路
(3-10)
（四） 电阻应变片的温度补偿方法
1 .补偿块补偿法
图3-5 补偿块补偿法
图3-5(a) 电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为 (3-11)
(3-12) 工程上，一般按R1=RB=R3=R4选取桥臂电阻。 当温度升高或降低∆t =t-to时，两个应变片因温 度相同而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡 状态，即
在生产过程中，压力检测与调节控制系统的应用非常广泛，例如锅炉 蒸汽和水的压力监控；炼油厂减压蒸馏需要的低于大气的真空压力检测;在 航空发动机试验研究中，为了研究发动机性能，必须测量过渡态的压力变 化；电力系统中油路压力的测量和控制等。对压力监控是保证工艺要求、 生产设备和人身安全，实现经济运行所必须的。 检测力的传感器主要有电阻应变式传感器、压电式传感器、电容式传 感器、压阻式传感器、电感式传感器等，本项目主要介绍电阻应变式和压 电式测力传感器。