电阻应变片传感器(课堂PPT)

另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即
（dρ/ρ）/ε。
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(dρ/ρ)/ε大得多，
半导体材料的(dρ/ρ)/ε项的值比1+2μ大得多。
大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对变
化与应变成正比，即K为常数。
dR
d
K R 12
t
t
典型结构： 基片 敏感栅 覆盖层 引线
引线
覆盖层 基片
b
l 电 阻丝 式 敏感 栅
wk.baidu.com线
覆 盖层
基片
b
l
提问：这4个部分的作用？
电 阻丝 式 敏感 栅
根据敏感栅材料的不同，应变片可分为：金属丝式、金属箔 式和半导体式。
金属丝式
a、c回线式 b、d短接式
回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴， 但其应变横向效应较大。
应变式传感器结构简单，尺寸小，重量轻，使用方便， 性能稳定可靠，分辨率高，灵敏度高，价格又便宜，工艺 较成熟。因此在航空航天、机械、化工、建筑、医学、汽 车工业等领域有很广的应用。
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1.电阻应变式传感器的分类及基本工作原理
drd
r
l
l
t
式中, μ为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变与轴向方向相反。
得:
dRR(12)t
d
dR
d
K R 12
t
t
通常把单位应变引起的电阻值变化称为电阻
丝的灵敏系数。
其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变 化量。
dR
d
K R 12
t
t
灵敏系数K的影响因素：
一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2μ；
• 所以，金属丝式应变片的灵敏度为
dR
K R 1 2 t
（2）半导体应变片
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， 半导体材料产生应变，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
d
一个长度为l，截面积为A，电阻率为ρ的导体
l
l
F
F
r
r
金属丝电阻 R l A
当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长Δl，横截面积
相应减小ΔA，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
dRdldAd R l A
轴向应变
t
dl l
根据材料的 泊松比定律
径向应变 dA 2 dr Ar
2）转换原件（变换器）能将某些物理量直接转换为与之有 确定关系的电量的元件。如：压电晶体。
注意：有些传感器的敏感元件和转换元件是合二为一的，还 有一些传感器内部集成了一些测量电路。
5.1.3 传感器的基本特性及标定
• 基本特性：静态特性和动态特性。 • 特性标定：用实验的方法求出传感器特性曲线的过程。 • （1）静态标定：求出传感器静态特性曲线的过程； • （2）动态标定：求出传感器动态特性曲线的过程。 • 注意：现场标定；系统标定。
缺点：电阻值的分散性比金属丝的大，有的相差几十欧姆， 需做阻值调整。
在常温下，金属箔式应变片已逐步取代了金属丝式应变片。
半导体式
（1）金属丝式应变片
金属丝式应变片的基本工作原理是利用金属材料的电阻 定律。当应变片在外力作用下其结构尺寸发生变化时，其电 阻值也会发生相应的变化。
下面推导应变片电阻变化与应变的关系。
5 信号的获取与调理
对于一个传感器而言，它的输出一般很微弱，这就需 要对其进行某些调整和处理，并把信号转换成易于处理、 接收和显示的形式。
本章主要介绍一些基于机电转换或光电转换原理的传 感器与信号调理电路。
5.1 传感器
5.1.1 基本概念
传感器是把被测物理量按一定规律转换成便于处理和传输 的另一种物理量的装置。
它广泛的应用于我们的生产生活中的各个方面，是基础环 节，工程实际中俗称测量头、检测器等，也称为一次仪表。
5.1.2 传感器的基本组成
• 传感器一般是由敏感元件和转换元件两部分组成。
1）敏感元件（预变换器）直接感受被测量（一般为非电量） 并将其转换为与被测量有确定关系的易变成电量的其他量 （包括电量）的元件。如：弹性元件。
短接式应变片两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝短接 。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。 常用材料：康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。
金属箔式
它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.003～0.01mm的金属箔 片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。
优点：①可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长l可 做到0.2mm，以适应不同的测量要求；②与被测件粘贴结面积 大；③散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；④.横向 效应小；⑤.蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。
5.2 参数式传感器的信号获取与调理
参数式传感器的工作原理是将输入的工程参数变化转变为 电参数的变化，主要包括电阻式、电感式和电容式。
5.2.1 电阻式传感器及调理电路
5.2.1.1 信号获取原理
电阻式传感器是一种把被测参量转换为电阻变化的传感 器。常用的电阻式传感器有电阻应变式、电位器式等类型。 我们主要学习的是电阻应变式（应变片）。
5.1.4 传感器的分类
分类方法很多，按输入输出功能分： ⑴按输入量分类：分为温度、压力、位移、速度、湿度等；
⑵按输出量分类： ①参数式：将输入的工程参数变化转变为电参数变化的传感
器，如电阻式、电感式和电容式，工作时本身没有内在的 能量转换，也称为无源传感器。
②发电式：将输入的工程参数信号直接转换成电信号输出的 传感器，如压电式、磁电式、光电式等，工作时其本身有 内在的能量转换，又称为有源式传感器。
（4）金属电阻应变片的材料
对电阻丝(敏感栅)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。
R (1 2)
t
t
式中dρ/ρ为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半
导体敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为
dEt
dRR(12E)t
实验证明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半导 体应变片的灵敏系数为
dR
K R E t
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。