《物理电学-第5章 电阻应变式传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理电学-第5章 电阻应变式传感器（23页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 第 5 章 电阻应变式传感器 学习要点： 1.掌握传感器的工作原理及性能 2.了解传感器的结构、种类 3.掌握测量电路及其补偿方法 4.掌握应变片的布置及接桥方式 5.了解传感器的应用 电阻应变式传感器的基本原理是将被测非电量转换成与之有确定对应关系的电阻值，再通 过测量此电 阻值达到测量非电量的目的。 一、工作原理及结构参数 1. 电阻应变片的工作原理 电阻应变片分为金属电阻应变片和半导体应变片。金属电阻应变片的工作原理是基于导体 材料的“电 阻应变效应” ，半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的“压阻效应” 。 当电阻丝受到拉伸或压缩时，其几何尺寸和电阻值同时发生变化，电阻的相对变化为
2、 +=d)21( RdRx 对于金属材料来说，电阻应变效应是主要的。由于压阻系数很小，电阻率的变化可以忽略 不计，所以 有 x)21( RdR+= 其灵敏度 0/12xdRRS=+ 对于半导体材料来说，其压阻效应远大于其应变效应，所以有 xLEdRdR= 其灵敏度 ERdRSLx=0 和金属电阻应变片相比，半导体应变片具有灵敏度系数大，横向效应小，机械滞后小，尺 寸小等优点， 但是，半导体应变片多数用薄硅片制成，容易断裂，其测试时的可测应变范围通常限制在3000 左右， 而金属电阻应变片的可测应变值达 40000。另外，半导体应变片的温度稳定性差，测 量较大应变时非 线性严重，所以其应用仍然受
3、到一定的限制。 当同样长度的线材制成金属电阻应变片时，试件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，同时 敏感栅半圆 弧部分产生的横向应变也将使其电阻发生变化。应变片的这种既受轴向应变影响，又受横 向应变影响而引 起电阻变化的现象称为横向效应。横向效应的存在使得在测量纵向应变时，圆弧部分产生 了一个负的电阻 变化，从而降低了应变片的灵敏度系数。 减小横向效应的措施主要有：1）按标称灵敏度系数的测定条件使用；2）减小横向效应系 数 C，采用 短接措施或采用箔式应变片；3）针对实际情况，重新标定在实际使用的应变场下，应变片 的应变灵敏度 系数。 2. 电阻应变片的种类及材料 1） 金属电阻应变片 金属电阻应
4、变片有丝式、箔式及薄膜式等结构形式。 2） 半导体应变片 半导体应变片分为体型和扩散型两大类。 二、测量电路及温度补偿 1. 测量电路 电阻应变片的应变量及其电阻的变化一般都很微小。为了便于传输、显示和记录，必须经 过测量电路， 把电阻的变化转换成电压或电流的变化。在这里我们主要介绍的是直流电桥电路。 直流电桥电路具有和差特性，即：1）若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应 变时，输 出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性相反，则输出电压为两者之和。2） 若相对 两桥臂的应变极 性一致，则输出电压为两者之和；反之为两者之差。利用电桥的和差特性 ，可以提高电桥 灵敏度，获得 温度补偿，
5、并消除非测量载荷的影响。 2. 温度误差及补偿 应变片测量过程中，其电阻值不仅随应变而变，同时还受温度的影响，产生温度误差。要 消除温度误 差，必须采取温度补偿措施。 温度补偿的方法主要有三种：自补偿法、桥路补偿法和热敏电阻补偿法。自补偿法是通过 精心选配敏 感栅材料与结构参数来实现温度补偿。桥路补偿法是利用电桥的和差特性来达到补偿的目 的。热敏电阻补 偿法则是在电桥输出端接入热敏元件，处在于应变片相同的温度条件下。温度升高时，一 方面应变片的灵 敏度下降，另一方面热敏电阻的阻值也下降，于是电桥的输出电压增加，导致电桥的输出 增大，补偿了由 于应变片受温度影响引起的输出电压的下降。 3. 电阻
6、应变片的布置和接桥方式 电阻应变片的布置和接桥方式应遵循的原则是： 1. 为获得最大输出，应将应变片布置在弹性元件产生应变最大的位置，并沿主应力方向贴 片，同时 避开非线性区。 2. 为获得最大灵敏度，应利用电桥的和差特性，同时排除非待测力的影响并进行温度补偿。三、 电阻应变式传感器的应用 电阻应变片可直接用于测定结构件的应变或应力，也可将应变片粘贴在测力环、悬臂梁、 扭力杆等弹 性元件上，作为测量力、位移、扭矩、压力、加速度等物理参数的传感器。 习题与思考题 一、选择与填空题 1. 半导体应变片主要是利用半导体材料的 。 A形变 B电阻率的变化 C弹性模量的变化 D泊松比 2. 电阻应变片的
7、灵敏度为 。 A应变片电阻丝的电阻变化率与应变值之比 B应变片电阻丝的电阻变化率与被测件的应变值之比 C应变片输出电压与应变值之比 3. 当测量较小应变值时，应选用根据 效应工作的 应变片，而测量大应变值时应选用 根据 效应工作的 应变片。 4. 常用的应变片有 与 两大类。应变片的灵敏度表达式为 ERdRSLx+=)21(， 对于金属电阻应变片来说：S= ，而对于半导体应变片来说 S 。前一种应变片 的灵敏度比后一种 。 5. 金属电阻应变片的电阻相对变化主要是由于电阻丝的 变化产生的。 二、简答题 1. 金属电阻应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？各有何优缺点？应如何针对具 体情况选
8、用？ 2. 金属电阻应变片的灵敏度系数与金属丝的灵敏度系数有何不同？ 为什么？ 3. 电阻应变片产生温度误差的原因有哪些？怎样消除误差？ 4. 什么是电阻应变片的横向效应？它是如何产生的？如何消除电阻应变片的横向效应？ 5. 说明电桥工作原理。 6. 如何提高应变片测量电桥的输出电压灵敏度及线性度？ 7. 说明金属电阻应变片的组成和种类。电阻应变片有哪些主要特性参数？ 三、计算题 1.一应变片的电阻 R0=120，K=2.05，用作应变为 800m/m 的传感元件。(1)求R 与R/R；(2)若电源电压 Ui=3V,求其惠斯通测量电桥的非平衡输出电压 U0。 2. 有人在使用电阻应变仪时，发现
9、灵敏度不够，于是试图在工作电桥上增加电阻应变片以 提高灵敏度。试问，在下列情况下，是否可提高灵敏度？说明为什么？ 半桥双臂各串联一片。 半桥双臂各并联一片。 3. 有一电阻应变片（题图 51） ，其灵敏度 2=S，=120R， 设工作时其应变为 1000，问 R=？设将此应变片接成如图所 示的电路，试求 1）无应变时电流表示值；2）有应变时电流表示 值；3）电流表指示值相对变化量；4）试分析这个变量能否从表 中读出？ 4. 有一悬臂梁，在其中部上、下两面各贴两片应变片，组成 全桥，如题图 52 所示。 1）请给出由这四个电阻构成全桥电路的示意图。 2）若该梁悬臂端受一向下力 N，长=F.0=L
10、m，宽 m，厚 m，Pa，06.0=W003.0=t91070=ELx5.0=， 应变片灵敏度系数，应变片空载电阻 2.1S=1200； 试求此时这四个应变片的电阻值（注： FWEtxLx2)(6.=） 。 5. 以阻值 R120，灵敏度 S2 的电阻应变片与阻值为 120 的固定电阻组成电桥，供 桥电压为 3V， 并假定负载无穷大，当应变片的应变为 2 和 2000 时，分别求出单臂和双臂电桥的 输出电压，并比较两 种情况下的灵敏度。 6. 有一钢板，原长 l=1m，钢板弹性模量为 E=21011Pa，使用 BP-3 箔式应变片 R120，灵敏度系数 S=2，测出的拉伸应变值为 300。求：
11、钢板伸长量 l，应力 ，R/R 及 R。如果 要测出 1 应变 值则相应的 R/R 是多少？ 7. 用直流电桥测量悬臂梁应变如题图 53 所示。已知 Ui=3V,R3=R4=100 为固定电桥，R1=R2=50 为电 阻应变片，灵敏度 S2，设梁受力后产生应变为 5000，求此时电桥的输出电压U0？ 8. 如果将 120 的应变片贴在柱形弹性试件上，该试件的截面积 S=0.510-4m2，材料弹 性模量E=2101lN/m2。若由 5104N 的拉力引起应变片电阻变化为 1.2，求该应变片的灵敏系 数 K。 9. 采用 4 片相同的金属丝应变片（S2） ，将其贴在实心圆柱形测力弹性元件上。如
12、图 54 所示，受力 F1000kgf。圆柱断面半径 r1cm，杨氏模量 E2107N/CM2，题图 51 题图 52 泊松比 0.3。求：（1）画出应变片在圆柱上的粘贴位置及相应的测量桥路原理图； （2）各应变片的应变 ？电阻相对变化量（3）若供桥电压 U6V，求桥路输出电压 U0？ 题图 54 /RR=10. 图为一直流应变电桥，E = 4V，R1=R2=R3=R4=350，求：R1为 应变片，其余为外接电阻，R1 增量为 R1=3.5时输出 U0=? R1、R2 是应变片，感受应变极性大小相同，其余为电阻，电压输出 U0=? R1、 R2 感受应变极性相反,输出 U0=?。R1、R2、R
13、3、R4 都是应变片，对 臂同性，邻臂异性，电压输出 U0=?。 11. 在材料为钢的实心圆柱试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为 120 的金属应变 片 R1 和 R2，把这 两应变片接入差动电桥(如图 56 所示)。若钢的泊 松比 =0.285，应变片的灵敏系数 K=2，电桥的电源 电压 Ui=2V，当试件受轴向拉伸时，测得应变片 R1 的电阻变化值R=0.48，试求电桥的输出电压 U0； 若柱体直径 d=10mm，材料的弹性模量E=21011N/m2，求其所受拉力大小。 12. 一台采用等强度梁的电子称，在梁的上下两面各 贴有两片电阻应变片，做成称重传感器，如图 57 已知 l=10m
14、m，b0=llmm，h=3mm，E=2.1104N/mm2， K=2，接入直流四臂差动电桥，供桥电压 6V，求其电压灵敏度(Ku=U0/F)。当称重 0.5kg 时， 电桥的输出电 压 U0 为多大? 输 出 13 有四个性能完全相同的应变片(K=2.0)，将其贴在图 58 所示的压力 传感器圆板形感压膜片上。已知膜片的半径 R=20mm，厚度 h=0.3mm，材题图 5-7 题图 5-6 题图 55 料的泊松比 =0.285，弹性模量 E=2.01011N/m2。现将四个应变片组成全桥测量电路， 供桥电压 Ui=6V。求： (1)确定应变片在感压膜片上的位置，并画出位置示意图； (2)画出相
15、应的全桥测量电路图； (3)当被测压力为 0.1MPa 时，求各应变片的应变值及测量桥路输出电压 U0； (4)该压力传感器是否具有温度补偿作用?为什么? (5)桥路输出电压与被测压力之间是否存在线性关系? 题图 5-8 习题与思考题答案 一、选择与填空题 1. B； 2. B； 3. 压阻；半导体；应变；金属电阻 4. 金属电阻应变片；半导体应变片； 12+；LE ；低 5.几何尺寸 二、简答题 1. 答：金属电阻应变片的工作原理基于其敏感栅发生几何尺寸改变，使金属丝的电阻值随 其变形而改变， 即电阻应变效应，产生（12）x 项。而半导体应变片的工作原理是利用半导体材料 沿某一方向受到外 加
16、载荷作用时，由应力引起电阻率的变化，即压阻效应，产生 xLE 项。 两种应变片相比，半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，另外，由于机械滞后小、横向效应小及本 身的体积小等特点，扩大了半导体应变片的使用范围，最大缺点是温度稳定性差、灵敏度 离散度大，在较 大应变作用下，非线性误差大等，给使用带来困难。 当测量较小应变值时，应选用根据压阻效应工作的半导体应变片，而测量大应变值时应选 用根据应变 效应工作的金属电阻应变片。 2.答：直的金属丝受单向拉伸时，其任一微段所感受的应变都相同，且每一段都伸长，因 此，每一段电阻 都将增加，线材总电阻值的增加为各微段电阻值增加的总和。当同样长度的线材制成金属 电阻应变片时， 在金属的弯段，电阻的变化率与直段明显不同，即产生了所谓的“横向效应” 。由于横向效 应的作用，在 测量纵向应变时，圆弧部分产生了一个
