传感器与测试技术解晓光

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1、电视大学1电视大学第3章 电阻式传感器主要内容：1、介绍应变式电阻传感器的工作原理、金属应变片的 结构、类型、主要特性、温度补偿、选择与粘贴工艺 、转换电路及典型应用。 2、介绍压阻式传感器的工作原理、半导体应变片的 结构与主要特性、压阻式传感器的温度补偿、转换电 路及典型应用。3、介绍热阻式传感器的工作原理、类型、转换电路及 典型应用。4、介绍电位计式传感器的工作原理、类型、转换电路 及典型应用。2电视大学第3章 电阻式传感器3.1 应变式电阻传感器：P533.1.1 金属丝的电阻应变效应： 电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这 一现象就是电阻丝的应变效应。设有一段长为l

2、，截面为s ，电阻率为 的金属丝，则它的电阻为: 3电视大学当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其l、s、 均发生变化，如图所示，如取金属丝是半径 为r 的圆形截面s=r2 ，那么 3.1 应变式电阻传感器：3.1.1 金属丝的电阻应变效应： 故电阻的相对变化为 4电视大学若金属丝沿长度方向受力而伸长l ，通常将l/l 称为纵向应变，标为 。它是长 度方向的相对变形或称长度变化率，是一无量纲的量。因为它的数值在通常的测量中 甚小，故常用10-6作为单位来表示，称为微应变，标以。例如=0.001就可以表示 为1000 ，称为具有1000微应变。3.1 应变式电阻传感器：3.1.1 金属丝的电阻

3、应变效应： 由材料力学得知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向 缩短，哪么轴向应变和径向应变的关系为：（电阻丝的泊松比）两端同除有：k0称为金属丝的灵敏系数，它表示金属丝发生单位轴向应变时所引起的电阻值的相对变化。 5电视大学3.1 应变式电阻传感器：3.1.1 金属丝的电阻应变效应： k0物理意义：单位应变所引 起的电阻相对变化。此式表明：因应变导致金属电阻值的变化，由两项组成：第一项 （1+2）表示由 于几何尺寸改变引起的电阻变化；另一项( d/) / 表示单位轴向应变引起电阻率的 变化。对于大多数金属电阻丝材料说,则有 此式表明：加载后金属丝电阻相对变化量与轴向应变成正比。

4、 K0是一个常数，不同的金属材料，k0不同。由 于k0为常数，可将灵敏系数表达式改写为：6电视大学3.1 应变式电阻传感器：3.1.2 应变片的结构与类型（P55） 应变片阻值尚无统一标准，常用的有60、120、200、320、350、 500、1000，其中120最为常用。应变片的结构：应变片主要是由金属丝栅(敏感栅)、绝缘基片 及覆盖片三部分组成。7电视大学中央电大往届试题3.1.2 应变片的结构与类型（P55） 1、填空题：（2分； 04.1. P55）应变片的结构：应变片主要是由 、 及覆 盖片三部分组成。2、填空题：（2分；2004.1. P53）电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其

5、电阻值发生变化，这 一现象就是电阻丝的 。8电视大学3.1 应变式电阻传感器：3.1.2 应变片的结构与类型（P55） 电阻应变片的种类：根据制作方法，一般可将金属应变片分为二类： 电阻丝应变片：电阻丝应变片有圆角线栅式和直角线栅式两种。前者制 造方便，为最常见形式，但它的横向效应较大。金属箔式应变片：敏感栅由高阻值的金属铂片经光刻腐蚀技术制成。9电视大学3.1 应变式电阻传感器：3.1.2 应变片的结构与类型（P55） 电阻应变片的种类：10电视大学3.1.2 应变片的结构与类型（P55） 3.1 应变式电阻传感器：电阻应变片的种类：11电视大学电阻应变片的种类：中央电大往届试题问答题：(6

6、分；2008.1. ； P56）金属应变片有哪些类型？根据制作方法，一般可将 金属应变片分为二类：电阻丝应变片；金属箔 式应变片。12电视大学3.1 应变式电阻传感器：应变式电阻传感 器是以电阻应变 片为转换元件的 传感器，公式：利用应变片测量力的基本原理：力的变化机械形变电 阻变化R应变值 根据应力与应变 的关系：=E：应力（单位面积受力）；E：弹性模量。应变值 应力值 力F标准产品13电视大学第3章 电阻式传感器3.1.3 应变片的主要特性（P56） 电阻应变片灵敏系数为k=R/(R)。电阻丝(半成品）灵敏系 数为k0,k不等于k0且恒小于k0 。应变片灵敏系数k必须重新实验 测定。因粘贴

7、式应变片一经粘贴测试就无法取下重用，一批产 品只能采取抽样(如5%)测定，取平均k值及允许的公差值标注在 该批的每个应变片包装袋上，也称“标称灵敏系数”。应变片灵敏系数测定是在某种特定实验装置上进行的，如 采用纯弯梁(等应力梁)或等强度悬臂梁。试件材料必须是泊松 系数=0.285的钢材，受单向应力状态且应变力轴向与主应力 方向一致。由此可见，应变片灵敏系数是在二维应变场中进行 标定的。实验证明，在相当大的应变范围内，应变片灵敏系数 是常数。(1)灵敏系数：14电视大学3.1 应变式电阻传感器：沿应变片轴向的应变x 必然引起应变片电阻的 相对变化，而沿垂直于应变片轴向的横向应变y 也 会引起其电

8、阻的相对变化，这种现象称为横向效应。3.1.3 应变片的主要特性（P56） (2)横向效应：横向效应与应变片的结构有关，敏感栅端部具有半圆形横栅的丝绕应变片横向效应较为严 重。现在一般多采用箔式应变片，其圆弧部分尺寸较柵丝尺寸大得多，电阻值较小，因而电阻 的变化量也就小得多。15电视大学3.1.3 应变片的主要特性（P56） 3.1 应变式电阻传感器：(3)温度效应：粘贴到试件上的电阻应变片，除感受机械应变 而产生电阻相对变化外，在环境温度变化时，也会 引起电阻的相对变化，产生虚假应变，这种现象称 为温度效应。16电视大学中央电大往届试题1、问答题：（07.1 ; 08.7.）P56什么是金属

9、应变片的横向效应？（6分）答：沿应变片轴向的应变x 必然引起应变片电阻的相对变化， 而沿垂直于应变片轴向的横向应变y 也会引起其电阻的相对变 化，这种现象称为横向效应。2、问答题：（04.1.；04.7. P57）为什么用应变片测量时必须采用温度补偿措施？答：粘贴到试件上的电阻应变片，除感受机械应变而产生电阻 相对变化外，在环境温度变化时，也会引起电阻的相对变化， 产生虚假应变，因此需采用温度补偿措施。 3.1.3 应变片的主要特性（P57）17电视大学(3)温度效应： P57单丝自补偿法：由式(3-9)可知，为使因温度变化而产生的虚假应变t =0 ， 只要满足条件: t=-k(g- s) （

10、3-10） 在研制和选用应变片时，若选择敏感栅的合金材料，使其t,s 能与试件材 料的 相匹配，即满足式(3-10)，就能达到温度自补偿的目的。这种温度自补偿 方法的最大优点是结构简单，制造、使用方便。双丝自补偿法：这种应变片的敏感栅是由电阻温度 系数为一正一负的两种合金丝串接而成。应变片电阻 由电阻Ra和Rb两部分组成，即R=Ra+Rb 。当工作温度 变化时，若Ra栅产生正的虚假应变（即附加应变）at 与Rb栅产生负的虚假应变bt大小相等或相近，就可达到温度误差自补偿的目的。丝绕式短接式3.1.3 应变片的主要特性（P58） 为消除温度误差，采取如下温度补偿措施：桥路补偿法：利用电桥电路的和

11、差原理来达到补偿温度误 差的目的。18电视大学3.1 应变式电阻传感器：中央电大往届试题（04.1；04.7.）P58为了消除应变片的温度误差，可采用的温度补偿措 施包括： 、 和 。A、双丝自补偿法 B、温度补偿法C、单丝补偿法 D、电流补偿法E、电压补偿法 F、桥路补偿法19电视大学中央电大往届试题3.1.3 应变片的主要特性（P56）1、选择题：（2分；05.1. P56）金属应变片的灵敏系数比应变电阻材料本身的灵敏系数 。A、小 B、大 C、相等2、问答题：（10分；04.7. ；07.7. ；P57）粘贴到试件上的电阻应变片，环境温度变化会引起电阻的相 对变化，产生虚假应变，这种现象

12、称为温度效应，简述产生 这种现象的原因。答：环境温度变化时，敏感栅材料的电阻温度系数存在， 引起应变片电阻的相对变化。环境温度变化时，敏感栅材 料和试件材料的膨胀系数不同，应变片产生附加的拉长（或 压缩），引起电阻的相对变化。 20电视大学3.1 应变式电阻传感器：3.1.3 应变片的主要特性（P58） (5)零漂及蠕变：粘贴在试件上的应变片，在恒 温恒载条件下，指示应变量随时 间单向变化的特性称为蠕变。如 图中。当试件初始空载时，应变片示值仍会随时间变化的现 象称为零漂。如图中P0。21电视大学(6)应变极限：3.1 应变式电阻传感器：3.1.3 应变片的主要特性（P59） 应变片的线性特性

13、（灵敏系数为常数）是在一定的应变限度 范围内才保持。当试件输入的真实应变超过某一极限时，应变 片的输出特性将出现非线性。在恒温条件下，使非线性达到10% 时的真实应变值，称为应变极限 。真实应变（）指示应变（）10%真实应变22电视大学(7)绝缘电阻：3.1 应变式电阻传感器：3.1.3 应变片的主要特性（P59） 应变片绝缘电阻 是指已粘贴的应变片的引线与被测 试件之间的电阻值，通常要求 在50100M 以上。应变片安装之后，其绝缘电阻下降将使测量系统灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误差。 Rm的大小取决于粘合剂及基底材料的种类及固化工艺，在常温使用条件下要采取必要的防潮措施 ，而在中温或

14、高温条件下，要注意选取电绝缘性能良好的粘结剂和基底材料。中央电大往届试题（05.1、07.7; 08.7./09.1.）P59应变片的绝缘电阻是指已粘贴的应变片的 之间的电阻。A、覆盖片与被测试件 B、引线与被测试件C、基片与被测试件 D、敏感栅与被测试件 R的范围是（50100M以上） 08.7.选择题试题。 23电视大学3.1.4 转换电路（P60） 3.1 应变式电阻传感器：(1)直流电桥：应变片将试件应变转换成电阻相对变化R/R，由于机械应变一般都 很小，要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来，同时要把电阻相 对变化R/ R转换为电压或电流的变化。因此，需要有专用测量电路 用于测量应变

15、变化而引起电阻变化的测量电路，通常采用直流电桥和 交流电桥。电桥线路是由联接成环形的四个电阻所组成。ac接电源，bd为电桥输出可接后续放大器等。两对角线将相对的两个定点连通起来 ，就好像在它们之间架起了一座“桥”，故 而得名。24电视大学(1)直流电桥：P61假设输入端U是一个恒压源，由于输出端接高 阻抗的指示表或放大器，近似看成开路：直流电桥特性公式：ACBD+-直流电桥直流电桥平衡条件： R1R3=R2R4输出电压为零称为电桥处于平衡状态25电视大学若R1R3=R2R4，则输出电压为零，称为电桥处于平衡状态，此 等式称为直流电桥平衡条件。下面分别讨论桥臂电阻的变化 与输出电压的关系： 一个桥臂电阻有变化（单臂电桥）：例如桥臂R1电阻有R1 的变化（只有一臂工作）， 成为R1+R1则电桥的输出电压为 :若取R1=R2=R3=R4=R0若电桥用于微电阻 变化测量，有：ACBD+-单臂电桥直流电桥特性公式：(1)直流电桥：P6126电视大学如桥臂电阻R1 和邻边桥臂电阻R2 的阻值都有电阻变化，即R1