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1、电阻式传感器的基本原理是将被测非电量 转换成电 阻值，通过对电阻值的测量来达到测量非电量的目 的。主要学习：电阻应变式和固态压阻式。电阻式传感器第 3 章 电阻式传感器 电阻应变式传感器是一种利用电阻应变片将应变转换为 电阻变化的传感器，任何非电量，只要能设法转换为应 变，都可以利用电阻应变片进行测量，因此可用来测量 力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等 。 1.电阻应变式传感器构成原理及信号变换原理1）电阻应变式传感器的构成原理第 3 章 电阻式传感器 2) 信号变换原理被测非电量弹性敏感元件一定关系应力应变 挠度一定关系电阻变化测量电路一定关系 电压电流 变化量 用符号表示为：反映3) 电
2、阻应变式传感器的特点（1）理论技术成熟，得到广泛应用于各个领域,是测试和控制的主要方法；第 3 章 电阻式传感器 （2）结构简单、尺寸小，使用方便、性能稳定可靠； （3）可实现过程中的自动化和多点同步测量及遥测； （4）灵敏度较高、测量速度快，适合静、动态测量； （5）分辨力高能测出极小的应变。 （6）价格便宜可实现多种物理量的测量。 2. 应变片的工作原理 1）构成原理及信号变换原理（1）构成原 理（2）变换原 理反映第 3 章 电阻式传感器 3.1应变式传感器常用的弹性敏感元件（自学） 弹性圆柱（F与 关系） 悬臂梁（等截面梁，变截面梁）（挠度或位移与F的关系） 弹性圆环（应变挠度与F的关
3、系） 周边固支圆形平膜片 弹性筒 扭转圆柱3.2 金属应变式传感器 电阻应变片可分为金属电阻应变片与半导体应变片两类。3.2.1金属电阻应变片 （一）常见的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。1）丝式：主要结构是由做成栅状的电阻丝（敏感栅）、绝缘基片、覆盖层和引线四部分组成。1 基底 2 敏感栅 3 覆盖层 4 引线第 3 章 电阻式传感器 (1)基底 为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质的基底上。一般为0.020.04mm (2)敏感栅 应变计中实现应变-电阻转换的敏感元件。其电阻值一般在100以上 (3)盖层 用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、
4、防损等作用 (4)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。第 3 章 电阻式传感器 （二）金属的电阻应变特性 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生 变化，这种效应称为电阻应变效应。 设有一段长为l，截面积为A，电阻率为的导体(如金属 丝)，它具有的电阻为： 当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其l、A和均发生 变化，如图所示，因而导体的电阻随之发生变化。通过对式 两边取对数后再作微分，即可求得其电阻相对变化： 第 3 章 电阻式传感器 式中 材料的轴向线应变，常用单位(1 =110-6mm/mm); 其中 r导体的半径，受拉时r缩小；导体材料的泊松比。 可得：勃底
5、特兹明()通过实验研究发现，金属材 料的电阻率相对变化与其体积相对变化之间有如下关系： 第 3 章 电阻式传感器 式中 C由一定的材料和加工方式决定的常数； -金属丝材的应变灵敏系数(简称灵敏系数)。上式表明：金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。 这就是金属材料的应变电阻效应。（三）横向效应金属应变计的敏感栅通常都呈栅状。它由轴向纵栅和圆弧横 栅两部分组成，如图(a)所示。由于试件承受单向应力时， 其表面处于平面应变状态中，即轴向拉伸x和横向收缩y 。粘贴在试件表面上的应变计，其纵栅和横栅各自 主要分别敏感x和y（如图(b)），从而引起总的电阻相 对变化为:第 3 章 电阻式传感器 因为
6、，又令 ，得：结论：1）单丝应变片工作式为2）应变栅工作式为3）因栅灵敏度小于单丝灵敏度，故称横向效应。第 3 章 电阻式传感器 (四） 1）金属丝式应变片有回线式和短接式二种，如图所示。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。 短接式应变片两端用直径比栅线直径大510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 应变片 a、回线式 b、d短接式第 3 章 电阻式传感器 注：应变片的基长用 表示，基宽用b表示， 为应变 片的使用面积。应变片的阻值系列有：60 ，120 ，350 ，600
7、 ，1000 。应变片的规格一般使用面积和电阻值表示例如：（3x10）mm2，120 。2）箔式应变片：是通过光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的 金属箔栅，厚度一般在0.0030.01mm之间，任意形状线条均匀，尺寸准确，散热好，易粘贴。第 3 章 电阻式传感器 3） 半导体应变片 锗、硅等单晶半导体材料具有压阻效应，即在材料只受拉 （压）力，且应力方向与电流方向一致时，电阻率与应力 成正比，即：第 3 章 电阻式传感器 半导体应变片的特点： 1）灵敏度高，比金属应变片要高5070倍。 2）横向效应和机械滞后小，体积小。 3）温度稳定性差。 4）在较大的应变下，灵敏度和非线性误差大。由单晶硅、锗一
8、类半导体材料经切型、 切条。光刻、腐蚀成形，然后粘贴而 成称为体型半导体应变片。 另外：薄膜型半导体应变片，扩散型半导体应变片。第 3 章 电阻式传感器 3.3 应变片的主要特性3.3.1 应变片的静态特性 应变片的静态特性时指当应变不随时间变化或缓慢变化时 电阻输出值。其主要指标如下： 1.灵敏系数K 当具有初始电阻值R的应变计粘贴于试件表面时，试件受力 引起的表面应变，将传递给应变计的敏感栅，使其产生电 阻相对变化R/R 。实验证明，在一定的应变范围内，有 下列关系：第 3 章 电阻式传感器 必须指出，应变计的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变 丝的灵敏系数K，一般情况下，KK。这是因为，在
9、单向应 力产生双向应变的情况下，K除受到敏感栅结构形状、成型 工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横 向效应的影响。应变计的灵敏系数直接关系到应变测量的 精度。因此,K值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件 下通过实测确定 即应变计的标定。故又称K标定灵敏系 数。上述规定条件是： 试件材料取泊松比=0.285的钢； 试件单向受力； 应变计轴向与主应力方向一致。第 3 章 电阻式传感器 3. 机械滞后它是指粘贴在试件上的应变计，在恒温条件下增(加载)、减(卸载)试件应变的过程中，对应同一机械应变所指示应变量(输出)之差值。通常在室温条件下，要求机械滞后310。实测中，可在测试
10、前通过多次重复预加、卸载，来减小机械滞后产生的误差。第 3 章 电阻式传感器 粘贴在试件上的应变计，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。 当试件初始空载时，应变计示值仍会随时间变化的现象称为 零漂。蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性， 通常要求315 。引起蠕变的主要原因是，制作应 变计时内部产生的内应力和工作中出现的剪应力，使丝栅、 基底，尤其是胶层之间产生的“滑移”所致。选用弹性模量较 大的粘结剂和基底材料，适当减薄胶层和基底，并使之充分 固化，有利于蠕变性能的改善。4. 蠕变和零漂第 3 章 电阻式传感器 当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变计的输出
11、特 性将出现非线性。在恒温条件下，使非线性误差达到10%时 的真实应变值，称为应变极限。 5.应变极限 应变极限是衡量应变计测量范围和过载能力的指标，通常要 求lim8000。影响lim的主要因素及改善措施，与蠕 变基本相同。 第 3 章 电阻式传感器 标准产品电阻应变片的选择、粘贴技术 1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2.用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆.3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。思考题思考 题1.试说明电阻应变片的组成和种类？ 2.电阻应变片有哪些主要参数？ 3.试说明金属应变片和半导体应变 片的相同和不同之处？各有何优缺 点？应如何根据具体情况选用？4.有一电阻应变片，其R=120 ，灵敏度k=2，设工作时的 应变为1000 ，问 =？第 3 章 电阻式传感器
