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1、第2章 电阻式传感器 Resistance Strain Gage1电阻应变式传感器(12)课件第第2 2章章 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，其电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，其基本原基本原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经，再经相应的测量电路而最后显示被测量值的变化。相应的测量电路而最后显示被测量值的变化。 电阻式传感器有一些类型，包括电阻式传感器有一些类型，包括电位器式，应变电位器式，应变式，压阻式，热阻式式，压阻式，热阻式等等。它的应用也很广泛，比如等等。它的应用也很广泛，比如电阻式传感器与相应的测量电路
2、组成的测力、测压、电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等测试系称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等测试系统。统。电阻应变式传感器(12)课件第第2 2章章 电阻式传感器电阻式传感器 学习要求：学习要求：1.1.掌握电阻式传感器的工作原理掌握电阻式传感器的工作原理， 2.2.了解电阻式传感器的结构、分类，了解电阻式传感器的结构、分类， 3.3.掌握电位器式传感器、电阻应变式传感器在结构掌握电位器式传感器、电阻应变式传感器在结构和工作原理的相同点和不同点，和工作原理的相同点和不同点，4.4.掌握电阻应变式传感器的测量电路形式及分析方掌握电阻应变式
3、传感器的测量电路形式及分析方法法， 5.5.了解电阻式传感器的应用。了解电阻式传感器的应用。电阻应变式传感器(12)课件应变片式传感器应变片式传感器电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理金属电阻应变片主要特性金属电阻应变片主要特性温度误差及补偿温度误差及补偿应变片式电阻传感器的测量电路应变片式电阻传感器的测量电路应变片式电阻传感器的应用举例应变片式电阻传感器的应用举例4电阻应变式传感器(12)课件电阻应变式传感器概述电阻应变式传感器概述v工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力 作用下电作用下电阻值变化的效应阻值变化的效应电阻应变效应电阻应变效应v结构简单，使
4、用方便结构简单，使用方便v可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；弹性弹性敏感敏感元件元件力、压力、压力、位力、位移移电阻电阻应变应变片片电桥电桥电路电路RUv易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测；易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测；v灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；5电阻应变式传感器(12)课件 6电阻应变式传感器(12)课件应变片用于各种电子衡器应变片用于各种电子衡器 磅秤磅秤电子天平电子天平7电阻应变式传感器(12)课件1. 1. 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理金属的电阻应变效
5、应金属的电阻应变效应 金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变化的现象称为金属的化的现象称为金属的电阻应变效应电阻应变效应。金属丝受拉时，金属丝受拉时，l变长、变长、r变小，导致变小，导致R变大变大 。8电阻应变式传感器(12)课件金属丝的轴向应变；金属丝的轴向应变；金属丝的径向应变金属丝的径向应变（ dS /S=2dr/r） Y= - x ； 泊松系数；(Poisson ratio)9电阻应变式传感器(12)课件 式中：式中：K KS S 金属丝的灵敏系数；金属丝的灵敏系数；(gage factor)令：令：在金属丝的弹性范围内
6、，灵敏系数在金属丝的弹性范围内，灵敏系数K KS S 为常数，即为常数，即 ： 线性关系线性关系ex通常很小，常用通常很小，常用1010-6-6表示之。例如，当表示之。例如，当 x x为为0.0000010.000001时，在工程中时，在工程中常表示为常表示为1 1 1010-6-6或或 m/mm/m。在应变测量中，也常将之称为微应变。在应变测量中，也常将之称为微应变()()。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于要大于1 1 10-310-3，即，即10001000 m/mm/m，否则有可能超过材料的极限强度而，否则有可能超
7、过材料的极限强度而导致断裂。导致断裂。10电阻应变式传感器(12)课件定义：定义：电阻丝的灵敏系数电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变（物理意义）：单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为：所引起的电阻相对变化量。其表达式为：灵敏系数灵敏系数ks受两个因素影响受两个因素影响n一是应变片受力后材料一是应变片受力后材料几何尺寸几何尺寸的变化，的变化， 即即1+2n二是应变片受力后材料的二是应变片受力后材料的电阻率电阻率发生的变化，发生的变化， 即即（d/）/x。n对金属材料对金属材料：1+2(d/)/x 故故 n大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对变
8、电阻的相对变化与应变成正比，即化与应变成正比，即ks为常数。为常数。11电阻应变式传感器(12)课件分析：当半导体应变片受轴向力作用时分析：当半导体应变片受轴向力作用时半导体应变片的电阻率半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关相对变化量与所受的应变力有关：式中：式中： 半导体材料的压阻系数半导体材料的压阻系数; ; 半导体材料的所受应变力半导体材料的所受应变力; ; E E半导体材料的弹性模量半导体材料的弹性模量; ; 半导体材料的应变。半导体材料的应变。15对半导体材料对半导体材料：(d/)/x1+212电阻应变式传感器(12)课件因此因此：实实验验证证明明，E E比比1+21+2
9、大大上上百百倍倍，所所以以1+21+2可可以以忽忽略略，因因而半导体应变片的灵敏系数为：而半导体应变片的灵敏系数为：16半半导导体体应应变变片片的的灵灵敏敏系系数数比比金金属属丝丝式式高高50508080倍倍， 但但半半导导体体材材料料的的温温度度系系数数大大，应应变变时时非非线线性性比比较较严严重重， 使它的应用范围受到一定的限制。使它的应用范围受到一定的限制。13电阻应变式传感器(12)课件2 金属电阻应变片主要特性金属电阻应变片主要特性 一、一、 金属电阻应变片结构及材料金属电阻应变片结构及材料此类金属应变片的结构形式有丝式、箔式和薄膜式三种。此类金属应变片的结构形式有丝式、箔式和薄膜式
10、三种。1) 1) 丝式应变片丝式应变片 如下页图所示，基本结构由四部分组成：敏感栅、基底如下页图所示，基本结构由四部分组成：敏感栅、基底和盖层、粘接剂、引线。敏感栅是应变片最重要的部分。将金和盖层、粘接剂、引线。敏感栅是应变片最重要的部分。将金属丝按图示形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成，基底可分为属丝按图示形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成，基底可分为纸基，胶基和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线，使用时只纸基，胶基和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线，使用时只要将应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器。它结构简要将应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器。它结构简单，价格低，强度高，但允许通过的电流
11、较小。单，价格低，强度高，但允许通过的电流较小。14电阻应变式传感器(12)课件图金属电阻应变片的基本结构敏感栅的纵向轴线称为应变片轴线，L为栅长，b为基宽。15电阻应变式传感器(12)课件2) 金属箔式应变片金属箔式应变片 该类应变片的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在0.003-0.1mm之间，它的结构如下图所示。箔式结构利用光刻技术可以做成各种形状的敏感栅，称为应变花应变花；横向效应小.16电阻应变式传感器(12)课件箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的箔的材料多为电阻
12、率高、热稳定性好的铜镍合金铜镍合金。箔式应变片。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。3)3)金属薄
13、膜式应变片金属薄膜式应变片 厚度在厚度在0. 1m以下的金属箔；以下的金属箔；它是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材它是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。这种应变片有料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。17电阻应变式传感器(12)课件敏感栅材料敏感栅材料 对敏感栅的材料的要求：对敏感栅的材料的要求：应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；电阻率高而稳定，
14、以便于制造小栅长的应变片；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻温度系数要小；电阻温度系数要小；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强； 在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度； 加工性能良好加工性能良好, ,易于拉制成丝或轧压成箔材；易于拉制成丝或轧压成箔材； 易于焊接，对引线材料的热电势小。易于焊接，对引线材料的热电势小。 常常用用材材料料有有：康康铜铜、镍镍铬铬合合金金、铁铁铬铬铝铝合合金金、铁铁镍镍铬铬合合金金、铂铂、铂钨合金等，如下表。铂钨合金等，如下表。18电阻应变式传感器(12)课件材料名材料名称称化学成化学成分分%电阻
15、率阻率/(mm/m)电阻温阻温度系数度系数/（10-6/）灵敏灵敏系数系数Ks线膨膨胀系数系数/（10-6/）最高使最高使用温度用温度/康康铜Cu55Ni450.450.52202.015250(静静态)400(动态)镍铬合合金金Ni80Cr201.01.11101302.12.314450(静静态)800(动态)卡卡玛合合金金6J22Ni74,Cr20Al3,Fe31.241.42202.42.613.3450(静静态)800(动态)伊文合伊文合金金6J23Ni75,Cr20Al3,Cu21.241.42202.42.613.3450(静静态)800(动态)铁铬铝合金合金Fe余量余量Cr26
16、,Al5.41.31.530402.614550(静静态)1000(动态)铂钨合合金金Pt90.591.5W8.59.50.740.761391923.03.29800(静静态)1000(动态)铂Pt0.090.1139004.69800(静静态)1000(动态)铂铱合合金金Pt80,Ir200.35901.013800(静静态)1000(动态)19电阻应变式传感器(12)课件 K K为为金金属属应应变变片片的的灵灵敏敏系系数数。测测量量结结果果表表明明，应应变变片片的的灵灵敏敏系系数数K K恒恒小小于于线线材材的的灵灵敏敏系系数数K KS S。原原因因：胶胶层层传传递递变变形形失失真真，横横
17、向向效效应应也也是一个不可忽视的因素。是一个不可忽视的因素。1.1.应变片的灵敏系数（应变片的灵敏系数（K K） 金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数系，用灵敏度系数K KS S表示。当金属丝做成应变片后，其电阻表示。当金属丝做成应变片后，其电阻应变应变特性，与特性，与金属单丝情况不同金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻。因此，须用实验方法对应变片的电阻应变特性重新测定。实验表明，应变特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应金属应变片的电阻相对变化与应变变在很宽的范围内均为线性关系
18、。即在很宽的范围内均为线性关系。即二、电阻应变片主要特性二、电阻应变片主要特性20电阻应变式传感器(12)课件2. 2. 温度效应温度效应 用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度( (包括被测包括被测试件的温度试件的温度) )影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，产生虚假应变，而应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，产生虚假应变，而带来很大
19、的测量误差，这种现象称为应变片的带来很大的测量误差，这种现象称为应变片的温度效应温度效应。因环境。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：温度改变而引起电阻变化的两个主要因素： 应变片的电阻丝应变片的电阻丝( (敏感栅敏感栅) )具有一定温度系数；具有一定温度系数； 电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。21电阻应变式传感器(12)课件 设环境引起的构件温度变化为设环境引起的构件温度变化为t t（）时，粘贴在试件表）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t t ，则应变片产生的，则应变片产生的电阻相对变
20、化为电阻相对变化为 由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当t t 存在时，引起应变片的附加应变，其值为存在时，引起应变片的附加应变，其值为 e试件材料线膨胀系数；g敏感栅材料线膨胀系数。相应的电阻相对变化为K应变片灵敏系数。22电阻应变式传感器(12)课件 温度变化形成的总电阻相对变化温度变化形成的总电阻相对变化：相应的虚假应变为相应的虚假应变为 上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化温度变化t t 时，应变片的温度效应。用应变形式表现出时，应变片的温度效应。
21、用应变形式表现出来，称之为热输出。来，称之为热输出。 可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能(t,g)有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数(e)有关。 23电阻应变式传感器(12)课件3.3.机械滞后机械滞后应应变变片片粘粘贴贴在在被被测测试试件件上上，当当温温度度恒恒定定时时，其其加加载载特特性性与与卸卸载载特性不重合，即为机械滞后。特性不重合，即为机械滞后。产产生生原原因因：应应变变片片在在承承受受机机械械应应变变后后，其其内内部部会会产产生生残残余余变变形形，使使敏敏感感栅栅电电阻阻发发生生少少量量不不可可逆逆变变化化；在在制制造造或或粘粘贴贴应应变变片片时时，如如果果敏感
22、栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。1机械应变卸载加载指示应变i应变片的机械滞后机械滞后值还与应变片所承机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。机械滞后所产生的实验误差。24电阻应变式传感器(12)课件对对于于粘粘贴贴好好的的应应变变片片，当当温温度度恒恒定定时时，不不承承受受应应变变时时，其其电电阻阻值随时间增
23、加而变化的特性，称为应变片的值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。零点漂移。产产生生原原因因：敏敏感感栅栅通通电电后后的的温温度度效效应应；应应变变片片的的内内应应力力逐逐渐渐变变化；粘结剂固化不充分等。化；粘结剂固化不充分等。4.4.零漂和蠕变零漂和蠕变如如果果在在一一定定温温度度下下，使使应应变变片片承承受受恒恒定定的的机机械械应应变变，其其电电阻阻值值随随时时间间增增加加而而变变化化的的特特性性称称为为蠕蠕变变。一一般般蠕蠕变变的的方方向向与与原原应应变变量量的的方向相反。方向相反。产产生生原原因因：由由于于胶胶层层之之间间发发生生“滑滑动动”，使使力力传传到到敏敏感感栅栅的的
24、应应变变量逐渐减少。量逐渐减少。这这是是两两项项衡衡量量应应变变片片特特性性对对时时间间稳稳定定性性的的指指标标，在在长长时时间间测测量量中中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。25电阻应变式传感器(12)课件5.5.应变极限、疲劳寿命应变极限、疲劳寿命 在在一一定定温温度度下下，应应变变片片的的指指示示应应变变对对测测试试值值的的真真实实应应变变的的相相对对误误差差不不超超过过规规定定范范围围（一一般般为为10%10%）时时的的最最大大真真实实应应变变值值。在在图图中中，真真实实应应变变是是由由于于工工作作温温度度变变化
25、化或或承承受受机机械械载载荷荷，在在被被测测试试件件内内产产生生应力应力( (包括机械应力和热应力包括机械应力和热应力) )时所引起的表面应变。时所引起的表面应变。lim真实应变z指示应变i10%1主要因素：粘结剂和基底材料主要因素：粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的安传递变形的性能及应变片的安装质量。制造与安装应变片时，装质量。制造与安装应变片时，应选用抗剪强度较高的粘结剂应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料。基底和粘结剂的和基底材料。基底和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当厚度不宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获得较高的的固化处理，才能获得较高的应变极限。应变极限。26电阻应变式
26、传感器(12)课件疲劳寿命疲劳寿命指对已粘贴好的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，指对已粘贴好的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。6.横向效应横向效应(transverse effect)如如图图，若若将将应应变变片片粘粘贴贴在在单单向向拉拉伸伸试试件件上上，这这时时各各直直线线段段上上的的金金属属丝丝只只感感受受沿沿其其轴轴向向拉拉应应变变x x，故故其其各各微微段段电电阻阻都都将将增增加加，但但在在圆圆弧弧段段上上，沿沿各各微微段段轴轴向向( (即即微微段段圆圆弧弧的的切切向向) )的的应应变变却却并并非非是是
27、x x。所所产产生生的的电电阻阻变变化化与与直直线线段上同长微段的不一样，在段上同长微段的不一样，在=90=90的的微微弧弧段段处处最最为为明明显显。由由于于单单向向位位伸伸时时，除除了了沿沿轴轴向向( (水水平平方方向向) )产产生生拉拉应应变变外外，按按泊泊松松关关系系同同时时在在垂垂直直方方向向上上产产生生负负的的压压应应变变y y（= =x x），因此该段上的电阻不仅不增加，反而是减少的。），因此该段上的电阻不仅不增加，反而是减少的。 27电阻应变式传感器(12)课件而而在在圆圆弧弧的的其其他他各各微微段段上上，其其轴轴向向感感受受的的应应变变是是由由+ +x x变变化化到到y y的的
28、，因因此此圆圆弧弧段段部部分分的的电电阻阻变变化化，显显然然将将小小于于其其同同样样长长度度沿沿轴轴向向安安放放的的金金属属丝丝的的电阻变化。电阻变化。由由此此可可见见，将将直直的的金金属属丝丝绕绕成成敏敏感感栅栅后后，虽虽然然长长度度相相同同，但但应应变变状状态态不不同同，应应变变片片敏敏感感栅栅的的电电阻阻变变化化较较直直的的金金属属丝丝小小，因因此此灵灵敏敏系系数数有有所所降降低低，这这种种现象称为应变片的现象称为应变片的横向效应。横向效应。28电阻应变式传感器(12)课件应应变变片片的的横横向向效效应应表表明明，当当实实际际使使用用应应变变片片的的条条件件与与标标定定灵灵敏敏度度系系数
29、数K K时时的的条条件件不不同同时时，由由于于横横向向效效应应的的影影响响，实实际际K K值值要要改改变变，由由此此可可能能产产生生较较大大测测量量误误差差。为为了了减减小小横横向向效效应应的的影影响响，一一般般多多采用箔式应变片。采用箔式应变片。29电阻应变式传感器(12)课件7.7.动态响应特性动态响应特性 当当被被测测应应变变值值随随时时间间变变化化的的频频率率很很高高时时，需需考考虑虑应应变变片片的的动动态态特特性性。因因应应变变片片基基底底和和粘粘贴贴胶胶层层很很薄薄，构构件件的的应应变变波波传传到到应应变变片片的的时时间间很很短短( (估估计计约约0.2s)0.2s)，故故只只需需
30、考考虑虑应应变变沿沿应应变变片片轴轴向传播时的动态响应。向传播时的动态响应。 设设一一频频率率为为 f f 的的正正弦弦应应变变波波在在构构件件中中以以速速度度 v v 沿沿应应变变片片栅栅长方向传播，在某一瞬时长方向传播，在某一瞬时 t t，应变量沿构件分布如图所示。，应变量沿构件分布如图所示。0应变片1lx1x30电阻应变式传感器(12)课件设设应应变变波波波波长长为为，则则有有= = v v /f/f。应应变变片片栅栅长长为为L L，瞬瞬时时t t时应变波沿构件分布为时应变波沿构件分布为 应变片中点的应变为应变片中点的应变为 x xt t为为t t瞬瞬时时应应变变片片中中点点的的坐坐标标
31、。应应变变片片测测得得的的应应变变为为栅栅长长 l 范范围围内内的的平平均均应应变变m m，其其数数值值等等于于 l 范范围围内内应应变变波波曲曲线线下下的的面面积积除除以以 l，即，即31电阻应变式传感器(12)课件 平均应变平均应变m m与中点应变与中点应变t t相对误差相对误差为为由上式可见，相对误差由上式可见，相对误差的大小只决定于的大小只决定于 的比值，表中给出的比值，表中给出了为了为1/101/10和和1/201/20时时的数值。的数值。（%）1.620.52误差误差的计算结果的计算结果1/201/1032电阻应变式传感器(12)课件由由表表可可知知，应应变变片片栅栅长长与与正正弦
32、弦应应变变波波的的波波长长之之比比愈愈小小，相相对对误误差差愈愈小小。当当选选中中的的应应变变片片栅栅长长为为应应变变波波长长的的（1/10-1/201/10-1/20）时，时，将小于将小于2%2%。因为因为式中式中 应变波在试件中的传播速度；应变波在试件中的传播速度；f应变片的可测频率。应变片的可测频率。取取 ，则，则若已知应变波在某材料内传播速度若已知应变波在某材料内传播速度，由上式可计算出栅长，由上式可计算出栅长为为L L的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。33电阻应变式传感器(12)课件基长基长l0（mm）1235101520
33、最高工作频率（最高工作频率（KHz)25012583.3502516.612.5下表为钢材，下表为钢材，v=5000m/s, =5000m/s, 2020的计算结果的计算结果（a a）阶跃输入信号）阶跃输入信号 （b b）理论输出信号）理论输出信号 （c c）实际输出信号）实际输出信号tk=0.8l/v, , 可测最高频率可测最高频率( (误差误差11/e) )为为f=0.35/tk=0.44v/l对阶跃输入应变的响应对阶跃输入应变的响应34电阻应变式传感器(12)课件2.42.4应变片的应用应变片的应用2.4.12.4.1应变片的选择应变片的选择1.1.应变片类型的选择应变片类型的选择2.2
34、.材料的选择材料的选择3.3.阻值的选择阻值的选择4.4.尺寸的选择尺寸的选择 2.4.22.4.2应变片的使用应变片的使用35电阻应变式传感器(12)课件36电阻应变式传感器(12)课件37电阻应变式传感器(12)课件1. 1. 去污：采用手去污：采用手持砂轮工具除去构件持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加叉打磨出细纹以增加粘贴力粘贴力 ，用浸有酒精，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。脂棉球擦洗。 38电阻应变式传感器(12)课件2.2.贴片：在应变片的表贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，
35、面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶各涂一层均匀的粘贴胶 ，用镊子将应变片放上去，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡排出下面的气泡 。39电阻应变式传感器(12)课件3.3.测量测量 ： 从分开的端子处，预从分开的端子处，预先用万用表测量应变片先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断的电阻，发现端子折断和坏的应变片。和坏的应变片。40电阻应变式传感器(12)课件4.4.焊接：焊接： 将引线和端子用烙将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不铁焊接起来，注意不要把端子扯断要把端子扯断。 41电阻应变式传
36、感器(12)课件5.5.固定：固定： 焊接后用胶布将焊接后用胶布将引线和被测对象引线和被测对象固定在一起，防固定在一起，防止损坏引线和应止损坏引线和应变片变片。 42电阻应变式传感器(12)课件2.5 2.5 转换电路转换电路应应变变片片将将应应变变的的变变化化转转换换成成电电阻阻相相对对变变化化R R/ /R R，要要把把电电阻阻的的变变化化转转换换成成电电压压或或电电流流的的变变化化，才才能能用用电电测测仪仪表表进进行行测测量量。电电阻阻应应变变片片的的测测量量线线路路多多采采用用交交流流电电桥桥( (配配交交流流放放大大器器) )，其其原原理理和和直直流流电电桥相似。直流电桥比较简单，因
37、此首先分析直流电桥。桥相似。直流电桥比较简单，因此首先分析直流电桥。2.5.1恒压源直流电桥恒压源直流电桥43电阻应变式传感器(12)课件如如图图所所示示。电电源源U Ui i为为恒恒压压源源，其其内内阻阻为为零零。根根据据电电路路学学中中的的克克希希霍霍夫定律，列出电路方程：夫定律，列出电路方程：R2R4R1R3Ui恒压电桥电路原理图RoACDIoB44电阻应变式传感器(12)课件式中式中R0为负载电阻，因而其输出电压为负载电阻，因而其输出电压U0为为:联立求解上述方程，求出检流计中流过的电流联立求解上述方程，求出检流计中流过的电流I Io o为为: :当当R1R4=R2R3时，时，I0=0
38、，U0=0，即电桥处于平衡状态。，即电桥处于平衡状态。若电桥的若电桥的负载电阻负载电阻R0为无穷大，则为无穷大，则B、D两点可视为开路，上式两点可视为开路，上式可以化简为可以化简为:45电阻应变式传感器(12)课件设设R1为为应应变变片片的的阻阻值值，工工作作时时R1有有一一增增量量R1，当当为为拉拉伸伸应应变变时时，R1为为正正；压压缩缩应应变变时时，R1为为负负。在在上上式式中中以以R1+R1代替代替R1，则，则(2-12)46电阻应变式传感器(12)课件由于由于R1 R1 , ,略去略去(2-13)分母中的分母中的 R1 /R1得：得：整理得：整理得：(2-13)定义定义桥臂比桥臂比：(
39、2-14)47电阻应变式传感器(12)课件(2-15)当当dKU/dn=0时，时， KU最大，此时最大，此时n=1； 即即R2=R1；R4= R3当当n=1时，电桥为等臂电桥，其输出电压为：时，电桥为等臂电桥，其输出电压为：(2-16)定义定义电桥灵敏度：电桥灵敏度：48电阻应变式传感器(12)课件 单臂直流电桥的非线性误差单臂直流电桥的非线性误差如果不略去（如果不略去（2-132-13）式中分母的）式中分母的RR1 1 /R/R1 1项，则电桥实际输出值为项，则电桥实际输出值为U U0 0，非线性误差为：，非线性误差为： 当当n=1n=1时，时， 可可见见非非线线性性误误差差与与R1/R1R
40、1/R1成成正正比比。对对金金属属电电阻阻应应变变片片，RR非非常常小小，电电桥桥非非线线性性误误差差可可以以忽忽略略。对对半半导导体体应应变变片片，由由于于其其灵灵敏敏度度大大，受受应应变变时时RR很很大大，非非线线性性误误差差将将不不可可忽忽略略，因因此此应应采采用用差差动动电桥。电桥。49电阻应变式传感器(12)课件差动电桥差动电桥两臂差动两臂差动电桥的输出电压为：电桥的输出电压为：设初始时为设初始时为R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R；则上式为；则上式为若工作时应变片一片受拉、一片受压，即若工作时应变片一片受拉、一片受压，即RR1 1= =RR2 2=R=R
41、，则，则可见，这时输出电压可见，这时输出电压U U0 0与与R/RR/R间成严格的线性关系，且电桥灵间成严格的线性关系，且电桥灵敏度比单臂电桥提高一倍。敏度比单臂电桥提高一倍。50电阻应变式传感器(12)课件若采用四臂差动电桥（若采用四臂差动电桥（全桥全桥），如图，），如图，并设初始时并设初始时R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R；工作时各个；工作时各个桥臂中电阻应变片电阻的变化为：桥臂中电阻应变片电阻的变化为：RR1 1、RR2 2、RR3 3、RR4 4；则电桥输出为：；则电桥输出为： 若若RR1 1=R=R4 4= =RR2 2= =RR3 3=R=R，则有，则
42、有 51电阻应变式传感器(12)课件2.5.22.5.2恒流源电桥恒流源电桥设供电电流为设供电电流为I I，当，当RR1 1=0=0时，且负时，且负载电阻很大，通过各臂的电流为载电阻很大，通过各臂的电流为输出电压为：输出电压为：若电桥初始处于平衡状态，且若电桥初始处于平衡状态，且R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R；当；当R R1 1变为变为R+RR+R时，时，电桥输出电压为电桥输出电压为非线性误差比恒压源非线性误差比恒压源电桥减小了电桥减小了 52电阻应变式传感器(12)课件2.5.32.5.3交流电桥交流电桥n交交流流载载波波放放大大器器具具有有灵灵敏敏度度高高、
43、稳稳定定性性好好、外外界界干干扰扰和和电电源源影影响响小小及及造造价价低低等等优优点点，但但存存在在工工作作频频率率上上限限较较低低、长长导导线线时时分分布布电容影响大等缺点。电容影响大等缺点。n直直流流放放大大器器工工作作频频带带宽宽，能能解解决决分分布布电电容容问问题题，但但它它需需配配用用精精密稳定电源供桥，造价较高。密稳定电源供桥，造价较高。近近年年来来随随着着电电子子技技术术的的发发展展，在在数数字字应应变变仪仪、超超动动态态应应变变仪仪中中已已逐渐采用直流放大形式的测量线路。逐渐采用直流放大形式的测量线路。1 1交流电桥的平衡条件交流电桥的平衡条件交流电桥电路如图所示交流电桥电路如
44、图所示, ,输出电压为输出电压为平衡条件为平衡条件为：53电阻应变式传感器(12)课件设各臂阻抗为设各臂阻抗为: :式中，式中，r ri i、x xi i为相应各桥臂的电阻和电抗，为相应各桥臂的电阻和电抗，Z Zi i和和i i为复阻抗的模和为复阻抗的模和幅角。幅角。上式表明，交流电桥平衡要满足两个条件，即上式表明，交流电桥平衡要满足两个条件，即相对两臂复阻抗相对两臂复阻抗的模之积相等，并且其幅角之和相等的模之积相等，并且其幅角之和相等。所以交流电桥的平衡比直。所以交流电桥的平衡比直流电桥的平衡要复杂得多。流电桥的平衡要复杂得多。故交流电桥的平衡条件为故交流电桥的平衡条件为: :54电阻应变式
45、传感器(12)课件2 2交流电桥的平衡调节交流电桥的平衡调节对对于于纯纯电电阻阻交交流流电电桥桥，由由于于应应变变片片连连接接导导线线的的分分布布电电容容，相相当当于于在在应应变变片片上上并并联联了了一一个个电电容容，如如图图，所所以以在在调调节节平平衡衡时时，除除使使用用电电阻阻平衡装置外，还要使用电容平衡装置，平衡装置外，还要使用电容平衡装置， 55电阻应变式传感器(12)课件2.62.6电阻应变片的温度误差及其补偿电阻应变片的温度误差及其补偿 1.1.温度误差及其产生原因温度误差及其产生原因用用作作测测量量应应变变的的金金属属应应变变片片，希希望望其其阻阻值值仅仅随随应应变变变变化化，而
46、而不不受受其其它它因因素素的的影影响响。实实际际上上应应变变片片的的阻阻值值受受环环境境温温度度( (包包括括被被测测试试件件的的温温度度) )影影响响很很大大。由由于于环环境境温温度度变变化化引引起起的的电电阻阻变变化化与与试试件件应应变变所所造造成成的的电电阻阻变变化化几几乎乎有有相相同同的的数数量量级级，从从而而产产生生很很大大的的测测量量误误差差，称称为为应应变变片片的的温温度度误误差差，又又称称热热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝应变片的电阻丝( (敏感栅敏感栅) )具有一定温度系数；具有一定温度系数；
47、电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。 56电阻应变式传感器(12)课件 设环境引起的构件温度变化为设环境引起的构件温度变化为t t（）时，粘贴在试件表）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为 ，则应变片产生的，则应变片产生的电阻相对变化为电阻相对变化为 由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当t t 存在时，引起应变片的附加应变，相应的电阻相对变化为存在时，引起应变片的附加应变，相应的电阻相对变化为 g g试件材料线膨胀系数；试件材料线膨胀系数；
48、s s敏感栅材料线膨胀系数。敏感栅材料线膨胀系数。 K K应变片灵敏系数。应变片灵敏系数。57电阻应变式传感器(12)课件温度变化形成的总电阻相对变化：温度变化形成的总电阻相对变化： 相应的虚假应变为相应的虚假应变为上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化度变化t t 时，应变片的温度效应。用应变形式表现出来，称时，应变片的温度效应。用应变形式表现出来，称之为热输出。之为热输出。可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能( (, ,s s) )有关，而且与被测
49、试件材料的线膨胀系数有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数( (g g) )有关。有关。 58电阻应变式传感器(12)课件2.2.温度误差补偿方法温度误差补偿方法（1 1）自补偿法）自补偿法1 1）单丝自补偿）单丝自补偿由由前前式式知知，若若使使应应变变片片在在温温度度变变化化t t时时的的热热输输出出值值为为零零，必必须须使使每一种材料的被测试件，其线膨胀系数每一种材料的被测试件，其线膨胀系数g都为确定值，可以在都为确定值，可以在有关的材料手册中查到。在选择应变片时，若应变片的敏感栅是有关的材料手册中查到。在选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电阻温度系数用单一的合金丝制
50、成，并使其电阻温度系数和线膨胀系数和线膨胀系数s 满满足上式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片足上式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。称为单丝自补偿应变片。 单单丝丝自自补补偿偿应应变变片片的的优优点点是是结结构构简简单单，制制造造和和使使用用都都比比较较方方便便，但但它它必必须须在在具具有有一一定定线线膨膨胀胀系系数数材材料料的的试试件件上上使使用用，否否则则不能达到温度自补偿的目的。不能达到温度自补偿的目的。59电阻应变式传感器(12)课件应应变变片片由由两两种种不不同同符符号号的的电电阻阻温温度度系系数数（一一种种为为正正值值，一一种
51、种为为负负值值）的的材材料料串串联联组组成成敏敏感感栅栅，以以达达到到一一定定的的温温度度范范围围内内在在一一定定材材料料的的试试件件上上实现实现温度补偿。温度补偿。R R1 1t t= = R R2 2t t该方法补偿效果可达该方法补偿效果可达0.45。2 2）双丝组合式自补偿）双丝组合式自补偿这这种种应应变变片片的的自自补补偿偿条条件件要要求求粘粘贴贴在在某某种种试试件件上上的的两两段段敏敏感感栅栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即即60电阻应变式传感器(12)课件 另一种类型是两种电阻应变片敏感栅材料的另一种类型是两种电阻应变
52、片敏感栅材料的电阻温度系数符电阻温度系数符号相同号相同，而两者是串接起来。接成电桥形式。，而两者是串接起来。接成电桥形式。当没有温度变化时，电桥当没有温度变化时，电桥平衡，输出端平衡，输出端Us=0Us=0，则：，则：当温度变化时，当温度变化时，R R1 1和和R R2 2都都变化，如果仍要使得输出变化，如果仍要使得输出为为0 0，即电桥仍然平衡，即电桥仍然平衡，61电阻应变式传感器(12)课件优点优点：精度高，可达到：精度高，可达到0.1/0.1/o o C C缺点缺点：一方面对附加电阻：一方面对附加电阻R RB B的精度要求比较高的精度要求比较高 另一方面当应变片感受应变时，补偿栅另一方面
53、当应变片感受应变时，补偿栅R R2 2虽然有低的应虽然有低的应变灵敏系数，但总会感受应变，则变灵敏系数，但总会感受应变，则R1R1和和R2R2都感受应变，电阻都感受应变，电阻都变化，但两个处于电桥的相邻臂，在分压时都变化，但两个处于电桥的相邻臂，在分压时R2R2的阻值变化会的阻值变化会抵消一部分抵消一部分R1R1的变化，因此补偿栅会抵消工作栅的一部分应的变化，因此补偿栅会抵消工作栅的一部分应变，从而使输出降低了，灵敏系数降低。变，从而使输出降低了，灵敏系数降低。分析分析 ：结果：结果：R2 感受应变时，输出电压降低了感受应变时，输出电压降低了62电阻应变式传感器(12)课件（2 2）桥路补偿法
54、）桥路补偿法如如图图，工工作作应应变变片片R R1 1安安装装在在被被测测试试件件上上，另另选选一一个个特特性性与与R R1 1相相同同的的补补偿偿片片R RB B，安安装装在在材材料料与与试试件件相相同同的的补补偿偿件件上上，温温度度与与试试件件相相同同，但但不不承承受受应应变变。R R1 1与与R RB B接接入入电电桥桥相相邻邻臂臂上上。由由于于相相同同温温度度变变化化造造成成R R1 1和和R RB B电电阻阻变变化化相相同同，根根据据电电桥桥理理论论可知，电桥输出电压与温度变化无关。可知，电桥输出电压与温度变化无关。63电阻应变式传感器(12)课件 应当指出，若要实现完全补偿，上述分
55、析过程必须应当指出，若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下满足以下4 4个条件：个条件： 在应变片工作过程中，保证在应变片工作过程中，保证R R3=3=R R4 4。 R R1 1和和R RB B两个应变片应具有相同的电阻温度系两个应变片应具有相同的电阻温度系数数、线膨胀系数、线膨胀系数、应变灵敏度系数、应变灵敏度系数K K和初始电阻和初始电阻值值R R0 0。 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被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。测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。 两应变片应处于同一温度场。两应变片应处于同一温度场。64电阻应变式传感器
56、(12)课件 有时根据被测试件的应变情况有时根据被测试件的应变情况, , 亦可不专门设补偿亦可不专门设补偿件件, , 而将补偿片也贴在被测试件上而将补偿片也贴在被测试件上, , 使其既能起到温度补使其既能起到温度补偿作用偿作用, , 又能提高灵敏度。又能提高灵敏度。 例如例如, , 构件作纯弯曲形变时构件作纯弯曲形变时, , 构件面上部的应变为拉构件面上部的应变为拉应变应变, , 下部为压应变下部为压应变, , 且两者绝对值相等符号相反。且两者绝对值相等符号相反。 测测量时可将量时可将R R贴在被测试件的下面贴在被测试件的下面, , 接入电桥中。接入电桥中。 由于在由于在外力矩外力矩M M作用
57、下作用下, RB, RB与与R1R1的变化值大小相等符号相反的变化值大小相等符号相反, , 电电桥的输出电压增加一倍。此时桥的输出电压增加一倍。此时RBRB既起到了温度补偿作用既起到了温度补偿作用, , 又提高了灵敏度又提高了灵敏度, , 而且可补偿非线性误差。而且可补偿非线性误差。65电阻应变式传感器(12)课件66电阻应变式传感器(12)课件67电阻应变式传感器(12)课件2.72.7电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.7.12.7.1电阻应变式力传感器电阻应变式力传感器1 1柱式力传感器柱式力传感器柱柱式式力力传传感感器器的的弹弹性性元元件件分分实实心心和和空空心心两两种种，如如图图。其
58、其特特点点是是结结构构简简单单，可可承承受受较较大大载载荷荷，最最大大可可达达10107 7N N，在在测测10103 310105 5N N载载荷荷时时，为为提提高高变变换换灵灵敏敏度度和和抗抗横横向向干干扰扰，一一般般采用空心圆柱结构。采用空心圆柱结构。 根据材料力学，柱沿轴向的应变为根据材料力学，柱沿轴向的应变为应变的大小取决于应变的大小取决于S S、E E、F F，与轴长度无关。，与轴长度无关。68电阻应变式传感器(12)课件图3-13圆柱（筒）式力传感器（a）柱式；（b）筒式；（c）圆柱面展开图；（d）桥路连线图69电阻应变式传感器(12)课件圆柱的直径的计算：圆柱的直径的计算：根据
59、材料极限应力根据材料极限应力 b b 来计算来计算即即：F/S=2D+l 或或 H=D-d+l 应变片长度应变片长度70电阻应变式传感器(12)课件BLR1BLR1型拉力传感器型拉力传感器 71电阻应变式传感器(12)课件72电阻应变式传感器(12)课件应变式荷重传感器外形及受力位置应变式荷重传感器外形及受力位置FF73电阻应变式传感器(12)课件悬臂梁式：悬臂梁式：等截面梁：等截面梁：=6Fl0/Ebh=6lF/Eb0h等强度梁：等强度梁：2 2梁式力传感器梁式力传感器74电阻应变式传感器(12)课件双孔平行梁：双孔平行梁：抗弯断面系数抗弯断面系数差动电桥输出：差动电桥输出：可见载荷的位置不
60、影响输出可见载荷的位置不影响输出载荷可以施加在任何位置，都可以载荷可以施加在任何位置，都可以简化为作用于梁端部的力简化为作用于梁端部的力F F及一个力偶及一个力偶M M75电阻应变式传感器(12)课件S S型双孔梁型双孔梁差动电桥输出：差动电桥输出：抗弯断面系数抗弯断面系数76电阻应变式传感器(12)课件应变式力传感器应变式力传感器 FFFF77电阻应变式传感器(12)课件 吊钩秤吊钩秤 便携式便携式78电阻应变式传感器(12)课件各种悬臂梁各种悬臂梁 FF固定点固定点固定点固定点电缆79电阻应变式传感器(12)课件剪切弹性模量剪切弹性模量应变片安装在弹性元件剪应变最应变片安装在弹性元件剪应变
61、最大处的主应变方向。剪切式力传大处的主应变方向。剪切式力传感器的输出和精度比拉压式力传感器的输出和精度比拉压式力传感器高。感器高。3.3.剪切式力传感器剪切式力传感器梁长度的中间截面弯矩为零，中梁长度的中间截面弯矩为零，中性层处是最大剪应变所在处，为性层处是最大剪应变所在处，为此将电阻应变片安装在该截面的此将电阻应变片安装在该截面的中性层上，栅丝与中性层成中性层上，栅丝与中性层成4545方向，即最大正应变方向。方向，即最大正应变方向。四片应变片接成全桥电路后，电桥输出指示的应变与外力的关系为：四片应变片接成全桥电路后，电桥输出指示的应变与外力的关系为： 矩形截面梁：矩形截面梁： 工字形截面梁：
62、工字形截面梁：80电阻应变式传感器(12)课件减小弯矩影响的剪切力传感器贴片方式减小弯矩影响的剪切力传感器贴片方式 轮辐式剪切力传感器轮辐式剪切力传感器 81电阻应变式传感器(12)课件2.7.2 2.7.2 电阻应变式压力传感器电阻应变式压力传感器1 1平膜片式压力传感器平膜片式压力传感器在在膜膜片片中中心心（R=0），r、t达达到到正正最最大大值值；当当r0.635r0时时，r=0；当当r0.635r0时时，r产产生生负负值值；当当rr0时时，t=0，r达达到到负负最最大大值值。一一般般用用小小栅栅长长应应变变片片在在膜膜片片中中心心沿沿切切向向贴贴两两片片，在在边边缘缘处处沿沿径径向向贴
63、贴两两片片，并并接接成成全全桥桥线线路路，以以提提高高灵灵敏敏度度和和进进行行温温度度补偿。补偿。82电阻应变式传感器(12)课件2.2.筒式压力传感器筒式压力传感器如如图图（a a）, ,当当内内腔腔与与被被测测压压力力场场相相通通时时，圆圆筒筒部部分分外外表表面面上上的的切切向向应应变（沿着圆周线）为变（沿着圆周线）为若筒壁较薄时，可用下式计算应变若筒壁较薄时，可用下式计算应变 式式中中，筒筒的的外外径径与与内内径径之之差差，=D0D。(b)(c)(b)(c)贴片方式贴片方式可实现温度补偿可实现温度补偿83电阻应变式传感器(12)课件2.7.32.7.3电阻应变式加速度传感器电阻应变式加速
64、度传感器84电阻应变式传感器(12)课件加速度传感器系统模型加速度传感器系统模型 85电阻应变式传感器(12)课件2.82.8电阻应变仪电阻应变仪86电阻应变式传感器(12)课件2.9 2.9 压阻式传感器压阻式传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的物性型传是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的物性型传感器。感器。优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。 2.9.1 2.9.1 基本工作原理基本工作原理 单单晶晶硅硅材材料料在在受受到到应应力力作作用用后后，其其电电阻阻率率发发生生明明显显变变
65、化化，这这种种现象被称为现象被称为压阻效应。压阻效应。电阻相对变化量电阻相对变化量对半导体材料对半导体材料式中，式中，压阻系数压阻系数, ,与晶向有关。与晶向有关。87电阻应变式传感器(12)课件用用于于制制作作半半导导体体应应变变片片的的材材料料最最常常用用的的是是硅硅和和锗锗。在在硅硅和和锗锗中中渗渗进进硼硼、铝铝、镓镓、铟铟等等杂杂质质，可可以以形形成成P P型型半半导导体体；如如渗渗进进磷磷、锑锑、砷砷等等，则则形形成成N N型型半半导导体体。渗渗入入杂杂质质的的浓浓度度越越大大，半半导导体体材材料的电阻率就越低。料的电阻率就越低。 参数参数 硅（硅（=10）锗（锗（=10）NPNPl
66、/10-7N-11001101111026386.5719337295647.565E l/107-N1001101111.301.671.871.011.381.55KB1001101111321041310123177297147565103由由表表可可见见，半半导导体体是是各各向向异异性性材材料料，其其压压阻阻系系数数与与晶晶向向密密切切相相关关。N N型型硅硅的的100100晶晶向向、P P型型硅硅的的111111晶晶向向、N N型型锗锗的的111111晶晶向向、P P型型锗的锗的111111晶向，其灵敏系数比金属丝应变片要大几十倍。晶向，其灵敏系数比金属丝应变片要大几十倍。88电阻应
67、变式传感器(12)课件2.9.22.9.2半导体应变片半导体应变片89电阻应变式传感器(12)课件2.9.32.9.3压阻式传感器压阻式传感器将将制制作作成成一一定定形形状状的的N N型型单单晶晶硅硅作作为为弹弹性性元元件件，选选择择一一定定的的晶晶向向，通通过过半半导导体体扩扩散散工工艺艺在在硅硅基基底底上上扩扩散散出出4 4个个P P型型电电阻阻，构构成成惠惠斯斯登登电电桥桥的的四四个个桥桥臂臂，从从而而实实现现了了弹弹性性元元件件与与变变换换元元件件一一体体化化，这这样样的的敏敏感感器器件件称称为为压压阻阻式式传传感感器器。压压阻阻式式传传感感器器主主要要用用于于测测量量压压力力、加加速速度和载荷等参数。度和载荷等参数。1 1压阻式压力传感器压阻式压力传感器90电阻应变式传感器(12)课件2 2压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器2.9.42.9.4压阻式传感器输出信号调理压阻式传感器输出信号调理91电阻应变式传感器(12)课件由由MAXIM1450MAXIM1450压阻式传感器专用芯片构成的测量电路压阻式传感器专用芯片构成的测量电路 92电阻应变式传感器(12)课件
