第3章电阻应变片式传感器报告.ppt

本章教学要求及重点、难点 教学要求 了解应变片的基本结构、分类、特性参数； 掌握电阻应变效应及电阻应变片的测量原理； 掌握电阻应变片的测量电路－桥路的三种形式。 了解测量电路的补偿方法 了解压阻效应及压阻式传感器的工作原理 了解电阻应变式传感器的应用。 重点、难点 电阻应变效应电阻应变片的测量电路 应变式传感器的测量电路的补偿方法 概 述 应变片式传感器的基本原理是将非电量的变化转换成应变片电阻值的变化，然后通过转化电路将电阻值的变化转化成电压或电流的输出。具有体积小、结构简单、性能可靠、灵敏度高、动态响应快、测量精度高，是应用最广泛地传感器之一。 3.1 应变片的基本结构与工作原理 一.应变片的基本结构 应变片种类繁多、形式多样，但基本构造大体相同都是由敏感栅、基底、覆盖层、引线及黏合剂构成。如图3.1所示。 图3.2 丝式和箔式两种形式的电阻应变片 金属电阻应变片的敏感栅有丝式和箔式两种形式，如图3.2所示。丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径为0.01mm～0.05mm 的电阻丝平行排列而成。箔式金属电阻应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般为0.003mm~0.01mm。 ⑴ 称为金属电阻丝的轴向应变，简称应变。 ⑵ 称为金属电阻丝的径向应变。 根据材料力学性质，在弹性范围内，当金属丝受到轴向的拉力时，将沿轴向伸长，沿径向缩短。轴向应变和径向应变的关系可以表示为 式中μ—电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相 反 。则电阻值的相对变化量为 (3)电阻丝的灵敏系数K 把单位应变引起的电阻值变化量定义为电阻丝的灵敏 系数K，即 灵敏系数K受两个因素影响： 应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ。 应变片受力后材料的电阻率发生的变化(压阻效应)，即(dρ/ρ )/ε。 对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数K表达式中1+2μ的值通常要比(dρ/ρ )/ε大得多，由于μ=0.3~0.5，所以K值在1.6~2之间。 对半导体材料，(dρ/ρ )/ε的值比1+2μ大得多。 实验表明，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。 2. 横向效应 应变片在承受轴向应力而产生纵向拉应变时，各直线段的电阻将增加，但在半圆弧段受到横向缩短应变，横向缩短作用引起的电阻值减小量对于轴向伸长作用引起的电阻值的增加量起着抵消作用，它使所测应变值偏小，或者说使应变片灵敏系数减小，此现象称为横向效应。 为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片。 三. 应变片的种类及特性参数 1.种类：金属应变片（丝式、箔式）、薄膜式应变片、半导体应变片。 2. 主要特性参数 ⑴ 应变片的原始电阻值 ⑵ 绝缘电阻： ⑶灵敏系数： ⑷允许电流： 3.2 。 二. 应变片测量直流电桥 若将组成桥臂的一个或几个电阻换成电阻应变片，就构成了应变片测量的直流电桥。根据接入电阻应变片的数量及电路组成不同，应变片测量电桥可分为如下三种形式：单臂、半桥、全桥。 1. 直流电桥的平衡条件 在图3.5所示的直流电桥中，大部分电阻应变式传感器的电桥输出端与直流放大器相连，由于直流放大器输入电阻远大于电桥电阻，当RL→∞时，电桥输出电压为 当 即 ，U0=0 电桥处于平 衡状态， 称为电桥平衡条件。 注意：电桥在测量前应对其调零，以使工作时电桥 输出电压只与应变片的电阻变化有关，为得到最大 灵敏度，设定初始条件为 ，此时 电桥称为等臂电桥。 2. 单臂测量电桥 只有一个应变片接入电桥，设R1为接入的应变 片，其他三个桥臂保持固定电阻不变，如图3.6所示。 应变时，若应变片电阻R1的变化为ΔR，其它桥臂 固定不变，电桥输出电压Uo≠0，则电桥不平衡，输 出电压为 设桥臂比n=R2/R1，由于ΔR1R1，分母中ΔR1/R1可忽略，并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3，则上式可写为 当E值确定后，n取何值时才能使KU最高？ 由dKU/dn = 0，求KU的最大值 求得当n=1时，KU为最大值。即在供桥电压E确定后， 当R1=R2=R3=R4=R时，电桥电压灵敏度最高， 此时有 3. 半