第2章应变式传感器电阻式传感器.ppt

第2章 应变式传感器（属于电阻传感器） 2.1 电阻应变效应 2.2 应变计的主要特性 2.3 应变计的粘贴 2.4 电桥原理及常见的电阻应变计桥路 2.5 温度误差及其补偿 2.6 电阻应变仪 2.7 应变式传感器 2.8 几种新型的微应变式传感器  复习题 2.1 电阻应变效应 应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器, 是常用的传感器之一。 应变式传感器的核心元件是电阻应变计, 本章将先以较大篇幅对其加以介绍, 然后再介绍应变式传感器。  电阻应变计, 也称应变计或应变片, 是一种能将机械构件上的应变的变化转换为电阻变化的传感元件。 图2.1为其构造简图。 排列成网状的高阻金属丝、栅状金属箔或半导体片构成的敏感栅1, 用粘合剂贴在绝缘的基片2上。敏感栅上贴有盖片（即保护片）3。与测量电路连接的引线4. 电阻丝较细, 一般在0.015~0.06 mm, 其两端焊有较粗的低阻镀锡铜丝（0.1~0.2mm）4作为引线, 以便与测量电路连接。 图2.1中, l称为应变计的标距, 也称（基）栅长, a称为（基）栅宽, l×a称为应变计的使用面积。  箔式应变计（实验中用的）的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属薄栅（厚度一般在0.003～0.01mm）。与丝式应变计相比有如下优点:  (1) 工艺上能保证线栅的尺寸正确、 线条均匀, 大批量生产时, 阻值离散程度小。 (2) 可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型小基长（如基长为0.1 mm）的应变计。  (3) 敏感栅截面积为矩形, 表面积大, 散热好, 在相同截面情况下能通过较大电流。 (4) 厚度薄, 因此具有较好的可挠性, 它的扁平状箔栅有利于形变的传递。 (5) 蠕变小, 疲劳寿命高。 (6) 横向效应小。 (7) 便于批量生产, 生产效率高。  图2.3画出了几种箔式应变计。  制作应变计敏感元件的金属材料应有如下要求:  (1)应变灵敏系数k0大, 并在所测应变范围内保持常数。 (2) 电阻率ρ大而稳定。 这样, 在一定电阻值要求下, 同样线径, 所需电阻丝长度短。便于制造小栅长的应变片。 (3) 电阻温度系数小。高温使用时, 还要求耐高温氧化性能好。 (4) 具有良好的加工焊接性能。  薄膜型半导体应变计是利用真空沉积技术将半导体材料沉积于绝缘体或蓝宝石基片上制成的。  扩散型半导体应变计是将P型杂质扩散到高阻的N型硅基片上, 形成一层极薄的敏感层制成的。  外延型半导体应变计是在多晶硅或蓝宝石基片上外延一层单晶硅制成的。  2.2 应变计的主要特性 优点: (1) 测量应变的灵敏度和精确度高。能测1～2微应变（1×10-6 mm/mm）的应变。 误差一般可小于1%。精度可达 0.015%FS（普通精度可达 0.05%FS）。 (2) 测量范围大。 从弹性变形一直可测至塑性变形。 变形范围从1%～20%。 (3) 尺寸小（超小型应变计的敏感栅尺寸为 0.2mm×2.5 mm）, 重量轻, 对试件工作状态和应力分布影响很小。既可用于静态测量, 又可用于动态测量, 且具有良好的动态响应（可测几十甚至上百赫的动态过程）。  (4) 能适应各种环境。可以在高温、超低压、高压、水下、 强磁场以及辐射等恶劣环境下使用。  (5) 价格低廉、 品种多样, 便于选择和大量使用。 最明显的是在θ=π/2 垂直方向的微段, 按泊松比关系产生压应变-εy。该微段电阻不仅不增加, 反而减少。在圆弧的其他各微段上, 感受的应变是由+εx变化到- εy的。这样, 圆弧段的电阻变化, 显然将小于同样长度沿x方向的直线段的电阻变化。 因此, 将同样长的金属线材做成敏感栅后, 对同样应变, 应变计敏感栅的电阻变化较小, 灵敏度有所降低。 这种现象称为应变计的横向效应。 2.3 应变计的粘贴 2.4 电桥原理及电阻应变计桥路 2.4 电桥原理及电阻应变计桥路 等臂电桥通常还有两种工作情况 双臂工作电桥（差动电桥）：两个相邻桥臂有变化，设R1有?