2-1应变式传感器.ppt

本章主要内容 2.1 电阻应变片 2.2 电阻应变片的主要特性 2.3 电阻应变片的温度特性及其补偿 2.4 电阻应变片的测量电路 2.5 应变式传感器的应用 应变效应 因为：金属导体或半导体的电阻与其电阻率及几何尺寸（长度、面积）有关，当其受到外力作用时，这些参数发生变化，因而引起其电阻的变化，进而引起电流的变化。 设一频率为 f、波长为λ的正弦应变波在构件中以速度v沿应变片轴向传播，应变片栅长为l，应变片两端点的坐标是x1、x2，应变片中点的坐标是xt 。瞬时t 时应变波沿构件分布为 应变片中点的应变为 应变片测得的应变为栅长 l 范围内的平均应变εm，而不是xt点的应变，其数值等于 l 范围内应变波曲线下的面积除以 l。 即： 平均应变εm与中点应变εt相对误差δ为： 可见，相对误差δ的大小只决定于l/λ的比值，下表给出了l/λ为1/10和1/20时δ的数值： 可见，应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈小，相对误差δ愈小。 δ（%） 1.62 0.52 误差δ的计算结果 1/20 1/10 l/λ 若已知应变波在某材料内传播速度υ，由（2-18）式可计算出栅长为L的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率 。 * * 第2章 应变式 电阻传感器 2.1 电阻应变片 应变式传感器的核心元件是电阻应变片，它可将试件上的应力变化转换成电阻变化。 2.1.1 应变效应 导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。 + - DC +6V + R A 实验 原理：金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化。 K 电流: 小 大 施加力F ? R K接通时 安培表指示 安培表变化 电阻：大—小 让我们来做个应变效应的实验?Go!!! 2.1.2 电阻应变片的结构和工作原理 对于一长为L、横截面积为A、电阻率为ρ的金属丝，其电阻值R为： 如果对电阻丝长度作用均匀应力F，则ρ、L、A的变化(dρ、dL、dA)将引起电阻R变化dR，dR可通过对上式的全微分求得： 电阻相对变化量为： 若电阻丝是圆形的， 则A=πr 2,对r 微分 得dA=2πrdr，则： l l+ dl 2r 2(r-dr) F 图2-1 金属丝的应变效应 由材料力学的知识：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为： εy=-μεx （2-5） μ为金属材料的泊松系数。 将式（2-4）、（2-5）代入式（2-3）得： KS称为金属丝的灵敏系数，表示单位应变所引起的电阻的相对变化。 对于确定的材料，(1+2μ)项是常数，其数值约在1~2之间，实验证明dρ/ρ╱εx 也是一个常数。 上式表示金属丝的电阻相对变化与轴向应变成正比关系。 根据应力和应变的关系: 应力 σ=εE，即 σ∝ε， 而 ε∝dR，所以 σ∝dR . 1．金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式。 (1)金属丝式应变片： 将金属电阻丝 （一般是合金， 电阻率较高，直径 约0.02mm）粘贴在 绝缘基片上，上面 覆盖一层薄膜，使它们变成一个整体。 2.1.3 电阻应变片的分类 金属电阻应变片 半导体电阻应变片 基片 覆盖层 金属丝 引线 图2-2 金属丝应变片结构 （2）金属箔式应变片 利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.003~0.010 mm，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。其优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种需要的形状，便于批量生产。 图2-3 箔式应变片 （3）金属薄膜应变片 金属薄膜应变片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。 这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。 常用应变片的形式 金属应变计 2．半导体应变片 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率会发生变化。 当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为 : 式中 为半导体应变片的电阻率的相对变化，其值与半导体敏感条在轴向所受的应力之比为一常数。即 式中 称为半导体材料的压阻系数。 代入（2-10）式，得：