电阻应变式传感器的工作原理及应用 2.ppt

主要内容概述概述概述概述 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器,传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时,弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。1、应变效应
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，这种现象称为金属的电阻应变效应。
2、电阻应变片的结构和工作原理
1）应变片的结构
由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。
2）电阻-应变特性

设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，其电阻R为
两边取对数，得
等式两边取微分，得

——电阻的相对变化；——电阻率的相对变化；
——金属丝长度相对变化，用ε表示，ε=称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；——截面积的相对变化。dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr。物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。
KS由两部分组成：
前一部分是（1+2μ），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；
后一部分为，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。
对金属材料，以前者为主，则KS≈1+2μ；
对半导体，KS值主要由电阻率相对变化所决定。
实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常KS在1.8～3.6范围内。3）应变片测试原理
在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为ΔR时，便可得到被测对象的应变值，根据应力与应变的关系，得到应力值σ为丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴向应变ε作用下，全部纵栅的变形视为ΔL1

半圆弧横栅同时受到ε和εr的作用，在任一微小段长度dl=rdθ上的应变εθ可由材料力学公式求得

每个圆弧形横栅的变形量Δl为

纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅的变形量为
应变片敏感栅的总变形为

敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则电阻相对变化为

令

则

可见，敏感栅电阻的相对变化分别是ε和εr作用的结果。当εr=0时，可得轴向灵敏度系数

同样，当ε=0时，可得横向灵敏度系数

横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应系数c。即

由上式可见，r愈小，l愈大，则c愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小一、电阻应变片的种类
2.箔式应变片
它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.003～0.01mm的金属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。
优点：①.可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长l可做0.2mm，以适应不同的测量要求；②.与被测件粘贴结面积大；③.散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；④.横向效应小。
⑤.蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。
缺点：电阻值的分散性比金属丝的大，有的相差几十欧姆，需做阻值调整。在常温下，金属箔式应变片已逐步取代了金属丝式应变片。3、薄膜应变片
薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅,最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大,允许电流密度大,工作范围广。
4、半导体应变片
半导体应变片是用半导体材料制成的,其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时,其电阻率ρ发生变化的现象。
半导体应变片受轴向力作用时,其电阻相对变化为（3-10）实验证明,πE比（1+2μ）大上百倍,所以（1+2μ）可以忽略,因而半导体应变片的灵敏系数为
Ks=二、电阻应变片的材料三、应变片的主要参数当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短(估计约0.2μs)，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。
设一频率为f的正弦应变波在构件中以速度v沿应变片栅长方向传播，在某一瞬时t，应变量沿构件分布如图所示。设应变波波长为λ，则有λ=v/f。应变片栅长为L，瞬时t时应变波沿构件分布为

应变片中点的应变为

xt为t瞬时应变片中点的坐标。应变片测得的应变为栅长l范围内的平均应变εm，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为由表可知，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。当选中的应变片栅长为应变波长的（1/10~1/20）时，δ将小于2%。
因为

式中υ——应变波在试件中的传播速度；