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1、第第2章章 电阻应变计式电阻应变计式传感器传感器 电阻应变计的应用电阻应变计的应用1.2第第2章章 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器电阻应变计的主要特性电阻应变计的主要特性2.22.3测量电路测量电路2.4电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器2.52.6电阻应变计的温度效应及其补偿电阻应变计的温度效应及其补偿2.1电阻应变计的基本原理与结构电阻应变计的基本原理与结构2.1电阻应变计的基本原理结构和应用电阻应变计的基本原理结构和应用一、导电材料的应变电阻效应一、导电材料的应变电阻效应电阻应变式传感器是目前用于测量力、力矩、压力、加速电阻应变式传感器是目前用于测量力、力矩、压力、加速度、重量等
2、参数最广泛的传感器之一。度、重量等参数最广泛的传感器之一。电阻应变式传感器是电阻应变式传感器是利用应变效应制造的一种测量微小变利用应变效应制造的一种测量微小变化量化量(机械机械)的理想传感器。的理想传感器。电阻应变片的工作原理是基于电阻应变片的工作原理是基于应变效应应变效应，即导体或，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值发生变化，电阻值发生变化，这种现象称为这种现象称为“应变效应应变效应”。3实验演示实验演示 ：取一根细电阻丝，两端接上一台数字式取一根细电阻丝，两端接上一台数字式欧姆表（分辨率为欧姆表（分辨率为1/20001/2
3、000），记下其初始阻），记下其初始阻值（图中为值（图中为10.0110.01）。当我们用力将该电阻。当我们用力将该电阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加（图中增加丝拉长时，会发现其阻值略有增加（图中增加到为到为10.0510.05）。）。测量应力、应变、力的传感测量应力、应变、力的传感器就是利用类似的原理制作的。器就是利用类似的原理制作的。452.1电阻应变计的基本原理结构和应用电阻应变计的基本原理结构和应用dAdAldlRdR（2-2）当电阻丝受到拉力当电阻丝受到拉力F作用作用时，将伸长时，将伸长dl，横截面积相应，横截面积相应减小减小dA，电阻率因材料晶格，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响
4、而改变了发生变形等因素影响而改变了d，从而引起电阻值相对变，从而引起电阻值相对变化量为：化量为：AlR 一根长一根长l，截面积为，截面积为A的金属电阻丝，在其未受力时，原的金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：始电阻值为：（2-1）ll+dl2r2(r-dr)F图图 导体受拉伸后的参数变化导体受拉伸后的参数变化62.1电阻应变计的基本原理结构和应用电阻应变计的基本原理结构和应用22rdrAdAldlAdAdr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为r，由材料力学知：r=A=r2dA/A=2dr/r式中式中 材料材料的轴向线应变，用的轴向线应变，用表示，常用单位表示，常用单位(1=1(1=11
5、010-6-6mm/mm);mm/mm);圆形电阻丝的截面积相对变化量，设圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻为电阻丝的半径：丝的半径：其中其中 导体材料的泊松比。导体材料的泊松比。72.1电阻应变计的基本原理结构和应用电阻应变计的基本原理结构和应用可得：可得：通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的应变灵敏系数应变灵敏系数（简称（简称灵敏系数灵敏系数）。）。其物理意义是其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达式为：单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达式为：dRdR)21(（2-3）dRdRK21（2-4）82.1电阻应变计的基本
6、原理结构和应用电阻应变计的基本原理结构和应用 灵敏系数灵敏系数K受两个因素影响：材料几何尺寸的变化，受两个因素影响：材料几何尺寸的变化，即即1+2；材料的电阻率发生的变化，；材料的电阻率发生的变化，即（即（d/）/。大。大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即变成正比，即K为常数。为常数。1.1.金属材料的应变电阻效应金属材料的应变电阻效应 对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2的值要比的值要比(d/)/大得多，大得多，显然，金属丝材的应变电阻效显然，金属丝材的应变电阻效应
7、以应以结构尺寸变化结构尺寸变化为主。金属材料的电阻相对变化与其线为主。金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应应变电阻效应。对金属或。对金属或合金合金,一般一般Km=1.8Km=1.84.84.8。92.1电阻应变计的基本原理结构和应用电阻应变计的基本原理结构和应用2.2.半导体材料的压阻效应半导体材料的压阻效应 压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时，压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时，其电阻率其电阻率发生变化的现象。发生变化的现象。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
8、料的所受应变力;E半导体材料的弹性模量半导体材料的弹性模量;Ed（2-5）102.1电阻应变计的基本原理结构和应用电阻应变计的基本原理结构和应用2.2.半导体材料的压阻效应半导体材料的压阻效应则：则：由于由于E(1+2)E(1+2)，因此半导体丝材的灵，因此半导体丝材的灵敏系数敏系数KsEKsE。可见，半导体材料的应变电阻。可见，半导体材料的应变电阻效应主要基于效应主要基于压阻效应压阻效应。通常。通常Ks=(50Ks=(5080)Km80)Km。)21(ERdR（2-6）11灵敏度灵敏度金属电阻丝:Km=1+2,为金属材料的泊松系数为金属材料的泊松系数,=0.30.5半导体材料:Ks=(508
9、0)Km,可测微小应变（可测微小应变（600微应变，微应变，长度相对变化量为长度相对变化量为10-6为为1微应变）微应变）线性度线性度金属电阻丝：非线性误差小，在较大测量范围内应变片非线性误差小，在较大测量范围内应变片灵敏系数基本不变。灵敏系数基本不变。半导体材料：非线性误差严重，测量范围小。非线性误差严重，测量范围小。动态特性动态特性金属电阻丝：响应速度在低频时较好，但随频率提高，响应速度在低频时较好，但随频率提高，响应速度有可能跟不上而导致失真响应速度有可能跟不上而导致失真半导体材料：因体积小，保证响应速度良好的频率范围因体积小，保证响应速度良好的频率范围较宽。较宽。2.1电阻应变计的基本
10、原理结构和应用电阻应变计的基本原理结构和应用13利用应变片测量的基本原理：利用应变片测量的基本原理：应力值正比于应变，而应变又正比于电阻值的应力值正比于应变，而应变又正比于电阻值的变化，所以应力正比于电阻值的变化。变化，所以应力正比于电阻值的变化。2.1电阻应变计的基本原理结构和应用电阻应变计的基本原理结构和应用14 2.1电阻应变计的基本原理结构和应用电阻应变计的基本原理结构和应用2.1电阻应变计的基本原理结构和应用电阻应变计的基本原理结构和应用二、电阻应变计的结构与类型二、电阻应变计的结构与类型图图 典型应变计的结构及组成典型应变计的结构及组成(a)(a)丝式丝式 (b)(b)箔式箔式 (
11、c)(c)半导体半导体1 1敏感栅敏感栅 2 2基底基底 3 3引线引线 4 4盖层盖层 5 5粘结剂粘结剂 6 6电极电极152.1电阻应变计的基本原理结构和应用电阻应变计的基本原理结构和应用二、电阻应变计的结构与类型二、电阻应变计的结构与类型结构：结构：(1)(1)敏感栅敏感栅:实现试件表面应变电阻转换的敏感元件。实现试件表面应变电阻转换的敏感元件。通常由直径为通常由直径为0.0150.0150.05mm0.05mm的金属丝绕成栅状，或用金的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。属箔腐蚀成栅状。(2)(2)基底基底:为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位
12、置，通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。基底必须很薄，粘结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。基底必须很薄，一般为一般为0.020.020.04mm0.04mm。(3)(3)引线引线:起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。通常取直径约用。通常取直径约0.10.10.15mm0.15mm的低阻镀锡铜线，并用钎的低阻镀锡铜线，并用钎焊与敏感栅端连接。焊与敏感栅端连接。16二、电阻应变计的结构与类型二、电阻应变计的结构与类型(4)(4)盖层：用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防盖层：用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作
13、用。潮、防蚀、防损等作用。(5)(5)粘结剂：制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结粘结剂：制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；使用应变计时，用它把应变计基底粘贴在试件表于基底；使用应变计时，用它把应变计基底粘贴在试件表面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。2.1电阻应变计的基本原理结构和应用电阻应变计的基本原理结构和应用17二、电阻应变计的结构与类型二、电阻应变计
14、的结构与类型1.金属丝式应变片金属丝式应变片 主要有丝绕式（回线式）和短接式二种。回线式最为主要有丝绕式（回线式）和短接式二种。回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，但横向效常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，但横向效应较大。应较大。短接式应变计的最大优点是横向效应系数很小短接式应变计的最大优点是横向效应系数很小(0.1)，但由于它的焊点多，焊点处截面变化剧烈，因而疲，但由于它的焊点多，焊点处截面变化剧烈，因而疲劳寿命短。劳寿命短。2.1电阻应变计的基本原理结构和应用电阻应变计的基本原理结构和应用182.金属箔式应变片金属箔式应变片 利用照相制版或光刻技术将厚约利用照相制版
15、或光刻技术将厚约0.0030.01mm的金属箔片制成所需图形的敏感栅，也的金属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。称为应变花。箔栅的表面积比丝栅的要大，散热性好，允许通过较大的电流，因而可以输出较强的信号，提高测量灵敏度；敏感栅的横向端部为较宽的栅条，故横向效应较小；蠕变小、疲劳寿命长；制造工艺自动化，可成批生产，生产效率高。2.1电阻应变计的基本原理结构和应用电阻应变计的基本原理结构和应用192.1电阻应变计的基本原理结构和应用电阻应变计的基本原理结构和应用2.金属箔式应变片金属箔式应变片3.半导体应变片半导体应变片 由单晶半导体经切型、切条、光刻腐蚀成形，由单晶半导体经切型、切条、光刻
16、腐蚀成形，然后粘贴在薄的绝缘基片，最后再加上保护层。然后粘贴在薄的绝缘基片，最后再加上保护层。但重复性、温度及时间稳定性差。但重复性、温度及时间稳定性差。灵敏系数大，比丝栅式、箔片式大几十倍，因而输出的信号大；横向效应系数小；机械滞后小；本身的体积小，便于制作小型传感器。2.1电阻应变计的基本原理结构和应用电阻应变计的基本原理结构和应用21第第2章章 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器应变计多为一次性使用，应变计的特性是按规定的条件，从大批量生产中按比例抽样实测而得。静态特性静态特性 灵敏系数K，应变计的轴向应变 一般KK0第二节第二节 电阻应变计的主要特性电阻应变计的主要特性xR RKx第第2章章 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器 横向效应及横向效应系数H 由于传感器是多线的，线与线之间连接部分不在测量方向上，引起横向效应 计算公式：H双向灵敏系数比 标定情况下：可见，横向效应使传感器的灵敏度系数下降，必须使H减小 丝绕式应变计的长度要长、横栅要小。对横向效应分析结果的应用结果之一是箔式应变计0(1)xxR RKH(1)xxyyxxR RKKKaH第第2章章 电阻应变计式传感器
