第3章 电阻式传感器（课件）- 《传感器检测技术》同步教学（机工版）

传感器与检测技术 第3章电阻式传感器　 3.1 工作原理 3.2 电阻应变片的温度误差及补偿 3.3 电阻应变片的测量电路 3.4 电阻式传感器的应用 3.1电阻应变传感器工作原理 电阻式应变传感器作为测力与应变的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维（5×10-5N)，大到登月火箭（5×107N)，精确度可到 0.01—0.1%，有10年以上的校准稳定性。可用于应变力、压力、转矩、位移、加速度。据统计日本力传感器中应变片占70%，美国占90%。 电阻式传感器是应用最广泛的传感器，传感 器的基本原理是将被测的非电量转换成电阻 值的变化，再经转换电路变换成电量输出。 应变式传感器特征： 主要优点，使用简单、精度高、范围大体积小。 缺点，电阻、半导体会随温度变化。 不同材料类型，金属应变片、半导体应变片； R X 概述 3.1电阻应变传感器工作原理 概述 各种电子秤 广泛应用于－ 3.1电阻应变传感器工作原理 概述 高 精 度 电 子 汽 车 衡 动态电子秤 电子天平 3.1电阻应变传感器工作原理 机械秤包装机 吊秤 概述 3.1电阻应变传感器工作原理 上海卢浦大桥通车应变试验 3.1电阻应变传感器工作原理 上海国际会议中心模型试验 3.1电阻应变传感器工作原理 打桩船吊塔 强度试验 3.1电阻应变传感器工作原理 金属应变片结构： 网状敏感栅——高阻金 属丝、金属箔 基片———绝缘材料 盖片———保护层     金属电阻应变片的基本原理基于电阻应变效应即，导体产生机械形变时它的电阻值发生变化。 应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变：当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 弹性元件：具有弹性应变特性的物体 应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量 3.1 电阻应变传感器工作原理 3.1.1 应变效应 电阻应变片的工作原理是基于应变效应。即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化， 这种现象称为“应变效应”。 一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为： 当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长Δl，横截面积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了Δρ，从而引起电阻值变化量为 ： 式中：dL/L——长度相对变化量，用应变ε表示为 电阻相对变化量： 3.1 电阻应变传感器工作原理 3.1 电阻应变传感器工作原理 dA/A——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2πr dr，则 ： 材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长， 沿径向缩短， 轴向应变和径向应变的关系可表示为 ： μ为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。 因此由 推得： 3.1 电阻应变传感器工作原理 定义：电阻丝的灵敏系数为单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为 也可以表示为： 3.1 电阻应变传感器工作原理 灵敏度系数K受两个因素影响 一是：应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2μ 二是：应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即（∆ρ/ρ）/ε。 对金属材料：1+2μ＞＞(∆ ρ/ρ)/ε 对半导体材料：(∆ ρ/ρ)/ε＞＞1+2μ 大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。 3.1 电阻应变传感器工作原理 3.1.2 电阻应变片种类 常用的电阻应变片有两种： 金属电阻应变片 半导体应变片 1、金属电阻应变片 金属丝式 Ф0.012-0.050mm金属丝（康铜、镍铬合金、贵金属）做敏感栅 金属箔式 用光刻腐蚀工艺、照相制版制作成厚0.003mm—0.010mm的金属箔栅 金属箔式应变片散热条件好，可做成任意形状，应用广泛。 3.1 电阻应变传感器工作原理 3.1 电阻应变传感器工作原理 2、半导体电阻应变片 半导体电阻应变片的工作原理主要基于半导体材料的压阻效应。 3.1 电阻应变传感器工作原理 半导体敏感元件产生压阻效应时其电阻率的相对变化与应变力间的关系为： 因此对于半导体应变片来说，其灵敏系数为： 式中： π——半导体材料的压阻系数; σ——半导体材料的所受应变力; E——半导体材料的弹性模量; ε——半导体材料的应变。 3.2 电阻应变片的温度误差及补偿 应变片安装在自由膨胀的试件上，如果环境温度变化，应变片