第3章电阻式传感器（课件）- 《传感器与检测技术 （第4版）》同步教学（机工版）

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 知识单元与知识点 应变、应变效应的基本概念； 应变电阻式传感器的工作原理、测量电路与典型应用； 电阻应变片的温度误差及其补偿。 能力点 深入理解应变、应变效应的基本概念； 理解应变片的分类； 把握应变电阻式传感器的工作原理、直流电桥与交流电桥的平衡条件与电压灵敏度特性； 会分析电阻应变片的温度误差及其补偿方法、直流电桥的非线性误差及其补偿方法； 了解应变电阻式传感器的典型应用。 重难点 重点：应变与应变效应的涵义；电阻应变片的温度误差及其补偿方法；应变电阻式传感器的工作原理；电阻应变片的测量电路。 难点：电阻应变片的温度误差及其补偿方法、直流电桥的非线性误差及其补偿方法。 学习要求 掌握应变、应变效应的基本概念； 牚握应变电阻式传感器的工作原理、直流电桥与交流电桥的平衡条件与电压灵敏度特性； 掌握产生电阻应变片温度误差的主要原因及其补偿方法； 了解应变片的分类、应变电阻式传感器的典型应用； 会分析半桥差动、全桥差动对非线性误差和电压灵敏度的改善。 3.1　工作原理 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 应变式传感器 是利用弹性元件和电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器 工作原理： 当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。 结构：应变式传感器由弹性元件（敏感元件）上粘贴电阻应变片（转换元件）构成 应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量 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： 应变效应 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： 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。 推得： 定义：电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为 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。  3.1.2 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 金属电阻应变片 灵敏度取决于尺寸变化（应变效应为主） 半导体应变片 灵敏度取决于电阻率的变化（压阻效应为主） 分析：当半导体应变片受轴向力作用时 半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关： 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。 压阻效应：单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象 因此： 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： 测量原理：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 ： σ=E·ε 应变力正比于电阻值的变化！ 3.1.3 应变片的温度误差及补偿 　1 应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差， 称为应变片的温度误差。 　　产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。  1) 电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示： Rt=R0(1+α