第2章 2 力敏传感器与力的测量（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（西安交通大学出版社）

传感器与检测技术 第2章 力学量传感与测量 压力传感器与压力测量 力敏传感器与力的测量 位移传感器与位移测量 2.1 2.2 2.3 质量传感器与质量测量 2.4 2.2 力敏传感器与力的测量 电阻应变式传感器 2.2.1 电阻应变式传感器的核心元件是电阻应变片，将应变片粘贴到不同的弹性敏感元件上，可构成测量力、力矩、位移、加速度、温度等参数的传感器。所以，电阻应变式传感器不仅能进行应变测量，而且可以对能变换为应变的其他物理量进行测量。尽管电阻应变式传感器早在20世纪40年代就已批量生产，并且各种新型传感器不断涌现，但电阻应变式传感器以其优越的性能仍是检测技术中的一个重要的检测元件，广泛应用于工程和科学研究，如机械、建筑、化工、航天航空、电气控制和医学等领域。 （1）测量精度高，使用范围广。 （2）结构简单，体积小、质量轻。 （3）惯性小，频率响应特性好。 （4）可在各种恶劣环境下工作。 （5）有较高的性能价格比，品种多， 规格齐，便于选用。 电阻应变式传感器的主要特点 2.2 力敏传感器与力的测量 4 金属导体材料在外力作用下发生机械形变时，其电阻值随着所受机械形变（伸长或缩短）而发生变化的现象，称为金属的应变效应，如图2.2.1所示。设一段金属丝的长度为L，半径为r，截面积为S，电阻率为ρ，其未受力时的电阻为R，则 1）金属的应变效应 电阻应变片式传感器的工作原理 1. 图2.2.1 金属导体的应变效应 2.2 力敏传感器与力的测量 5 如果金属丝沿轴向方向受拉力F而产生形变，其长度L变化dL，截面积S变化dS，电阻率ρ变化dρ，因而引起电阻R变化dR。将式(2.2.1)两边取对数并微分可得 2.2 力敏传感器与力的测量 将式（2.2.3）、式(2.2.4)代入式（2.2.2），整理得 2.2 力敏传感器与力的测量 2.2 力敏传感器与力的测量 2）半导体材料的应变效应 锗、硅等半导体材料同样具有应变压阻效应，与金属材料不同的是当半导体材料受到应变时，其电阻率的变化可表述为 2.2 力敏传感器与力的测量 从Ks表达式可以看到，半导体材料的应变灵敏系数由两部分组成。第一部分（1+2μ）是由于受力后尺寸变化产生，第二部分πE是由半导体材料的压阻效应所致，而πE(1+2μ),Ks≈πE，所以半导体材料的应变电阻效应主要是压阻效应所致。 2.2 力敏传感器与力的测量 电阻应变片（简称应变片或应变计）粘贴于弹性体表面或者直接粘贴于被测试件上，弹性体或试件的变形通过基底和黏结剂传递给敏感栅，使其电阻值发生相应的变化。将电阻值的变化通过转换电路转换为电压或电流的变化，即可测量应变。 3）电阻应变片的结构与材料 2.2 力敏传感器与力的测量 图2.2.2 典型应变片的结构 1—敏感栅； 2—基底； 3—引线； 4—盖层； 5—黏结剂 2.2 力敏传感器与力的测量 2.2 力敏传感器与力的测量 2.2 力敏传感器与力的测量 （2）基底。基底的作用是固定和保持敏感栅的几何形状及相对位置。基底材料主要有纸质、胶质和金属。由于基底起着将试件应变传递到敏感栅的作用，所以基底在保证强度的情况下，应做得尽量薄，一般为0.02～0.04 mm。 （3）引线。引线的作用是连接应变片与测量电路。通常采用直径为0.1～0.15 mm的镀锡铜导线，也可以用和敏感栅同样的材料来制作引线。 2.2 力敏传感器与力的测量 （4）盖层。盖层是用纸质或胶质材料覆盖在敏感栅上，使敏感栅免受潮湿、腐蚀或机械冲击等造成损坏，起到保护敏感栅的作用。 （5）黏结剂。在完成应变片的制作后，还需使用黏结剂将应变片粘贴到试件表面的被测部位，黏结剂起着将敏感栅和盖层固定在基底上的作用，应能将试件受力后的应变准确地传递到基底和敏感栅。根据应变片使用的温度不同，常用的黏结剂有适用中、低温和常温的快干胶（501）、聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂和聚亚胺等；适用高温的磷酸盐、硅酸盐及硼酸盐等。 2.2 力敏传感器与力的测量 图2.2.3 电阻应变片的主要结构形式 2.2 力敏传感器与力的测量 电子应变片的主要特性 2. 1）电阻值 电阻值R0是指应变片在室温环境中，还未安装在试件上且不受力的情况下所测得的电阻值，亦称初始值。电阻应变片（敏感栅）的阻值有60 Ω、120 Ω、200 Ω等系列规格，其中120 Ω的最为常用。 2.2 力敏传感器与力的测量 2）灵敏系数 当具有初始电阻值的应变片粘贴于试件表面时，满足应变片轴向应力与主应力方向一致且试件单向受力的条件，试件受力引起的