3.1电阻应变式传感器测量压力（课件）-《传感器检测技术》同步教学（电子工业版）

学 习 目 标 技能目标 能利用电阻应变式传感器测量压力和称重 能利用电感式传感器实现气体压力、位移等信号检测 能利用压电传感器测量压力和加速度 知识目标 掌握电阻应变式传感器的结构、测量电路和工作原理 理解应变片的温度补偿原理和措施 掌握自感式、互感式传感器的结构和工作原理 理解电感式传感器差动结构的优点 掌握压电传感器的结构、工作原理和应用 项目3 压力测量 任务1 电阻应变式传感器测量压力 知识链接 电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。电阻式传感器具有结构简单、使用方便、性能稳定、可靠、灵敏度高和测量速度快等诸多优点，被广泛应用于航空、机械、电力、化工、建筑、医学等许多领域，常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等，是目前使用最广泛的传感器之一。 3.1.1 电阻应变片的种类与结构 电阻应变计分为金属式和半导体式两大类。根据敏感元件的形态不同，金属式应变计又可进一步分为丝式、箔式等。 图3.1 应变计分类 1．丝式应变片 丝式应变片基本结构主要由敏感栅、基底和盖片、黏结剂、引线4部分组成。 1—基底；2—电阻丝；3—覆盖层；4—引线 图3.2 丝式应变片的基本结构 敏感栅是实现应变与电阻转换的敏感元件，由直径为0.015～0.05 mm的金属细丝绕成栅状，将其用黏结剂黏结在各种绝缘基底上，并用引线引出，再盖上既可保持敏感栅和引线形状与相对位置的、又可保护敏感栅的盖片。 电阻应变片的电阻值有60、120、200等几种规格，其中120最为常用。 2．箔式应变片 箔式应变片的敏感栅利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将电阻箔材制成各种形状而成，箔材厚度多为0.001～0.01 mm。 图3.3 箔式应变片 箔式应变片的应用日益广泛，在常温条件下已逐步取代了线绕式应变片，它具有如下几个主要优点： ① 制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制成任意形状以适应不同的测量要求。 ② 敏感栅薄而宽，黏结情况好，传递试件应变性能好。 ③ 散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而可增大输出信号。 ④ 敏感栅弯头横向效应可以忽略。 ⑤ 蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。 3．薄膜应变片 薄膜应变片采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形状的敏感栅，敏感栅的厚度在0.1 m以下。薄膜应变片具有灵敏系数高，易实现工业化生产的特点，是一种很有前途的新型应变片。 表3-1列出了某电子仪器厂生产的部分应变片的主要技术参数，PZ型为纸基丝式应变片，BA、BB、BX型为箔式应变片，PBD型为半导体应变片。 3.1.2 电阻的应变效应 1．应变效应 电阻应变片的工作原理是基于金属的电阻应变效应，即金属丝的电阻随着它所受机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应变化。这是因为金属丝的电阻与材料的电阻率及其几何尺寸有关，而金属丝在承受机械变形的过程中，这两者都要发生变化，因而引起金属丝的电阻变化。 金属丝的轴向应变量 金属丝的径向应变量 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 2．弹性敏感元件 在传感器工作过程中，用弹性元件把各种形式的物理量转换成形变，再由电阻应变计等转换元件将形变转换成电量。所以，弹性元件是传感器技术中应用最广泛的元件之一。 弹性元件结构形式分为柱形、筒形、环形、梁式、轮辐式等几种形式。 （1）柱式弹性元件 柱式弹性元件结构简单，载荷大，分为圆筒形与圆柱形。 图3.4 弹性圆柱 圆柱的应变大小决定于圆柱的结构、横截面积、材料性质和圆柱所承受的力，而与圆柱的长度无关；空心的圆柱弹性敏感元件在某些方面要优于实心元件，但是空心圆柱的壁太薄时，受压力作用后将产生较明显的圆筒形变形而影响测量精度。 （2）薄壁圆筒 薄壁圆筒可将气体压力转换为应变。薄壁圆筒内腔与被测压力相通时，内壁均匀受压，薄壁无弯曲变形，只是均匀地向外扩张。它的应变与圆筒的长度无关，而仅取决于圆筒的半径、厚度和弹性模量，而且轴线方向应变与圆周方向应变不相等。 图3.5 薄壁圆筒受力分析 （3）悬臂梁 悬臂梁是一端固定另一端自由的弹性敏感元件，结构简单