2.3电阻应变式传感器(课件）《传感器检测技术》同步教学课件（机械工业出版社）

电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。 电阻式传感器 电阻应变式传感器 目前自动测力或称重中应用最普遍的是应变式传 感器，应变式传感器有下列优点： 1.精确度，线性度好，灵敏度高 2.滞后和蠕变都较小，寿命高 3.容易与二次仪表相匹配实现自动检测 4.结构较简单，体积较小应用灵活 5.工作稳定和保养方便 应变式传感器除可用于测量力参数外，还可用于测量加速 度，振幅等其他物理量。 电阻应变式传感器是利用金属或半导体的电阻应变 效应，将被测量转换为电量输出的一种传感器。 一、工作原理 （一）金属的电阻应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化。 取一根长度为L，截面积为S，电阻率为 的金属丝，未受力时其电阻R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ΔS, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ, 故引起电阻值相对变化量为 式中ΔL/L是长度相对变化量, 用应变ε表示 由材料力学可知, 在弹性范围内, 金属丝受拉力时, 沿轴向伸长, 沿径向缩短, 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为 式中: μ——电阻丝材料的泊松比, 负号表示应变方向相反。    或 通常把单位应变能引起的电阻值变化称为金属电阻丝的灵敏度系数。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 因此 灵敏度系数受两个因素影响: ①受力后材料几何尺寸的变化, 即（1+2μ）; ②受力后材料的电阻率发生的变化, 即Δρ/ ε。 用应变片测量时，将其贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，这是用来直接测量应变。 通过弹性敏感元件 将位移、力、力矩、加速 度、压力等物理量转换为 应变，则可用应变片测量 上述各量，而做成各种应 变式传感器。 (二)应变片的基本结构及测量原理 （1）敏感栅 感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有丝式、 箔式和薄膜式三种。 （2）基底 绝缘及传递应变。测量是应变片的基底提高粘结剂粘在试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。 由纸薄、胶质膜等制成。 （3）粘结剂 敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结。 （4）覆盖层 保护作用。防湿、蚀、尘。 （5）引线 连接电阻丝与测量电路，输出电参量。 二、应变片的类型和材料 （一）应变片的类型和材料 1.金属丝式应变片 回线式：横向效应较大 短接式：克服横向效应 金属丝式应变片材料要求 2.金属箔式应变片 箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电阻箔材，利用照相制版或光刻技术，制成各种需要的形状。 优点： ①可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅；②与被测件粘结面积大；②散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；④横向效应小；⑥蠕变和机械滞后小，寿命长。 缺点：电阻值的分散性大 3.金属薄膜应变片 采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1微米以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大。 存在问题：温度稳定性差 (二)应变片的粘贴 应变片是用粘合剂粘贴到被测件上的。粘合剂形成的胶层必须准确迅速地将披测件应变传进到敏感栅上。粘合剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数，线性以及它们受温度变化影响的程度。 对粘合剂和粘贴工艺有严格要求 电路的作用：将电阻的变化量转换为电压输出。 通常采用直流电桥和交流电桥。  一、 直流电桥 1. 直流电桥工作原理 三、转换电路 直流电桥电路如图所示，它的四个桥臂由电阻 组成 AC端接直流电压U BD端输出电压 一般情况桥路应接成等臂电桥,输出为零。 这样无论哪个桥臂上受到外来信号作用后，桥路都将失去平衡，就会有信号输出。 电桥输出端接入输入阻抗很高的指示仪表或放大器时， 可认为电桥负载为无穷大，电桥输出端相当于开路，只能输出电压信号，称为电压输出。此时，桥路的电流为： AB之间和CD之间的电位差分别为： 空载输出 当电桥平衡时