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）

电阻应变式传 感器 传感器检测技术 电阻应变式传感器是利用应变效应原理制成的一种测量微小 机械变化量的理想传感器。它具有悠久的历史，但新型应变片仍 在不断出现，目前仍广泛用于测量力、力矩、加速度、重量等物 理量。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电 阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性 敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变 计一起变形。电阻应变计将变形转换为电阻值的变化，从而可以 测量力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。 电阻应变式传感器 导体或半导体材料在受到外界力(拉力或压力)的作用下 发生机械变形，机械变形会导致其电阻值变化，这种现象称 为应变效应，如图1-4所示。 电阻应变式传感器 一、 电阻应变效应 电阻应变式传感器 设有一根长度为l, 横截面积为S, 电阻率为p的金属丝，在未受 力时，其原始电阻值为 (1-1) 设电阻丝在外力F的作用下被拉伸(或压缩),则其p、I、S均发生 化为dR, 则有 (1-2) 用相对变化量来表示，则有 变化，变化量： (1-3) 假设电阻丝的半径为r, 电阻丝的横截面积为S=πr², 则有dS=2 πrdr, 所以dS/S=2dr/r 。 令电阻丝轴向(纵向)应变e=dl/l, 横向 式中，μ为泊松比。 整理得 用增量表示则有 电阻应变式传感器 应变为dr/r, 由材料力学泊松定律可知 (1-4) (1-5) , 其 中k₀ 为电阻丝的灵敏系数，即单位应变所引 起的电阻的相对变化。通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝 的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量。 由 可知，电阻丝的灵敏系数受两个因素的影响： 个是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ,对某种材料来说 ,它是一个常数；另一个是 它是由电阻丝电阻率的改变而引 (1)对于金属材料 是常数，并且比1+2μ小很多，往往可 以忽略不计，故 ko≈1+2μ。 电阻应变式传感器 起的。 (2)对于半导体材料，(dp/p)/ε 的值比1+2μ大得多，电阻丝 的灵敏系数主要由电阻率相对变化所决定。 (3)大量实验也表明，在金属电阻丝拉伸比例极限内，电阻 相对变化与轴向应变成正比。通常，金属丝的灵敏系数k₀为2左右， 不超过4~5,半导体应变片的灵敏系数为100~200。 半导体应变片的灵敏系数比金属电阻丝式应变片高几十倍，但 半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的应用范 围受到一定的限制。 电阻应变式传感器 1 应 变 片 的 分 类 与 结 构 应变片可分为金属式和 半导体式两大类。金属式又 分为丝式、箔式和薄膜式， 而半导体式也可分为薄膜式 和扩散式。应变片根据基底 材料不同又可分为纸基、胶 基和金属片基等。各种电阻 应变片的结构大致相同，如 图1-5所示。 电阻应变式传感器 电阻应变片的结构和特性 5 的 其中，敏感栅是应变片中把应变量转换成电阻变化量的敏 感部分，它是用金属丝或半导体材料制成的单丝或栅状体。引 线是从敏感栅引出电信号的丝状或带状导线。 (1)黏结剂。黏结剂是具有一定电绝缘性能的黏结材料，用 它将敏感栅固定在基底上。 (2)覆盖层。覆盖层是用来保护敏感栅而覆盖在上面的绝缘 层。 (3)基底。基底用以保护敏感栅，并固定引线的几何形状和 相对位置。用应变片测量应变或应力时，将应变片粘贴到被测 对象的表面上。 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器 2, 应变片的类型和材料 根据敏感栅的形 状，金属电阻应变片 分为丝式、箔式和薄 膜式三种，其中前两 种均须用黏结剂安装 在被测试件上，属于 粘贴式应变片。 敏感栅是应变片的核心部分，它是应变片中将应变量转换成电阻变 化量的电阻体，表面上有一层起保护作用的覆盖层。对电阻丝(敏感栅) 材料应有如下要求： (1)灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数。 (2)p 值大，同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值。 (3)电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值。 (4)与铜线的焊接性能好，与其他金属的接触电势小。 (5)机械强度高，具有优良的机械加工性能。 常用材料为康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金及铂、铂钨合金等。 电阻应变式传感器 1)金属丝式应变片 金属箔式应变片(见图1-6)是利用照相制版或光刻技术将厚度为 0.003~0.01 mm的金属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。 电阻应变式传感器 2)金属箔式应变片 消式应委 2 其优点是：①可制成多种复杂形状和尺寸准确的 敏感栅，栅长可做到0.2 mm, 以适应不同的测量要 求；②与被测件粘贴结面积大；