第4章 结构型传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学·2023）

第4章 结构型传感器 第4章 结构型传感器 4.3 电感式传感器 4.2 电容式传感器 4.1 电阻应变式传感器 4.1 电阻应变式传感器 4.1.1 工作原理 4.1.2 结构与类型 4.1.3 主要特性 4.1.4 温度效应及其补偿 4.1.5 电桥测量电路 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻的变化，从而实现电测非电量的传感器。电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应。即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。 4.1.1 工作原理 在外界力的作用下，将引起金属或半导体材料发生机械变形，其电阻值将会相应发生变化，这种现象称为“电阻应变效应”。对于不同的材料，电阻率相对变化的受力效应是不同的。 4.1.1 工作原理 1. 金属材料的应变电阻效应 通过研究发现，金属材料的电阻率相对变化正比于体积的相对变化，即有 式中，C为由材料及加工方式决定的与金属导体晶格结构相关的比例系数。 金属材料的电阻相对变化与其线应变ε成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。 1. 金属材料的应变电阻效应 将式（4-6）代入（4-5）可有 式中，Km=(1+2μ)+C(1-2μ)为金属电阻丝的应变灵敏度系数，它由两部分组成：前半部分为受力后金属丝几何尺寸变化所致，后半部分为因应变而发生的电阻率相对变化. 由以上分析可见： 2. 半导体材料的应变电阻效应 研究发现，锗、硅等单晶半导体材料具有压阻效应，即： 式中，为作用于材料上的轴向应力；为半导体在受力方向的压阻系数；E为半导体材料的弹性模量。 由以上分析可知，外力作用而引起的轴向应变，将导致电阻丝的电阻成比例地变化，通过转换电路可将这种电阻变化转换为电信号输出。这就是应变片测量应变的基本原理。 2. 半导体材料的应变电阻效应 将式（4-8）代入式（4-5）可得 式中，Ks=(1+2μ)+E为半导体丝材的应变灵敏度系数。前半部分为尺寸变化所致，后半部分为半导体材料的压阻效应所致. 返回 利用金属或半导体材料电阻丝（也称应变丝）的应变电阻效应，可以制成测量试件表面应变的敏感元件。为在较小的尺寸范围内敏感应变，并产生较大的电阻变化，通常把应变丝制成栅状的应变敏感元件，即电阻应变计，简称应变计。 4.1.2 结构与类型 应变计的结构 应变片的结构 （1）按加工方法,可以将应变片分为以下四种：丝式应变片、箔式应变片、半导体应变片、薄膜应变片 （2）按敏感栅的材料,可将应变计分为金属应变计和半导体应变计两大类 应变计的类型 2. 应变计的类型 制作应变片敏感栅常用的金属材料有康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、贵金属（铂、铂钨合金等）材料等，其中康铜是目前应用最广泛的应变丝材料。 除敏感栅以外，对基底材料、粘结剂、引线的材料方面都有要求，可以根据应用对象的不同进行选择。 电阻应变计的材料 3. 电阻应变计的材料 选用应变计时，首先应根据使用的目的、要求、对象及环境条件等，对应变计的类型进行选择；然后根据使用温度、时间、最大应变量及精度要求，选用合适的敏感栅、基底材料的应变计；接着根据测量线路或仪器选择合适应变计的标准阻值；最后还应根据试件表面可贴应变片的面积大小选择合适尺寸的应变计。 电阻应变计的选用 4. 电阻应变计的选用与粘贴 电阻应变片工作时，是用粘贴剂粘贴到被测试件或传感器的弹性元件上的。粘贴剂形成的胶层必须准确迅速地将被测应变传递到敏感栅上去，所以粘贴剂以及粘贴技术对于测量结果有着直接的影响。 电阻应变计的粘贴 4. 电阻应变计的选用与粘贴 返回 4. 电阻应变计的选用与粘贴 4.1.3 主要特性 静态特性是指应变计感受不随时间变化或变化缓慢的应变时的输出特性，表征静态特性的指标主要有：灵敏度系数、机械滞后、蠕变、应变极限等。 将具有初始电阻值R的应变计安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变计阻值的相对变化与试件表面轴向应变之比即为灵敏度系数。 应变计的电阻－应变特性与单根电阻丝时不同，一般情况下，应变计的灵敏系数小于相应长度单根应变丝的灵敏系数。 1. 灵敏度系数（k） 横向效应 将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，其灵敏系数降低了，这种现象称为应变片的横向效应。 为了减小横向效应带来的测量误差，一般采用短接式或直角式横栅，现在更多的是采用箔式应变片，可有效克服横向效应的影响。 2. 横向效应 机械滞后 产生机械滞后的原因主要是敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的。为了减小机械滞后，除选用合适的粘合剂外，最好在正式使用之前预先加、卸载若干次再正式测量，以减小机械滞后的影响。 3. 机械滞后 蠕变和零漂 粘贴在试件上的应变计，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间