检测技术下篇6章上

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1、第六章电参数传感器——电阻、电容、电感电阻应变传感器热电阻传感器自感传感器差动变压器涡流传感器电容传感器光电阻传感器6.1电阻应变式传感器1工作原理2电阻应变片的温度误差及补偿3电阻应变片的测量电路4应变式传感器的应用1基本概念应变物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象弹性应变当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变弹性元件具有弹性应变特性的材料应变式传感器概述是利用电阻应变片将其对被测量的应变转换为电阻值变化的传感器工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生形变，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的

2、电阻值变化，通过测量电路转换成电量输出。输出电量的大小反映了被测量的大小。结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量应变效应分析电阻应变片的工作原理是基于应变效应即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。金属电阻丝的应变效应一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积相应减小ΔA，电阻率因材料的晶格发生变形等因素影响将改变Δρ，从而引起电阻值变化量为:式中：dl/l为长度的相对变化量，用应变ε表示:用电阻的相对变

3、化量表示为：dA/A为圆形电阻丝的截面积的相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2πrdr，则材料力学原理：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，轴向应变和径向应变的关系可表示为μ为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。于是可以得到：电阻丝的应变灵敏系数（物理意义）：单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为应变灵敏系数K受两个因素影响:一是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（dρ/ρ）/ε。对金属材料而言：1+2μ＞＞(dρ/ρ)/ε对半导体材料来说：(dρ/ρ)/ε＞＞1+2μ大量实验证明

4、，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。测量原理：在外力作用下，被测对象产生微小的机械变形，应变片随之发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。如果测得应变片电阻值的变化量ΔR时，便可得到被测对象的应变值，根据应力与应变的关系，得到应力值σ为σ=E·ε应变片的结构金属丝式电阻应变片的结构丝式应变片箔式应变片具有高电阻率，直径为0.015～0.05mm的金属丝密密排列成栅状形式而形成敏感栅，通过粘结剂固定在绝缘基底及盖片之间。l为应变片的工作基长;b为应变片的工作宽度;应变片的结构金属箔式电阻应变片的结构丝式应变片箔式应变片用极薄(厚度为3～10

5、μm)的康铜或镍铬金属片腐蚀而成的;在金属片的一面涂上一薄层聚合胶，使之固化为基底常用应变片的形式应变片的误差1.横向效应：对于电阻应变片，横向应变作用引起的电阻值的减小（增加）量对于轴向应变引起的电阻值的增加（减小）量起抵消作用，使所测应变数值偏小，也就是使应变片灵敏度系数减小，这种现象称为横向效应。2.应变片的温度误差由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的原因主要有下述两个方面。1)电阻温度系数的影响敏感栅电阻丝的阻值随温度变化的关系可用下式表示：Rt=R0(1+α0Δt)式中:Rt——温度为t时的电阻值；R0——

6、温度为t0时的电阻值；α0——温度为t0时金属丝的电阻温度系数；Δt——温度变化值，Δt=t-t0。当温度变化Δt时，电阻丝电阻的变化值为：ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时：环境温度变化不会产生附加变形。当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时：环境温度变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。设电阻丝和试件在温度为0℃时的长度均为l0,它们的线膨胀系数分别为βs和βg，若两者不粘贴，则它们的长度分别为ls=l0(1+βsΔt)lg=l0(1+βgΔt)（3-22）（3-23）当两者粘贴在一

7、起时，电阻丝产生的附加变形Δl、附加应变εβ和附加电阻变化ΔRβ分别为那么,由于温度变化而引起的应变片总电阻的相对变化量为:结论：因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K0,α0,βs）以及被测试件线膨胀系数βg有关。3.电阻应变片的温度补偿方法温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。1)线路补偿法电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿法。由上式可知，当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压Uo的作用方向相反,相互抵消。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。实际测