电子工程制图第3章

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1、3.1工作原理3.2电阻应变片特性3.3电阻应变片的测量电路3.4应变式传感器应用第3章应变式传感器返回主目录第3章应变式传感器电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器,传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时,弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。3.1工作原理电阻应变片的工作原理是基于应变效应,即在导体产生机械变形

2、时,它的电阻值相应发生变化。如图3-1所示,一根金属电阻丝,在其未受力时,原始电阻值为R=式中:ρ——电阻丝的电阻率;L——电阻丝的长度;S——电阻丝的截面积。（3-1）应变片工作原理压缩时电阻变小FF金属丝金属丝金属丝FF拉伸时电阻变大金属丝应变片工作原理金属片金属丝应变片工作原理F压缩时电阻变小拉伸时电阻变大这里的金属丝就是一种“应变片”，它可以将金属片的形变转换成电阻的变化。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

3、变化量,用应变ε表示ΔS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即由材料力学可知,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。将式（3-3）#,式（3-5）代入式（3-2）,可得或（3-6）（3-7）通常把单位应变能引起的电阻值变化称为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（3-8）灵敏度系数受两个因素影响:一个是受力后材料几何尺寸的变化,即（1+2μ）;另一个是受力后材料的电阻率发生的变化,即

4、（Δρ/ρ）/ε。对金属材料电阻丝来说,灵敏度系数表达式中（1+2μ）的值要比（（Δρ/ρ）/ε）大得多,而半导体材料的（（Δρ/ρ）/ε）项的值比（1+2μ）大得多。大量实验证明,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。总结：用应变片测量应变或应力时,根据上述特点,在外力作用下,被测对象产生微小机械变形,应变片随着发生相同的变化,同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量ΔR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（3-9）式中:σ——试件的应力;ε

5、——试件的应变;E——试件材料的弹性模量。由此可知,应力值σ正比于应变ε,而试件应变ε正比于电阻值的变化,所以应力σ正比于电阻值的变化,这就是利用应变片测量应变的基本原理。图所示为一种普通钢材（软铁）的应力与应变关系图。应力与应变成直线关系的范围内胡克定律成立，对应的最大应力称为比例极限。σ=E⋅ε或E=σ/ε应力与应变的比例常数E被称为纵弹性系数或扬氏模量，不同的材料有其固定的扬氏模量。如上所述，虽然无法对应力进行直接的测量，但是通过测量由外力影响产生的应变可以计算出应力的大小。电子计价秤中的应变片应变片的应用荷重传感器测

6、量汽车载重崇明跃进桥检测——布置应变片桥梁加载，检测桥梁的应变对斜拉桥钢索进行应变测试无线传感器网络应变片信号发射器信号接收器远距离实时监测世博会的“阳光谷”3.2电阻应变片特性一、电阻应变片的基本结构及测量原理1、基本组成用应变片测量时，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。（1）敏感栅感受应变，

7、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。测量时应变片的基底用粘结剂粘在试件上，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、胶质膜和玻璃纤维等制成。（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。2、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

8、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