第二章电阻应变式传感器

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1、第二章电阻应变式传感器一、电阻应变式传感器工作原理1、电阻应变效应导体电阻相对变化：dl/l=：轴向应变，单位：微应变dA/A=2dr/r=-2：--材料泊松比d/：电阻率相对变化金属材料的应变灵敏系数系数：正比金属材料：金属材料的电阻应变效应以尺寸变化为主，电阻率变化为辅康铜：0.3，C1（1+2)1.6>C(1-2)0.4轴向力拉伸/压缩电阻变化l、A、变化1半导体材料：正比半导体应变灵敏系数一般：kE>>(1+2)半导体材料的电阻应变效应以压阻效应为主：灵敏度极高：轴向应力E：弹性膜量k：压阻系数(压阻效应)Ks=

2、(50~80)Km2、电阻应变式传感器结构1–敏感栅：敏感元件，金属丝/金属箔，电阻值100以上，康铜/硅,P442-基底：保持敏感栅的形状、尺寸、位置，传递应变，胶粘，薄0.02~0.04mm3-引线：与敏感栅连接，镀锡铜线，钎焊4-盖层：保护层，防潮、防蛀、防损，纸/胶5-粘接剂：制造时：盖层+敏感栅；使用时：基底+被测部位—传递应变(a)丝式(b)箔式(c)半导体2（1）金属电阻应变片的结构和类型金属电阻应变片的基本结构如图3.1所示。它由盖层、敏感栅、基底及引线四部分组成。敏感栅可金属丝、金属箔制成，它是转换元件，被粘贴在基底上。用粘合剂粘贴在

3、传感器弹性元件或试件上的应变片通过基底把应变传递到敏感栅上，同时基底起绝缘作用。盖层起绝缘保护作用。焊接于敏感栅两端引线连接测量导线之用。图3.1应变式电阻传感器的结构原理示意图1—敏感栅2—基底3—引线4—盖层5—粘贴剂3目前，常用的金属电阻应变片主要有：金属丝式应变片、箔式应变片、及金属薄膜应变片等结构形式。金属丝式应变片的敏感栅由金属丝绕制而成。金属丝材料为电阻率大而电阻温度系数小的材料。丝式应变片的规格一般以使用面积（L×b）和敏感栅的电阻值来表示。阻值一般在50—1000Ω范围内，常用的为120Ω。箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很

4、薄的金属薄栅，厚度在0.003-0.010mm。其优点是表面积与截面积之比大，散热条件好，允许通过电流较大，可制成各种需要的形状，便于大批量生产。金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积的方法制成，它将可产生形变的金属或合金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂。这样应变片的性能更好，灵敏度高。所谓薄膜指厚度在0.1μm以下的金属膜。厚度在25μm左右的称厚膜箔式应变片即属厚膜。43、电阻应变式传感器的特性(1)静态特性：灵敏系数：传感器灵敏系数<敏感栅灵敏系数？横向系数：横向效应系数电阻变化率灵敏系数传感器=敏感栅+基底+盖层+粘接剂+引线5机械滞后：应变极

5、限：非线性误差达到10%的应变值，过载能力蠕变和零漂：(2)动态特性：力传导：机械应变基底胶层敏感栅滞后正弦响应：幅值降低阶跃响应：震荡粘接---过热/过载残余变形预载/重复加载不重合内应力滑移固化，增大弹性膜量粘接64、电阻应变式传感器的测量电路作用：组成：电桥放大器相敏检波滤波器振荡器(1)直流电桥：U：电源电压U0：输出电压RL：负载电阻初始状态：R1R3=R2R4平衡输出U0=0电压输出桥：RL=（接高阻抗放大器）I0=0输出电压：等臂电桥：R1=R3=R2=R4=R近似：R<

6、桥臂相加相邻桥臂相减放大微弱信号R/RV/I；（信号转换）工作状态：R1R3R2R47(2)交流电桥：平衡条件：交流电桥的调平：未受载，无应变时，输出=零原理：相同；输入输出：直流交流，电阻阻抗电阻调平法：串联电阻法/并联电阻法：可调R5导线的分布电容影响：容抗(频率)平衡输出电容调平法：差动法---C3/C4同轴差动电容（大小相等、极性相反）阻容法---RC阻容电路平衡条件：一般电桥：全等臂电桥：8(3)电桥的非线性及其补偿：近似：差动电桥补偿法：准确：非线性误差：例：某金属应变传感器，K=2.5，max=5000，全等臂电桥，单臂工

7、作，非线性误差：基本线性若为半导体应变传感器：K=120，非线性严重相对桥臂受拉：R1+R1，R3+R3相邻桥臂受压：R2-R4，R4-R4全等臂电桥：R1=R2=R3=R4=RR1=-R2=R3=R4输出电压：线性，灵敏度*49恒流源电桥补偿法：全等臂电桥，恒流源，单臂工作：非线性非线性误差：近似线性：(4)电桥的温度效应及其补偿：温度效应：标准状态（t=20C，p=760mmHg，f=10mmHg），（理想）实际温度：偏差---特性改变---输出改变两部分：敏感栅电阻变化，敏感栅与试件热胀失衡（不等）相对变化：K：传感器灵敏系数，

8、s,t：被测试件和敏感栅热胀系数t：温度变化，at：电阻温度系数10单丝自补偿法：选择材