4.1+4.2+电阻应变式传感器

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1、第四章敏感元件及与传感器技术1）传感器的定义传感器（Transducer/sensor）的定义为：“能感受（或响应）规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。4.1传感器概论2）传感器的组成2敏感元件转换元件压力作用膜片形变（应变）应变片电阻改变敏感元件(Sensingelement)是指传感器中能直接感受被测量的部分转换元件(Transitionelement)是指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传

2、输和测量的电信号部分。信号调理电路：能把转换输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用信号的电路。常用电桥、放大器、阻抗变换器等33）传感器分类（1）按被测量分类机械量：位移、力、力矩、扭矩、速度、加速度、振动、噪声……热工量：温度、热量、流量（速）、风速、压力（差）、液位……物性参量：浓度、粘度、比重、酸碱度……状态参量：裂纹、缺陷、泄漏、磨损、表面质量…………（2）按测量原理分类按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、光纤、磁敏式、激光、超声波等传感器。4（3）按信号变换特征分类结构型：主要是通过传感器结构参量的变化实现信号

3、变换的。例如:电容式和电感式传感器.物性型：利用敏感元件材料本身物理属性的变化来实现信号变换。例如:水银温度计,压电测力计.（4）按能量关系分类能量转换型：传感器直接由被测对象输入能量使其工作。例如:热电偶温度计,压电式加速度计.也称有源传感器。能量控制型：传感器从外部获得能量使其工作，由被测量的变化控制外部供给能量的变化。例如:电阻式、电容式、电感式.也称无源传感器。54.2电阻式传感器被测信息敏感元件转换元件辅助电源信号调理电路输出信息电阻元件电阻元件传感元件为电阻元件电位器式电阻应变式热敏效应式其结构简单、易于制造、价格便宜、性能稳定、输出功率大，

4、是目前在非电量检测技术中应用最广、最成熟和最重要的传感器之一.把被测量转换为电阻变化的一种传感器，是一种能量控制型传感器可用于测量应变、位移、力、压力和加速度等参数。6敏感元件转换元件压力作用膜片形变（应变）应变片电阻改变电阻应变式金属电阻应变片半导体应变片按应变片所用的材料可分为：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。主要作用是敏感元件实现应变—电阻的变换。7（1）电阻应变片工作原理：工作原理：电阻值：纵向应变横向应变：当电阻丝沿轴向伸长时，必沿径向缩小对上式进行全微分，并用相对变化量来表示：泊松比电阻丝电阻率相对变化，

5、与电阻丝轴向所受正应力有关。弹性模量纵向压阻系数8因此：分析：是由电阻丝几何尺寸改变引起的。是由电阻丝的电阻率随应变的改变引起的。注意：对金属电阻丝来说，是很小的，可忽略；对半导体应变片来说，是很小的，可忽略。这正是两类电阻应变式传感器原理的主要区别。9电阻丝应变片金属电阻应变片：常用的电阻材料：康铜、镍铬合金、镍铬铝合金灵敏度：敏感元件是金属丝栅。常用的结构形式：丝式、箔式、薄膜式工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。10箔式应变片1.金属箔栅很薄，感受的

6、应力状态与试件表面应力状态更接近2.箔材表面积大，散热条件好，所以允许通过较大电流，因而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度3.箔栅的尺寸准确、均匀，能制成任意形状，扩大了应变片的使用范围优点：敏感元件是通过光照相制版或光刻腐蚀等工艺制成的薄金属箔栅。缺点：1.生产工序较复杂；2.引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量。3.价格较贵11一般市售电阻应变片的标准阻值有60、120、350、600、1000欧等，其中120欧应用最多。通常静态测量时，允许的电流一般规定为25mA，动态测量时可达75~100mA，箔式应变片则可更大些。选用应变片时，要考虑

7、应变片的性能参数，主要是应变片的电阻值、灵敏度、允许电流、应变极限等。12优点：灵敏度高，机械滞后小，横向效应小，体积小.缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。半导体应变片：｛压阻效应｝指某些半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。工作原理是基于半导体材料的压阻效应。因此，有时也称为压阻传感器。灵敏度：从半导体物理可知，半导体在压力、温度及光辐射作用下，能使电阻率发生很大变化。目前，国产半导体应变片大都采用P型硅单晶制成。13金属电阻应变片半导体应变片利用金属导体形变引起电阻的变化。一般制作应变片的金属丝的灵敏度K0在1.7～3

8、.6之间，有些工程书上，直接将金属丝应变片的灵敏度K0定义为2。利用半导体电阻率