4.2 电阻应变式传感器

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1、4.2电阻应变式传感器电阻应变式传感器由电阻应变片和测量电路组成。其敏感元件的电阻随着机械变形（伸长或缩短）的大小而变化。它广泛应用于测量力和与力有关的一些非电参数（如压力、荷重、扭力、加速度等）。电阻应变传感器的特点是精度高，测量范围广；结构简单，性能稳定可靠，寿命长；频率特性好，能在高温、高压、振动强烈、强磁场等恶劣环境条件下工作。4.2.1应变片的工作原理图4-10电阻应变片的基本形状图4-10示出了电阻应变片的基本形状。图中，称为应变片的标距或称为工作基长；b称为应变片的工作宽度。金属导体的电阻随着它所受机械变形（伸长或缩短）的

2、大小而发生变化的现象，称为金属电阻的应变效应。这就是电阻应变片赖以工作的物理基础。金属导体的应变效应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。根据电阻的定义式:；如果金属导体在外力作用下产生变化量∆ρ、∆l、∆A时，其相对变化率为：对于直径为D的圆柱形截面电阻丝，因为A=лd2/4；故：由材料力学知，横向收缩和纵向伸长的关系为：由上页的公式得出：下面分导体和半导体两种情况对上式进行讨论：金属电阻应变片（按结构形式分）丝式箔式薄膜式半导体应变片体型半导体应变片薄膜型半导体应变片扩散

3、型半导体应变片金属电阻应变片式中第二项是由于受力后材料的电阻率发生变化而引起的，对多数金属材料其值是个常数，往往甚小，可以忽略。式中第一项是由电阻丝几何尺寸变化引起的，对某种材料来说，其值是常数。因此，上式可写成为：式中，称为应变灵敏度系数。由于大多数金属材料的之间，所以在1.6~2.0之间。金属电阻应变片具有分辨率高，非线性误差小；温漂系数小；测量范围大，可从弹性变形一直测至塑性变形（1％～2％），可超载达20％；既能测量静态应变，又能测量动态应变；价格低廉，品种繁多，便于选择和大量使用等优点，因此在各行各业都广泛应用。金属电阻应变片

4、常用的三种。丝式:常用高电阻率的金属电阻丝制成，允许最大工作电流较小。箔式:通过光刻、腐蚀等工序制成的一种很薄的金属箔栅，允许最大工作电流较大，灵敏度高。薄膜式:是采用真空蒸镀技术在薄的绝缘基片上蒸镀上金属电阻材料薄膜，允许最大工作电流较大，灵敏度较高。应变片电阻值通常有60、120、200、350、500、1000Ω几种，其中以120Ω为最常用。允许最大工作电流是指通过应变片而不影响其工作的最大电流值。工作电流大，应变片输出信号就大，灵敏度高。允许最大工作电流与应变片的允许最大功耗有关，即：通常允许最大工作电流，在静态测量时约取25m

5、A左右，动态测量时可更高一些。金属电阻应变片半导体应变片对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称为半导体的压阻效应。半导体应变片是根据压阻效应原理工作的。当沿某一晶轴方向切下一小条半导体应变片，若只沿其纵向受到应力，其电阻率的变化量可由下式表示：式中，为半导体纵向压阻系数；为半导体材料的弹性模量；为沿半导体小条纵向的应变。将式（4-20）代入式（4-17），得半导体应变片的电阻相对变化量上式中第一项是由几何形状变化而引起的电阻相对变化量，其值很小，约为1～2；第二项是由压阻效应引起的，其

6、值约为第一项的50～70倍，故第一项可忽略。因此上式可写成式中，称为半导体应变片的灵敏度系数。半导体应变片突出的优点是灵敏度系数高，可测微小应变（一般600微应变以下）；机械滞后小；动态特性好；横向效应小；体积小。其主要缺点是：电阻温度系数大；一般可达10－3/℃；灵敏度系数随温度变化大；非线性严重；测量范围小。因此，在使用时需采用温度补偿和非线性补偿措施。4.2.2电阻应变传感器的测量电路由于电阻应变片工作时其电阻变化很微小，例如，一片、初始电阻120Ω的应变片，受1333微应变（约2吨重的力）时，其电阻变化仅0.36Ω。测量电路的任

7、务是把微弱的电阻变化转换成电压或电流的变化，因此常用直流电桥和交流电桥作为测量电路。目前应变片电桥大都采用交流电桥，但由于直流电桥比较简单，交流电桥原理与它相似，所以以直流电桥作分析,如图4-11所示。图4-11桥式测量电路电桥测量电路的分析电桥测量电路见图4-11，图中分别为四桥臂电阻，为供桥电压，为电桥输出电压。当电桥的负载电阻为无穷大时，桥路的输出电压为：为了使测量前的输出为零，应使：满足上式的条件称为电桥平衡条件。此时，当每桥臂电阻的变化远小于本身值，即，（1、2、3、4），且负载电阻为无穷大时，输出电压可近似为：1）单臂电桥桥

8、臂电阻中只有一个电阻为应变片，其余为固定电阻。2）对称电桥对于电源左右两边对称，例如产生纵向应变，产生横向应变，、为固定电阻。因此得：若和均是产生纵向应变的应变片，和是固定电阻，则这种电桥称为半桥。（桥路电