电阻式传感器课件.ppt

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1、第三章电阻式传感器第一节电阻应变效应第二节应变计的主要特性第三节电桥原理及电阻应变计桥路第四节温度误差及其补偿第五节电桥的其他误差及补偿第六节应变式传感器的应用第七节固态压阻式传感器第三章电阻式传感器原理：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。应用：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

2、。第一节电阻应变效应电阻应变计构造简图栅长栅宽一、电阻应变效应长为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属或半导体丝,电阻当电阻丝受到拉力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是长度相对变化量,用轴向应变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。把上式改写成：通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝

3、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,其表达式为灵敏度系数受两个因素影响:（1）一个是受力后材料几何尺寸的变化,即（1+2μ）;（2）另一个是受力后材料的电阻率发生的变化,即（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。当测得应变片电阻值变化量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·

4、ε式中:σ——试件的应力;ε——试件的应变;E——试件材料的弹性模量。二、电阻应变片的种类常用的应变片可分为两类:金属电阻应变片和半导体电阻应变片。应变计金属属性半导体式体形薄膜型丝式箔式纸基胶基体型薄模型扩散型外延型Pn结及其它形式箔式应变计箔式应变计的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属薄栅（厚度一般在0.003～0.01mm）。与丝式应变计相比有如下优点:(1)工艺上能保证线栅的尺寸正确、线条均匀,大批量生产时,阻值离散程度小。(2)可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型小基长（如基长为0.1mm）的应变计。(

5、3)敏感栅截面积为矩形,表面积大,散热好,在相同截面情况下能通过较大电流。(4)厚度薄,因此具有较好的可挠性,它的扁平状箔栅有利于形变的传递。(5)蠕变小,疲劳寿命高。(6)横向效应小。(7)便于批量生产,生产效率高。几种箔式应变计几种丝式应变计制作应变计敏感元件的金属材料应有如下要求:(1)灵敏系数大,并在尽可能大的范围内保持常数。(2)电阻率ρ大。这样,在一定电阻值要求下,同样线径,所需电阻丝长度短。(3)电阻温度系数小。高温使用时,还要求耐高温氧化性能好。(4)具有良好的加工焊接性能。第二节电阻应变片的主要特性应

6、变式传感器的特点：(1)测量应变的灵敏度和精确度高。能测1～2微应变（1×10-6mm/mm）的应变。误差一般可小于1%。精度可达0.015%FS（普通精度可达0.05%FS）。(2)测量范围大。从弹性变形一直可测至塑性变形。变形范围从1%～20%。(3)尺寸小（超小型应变计的敏感栅尺寸为（0.2mm×2.5mm）,重量轻,对试件工作状态和应力分布影响很小。既可用于静态测量,又可用于动态测量,且具有良好的动态响应（可测几十甚至上百赫的动态过程）。(4)能适应各种环境。可以在高温、超低压、高压、水下、强磁场以及辐射等恶劣环境下使用

7、。(5)价格低廉、品种多样,便于选择和大量使用。应变计的缺点:1、在大应变下具有较大的非线性,半导体应变计的非线性更为明显;2、输出信号较微弱,故抗干扰能力较差。一、应变计的灵敏度系数实验证明,电阻应变计的电阻相对变化ΔR/R与应变Δl/l=ε之间在很大范围内是线性的,即二、横向效应实验表明,应变计的灵敏度k恒小于金属线材的灵敏度系数k0。其原因除了粘合剂、基片传递变形失真外,主要是由于存在横向效应。设kx为应变片对轴向应变的灵敏度系数，εy=0时电阻相对变化对εx之比；设ky为应变片对横向应变的灵敏度系数,εx=0时电阻相对变化对εy

8、之比；则横向系数：H=ky/kx则电阻按下式关系变化由于kx为对轴向应变的灵敏度系数,它代表εy=0时,敏感栅电阻相对变化与εx之比,ky为对横向应变的灵敏度系数,它代表εx=0时,敏感栅电阻相对变化与εy