应变式传感器整合

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1、项目三(整合)应变式传感器应变式传感器具有悠久的历史，是应用最广泛的传感器之一。它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。将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，可构成测量位移、加速度、力、力矩、压力、重量等参数的电阻应变式传感器，它是目前测量应用最广泛的传感器。虽然新型传感器不断出现、为测试技术开拓了新的领域。但是，由于电阻应变调试技术具

2、有以下独特优点，可以预见在今后它仍将是一种非电量电测技术中非常重要的测试手段。（1）结构简单，尺寸小，使用方便，性能稳定、可靠。因此应变片粘贴在被测试件上对其工作状态和应力分布影响都很小。使用和维修都比较方便。（2）易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测；（3）灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量，（4）可以测量多种物理量。它可在高（低）温，高压，高速、核辐射、强磁场及强烈振动和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作。（5）价格低廉，品种多样，便于选择。（6）易于实现小型化、固态化。随着大规模集成电路工艺的发展，目前已有将

3、测量电路甚至A/D转换器与传感器组成一个整体。传感器可直接接入计算机进行数据处理。（7）精度高，测量范围广。对测力传感器而言，量程从零点几N至几百KN，精度可达0.05%F.S（F.S表示满量程）；对测压传感器，量程从几十Pa到1011Pa，精度为0.1%F.S。应变测量范围一般可由数（微应变）至数千（1相当于长度为1m的试件，其变形为一1μm时的相对变形量，即1=1×10-6ε）。（8）频率响应特性较好。一般电阻应变式传感器的响应时间为10-7S，半导体应变式传感器可达10-11S，若能在弹性元件设计上采取措施，则应变式传感器可

4、测几十甚至上百kHz的动态过程。但是应变式传感器也存在一引起问题：在大应变状态中具有较明显的非线性，半导体应式传感器的非线性更为严重；应变式传感器输出信号微弱，故它的抗干扰能力较差，因此信号线要采取屏蔽措施；应变式传感器测出的只是一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等。尽管应变式传感器存在这些问题，但采取一定的补偿手段，仍不失为非电量电测技术中应用最广和最有效的敏感元件。它已广泛应用于许多领域，诸如医学、航空、机械、电力、化工、建筑等。3.1工作原理电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元

5、件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。弹性敏感元件的作用就是传感器组成中的敏感元件，要根据被测参数来设计或选择它的结构形式。电阻应变片的作用就是传感器中的转换元件，是电阻应变式传感器的核心元件，关于它的工作原理、基本性能以及应用方法等将在下面详细论述。3．1．1金属的应变效应电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应。金属丝的电阻随着它所受的机械变形(拉伸或压缩

6、)的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。金属丝的电阻为什么会随着其发生的应变而变化呢?道理很简单，因为金属丝的电阻(R＝ρL／S)与材料的电阻率(ρ)及其几何尺寸(长度L和截面积S)有关，而金屑丝在承受机械变形的过程中，这三者都要发生变化，因而引起金屑丝的电阻变化。3．1．2电阻应变片的结构和工作原理一、应变片的结构金属电阻应变片品种繁多，形式各样，但其基本构造大体相同。按其构造材料可划分成两大类：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。如图3-1所示，此为丝绕式应变片，金属导线的电阻值与其导线长度L成正比而与导线截面积S

7、成反比，即一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为R=ρ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。图3.1金属电阻丝应变效应当电阻丝受到拉力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

8、式（3-3），式（3-5）代入式（3-2），可得或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