金属电阻应变片的结构课件.ppt

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1、第2章电阻式传感器及其信号调理2.1电阻应变片2.2其它电阻式传感器2.3电阻式传感器的信号调理电阻式传感器的基本原理是依据某种物理、化学或生物效应将某种非电量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路将电阻值的变化变成电信号输出，从而完成非电量的电测量。电阻式传感器的类型包括热电阻、应变片、热敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻、气敏电阻等。2.1电阻应变片2.1.1电阻应变片的工作原理——应变效应电阻应变片基于金属材料的应变效应。因形变而使其阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。对于横截面均匀的导体(或半导体)，其电阻为两边进行微分运算，求得其电阻相对变化图2-1导体受拉伸后的

2、参数变化轴向线应变或纵向线应变面应变负号表示面应变与线应变成正比，但是变化方向相反。综合得2.1.2电阻应变片的结构、种类1电阻应变片的结构电阻应变片的结构如图所示，由敏感栅(金属丝或箔)、基底、覆盖层、粘合剂、引出线等组成。图2-2金属电阻应变片的结构2电阻应变片的种类按敏感栅的结构形式，金属电阻应变片可分为丝式、箔式、薄膜式等。图2-3金属应变片的结构形式2.1.3电阻应变片的主要特性1灵敏系数灵敏系数为应变片的电阻相对变化与试件主应力方向的应变之比。电阻应变片的灵敏系数与单纯的电阻丝的灵敏系数是不相同的,原因：(1)试件的形变是通过剪力传到敏感栅上的。(2)栅丝沿长度方

3、向承受纵向应变时，应变片弯角部分承受横向应变，其截面积变大，则应变片直线部分电阻增加时，弯角部分的电阻值减少，也使应变片的灵敏度下降。2横向效应横向效应：沿应变片轴向的应变必然引起应变片电阻的相对变化，而沿垂直于应变片轴向的横向应变也会引起其电阻的相对变化。3机械滞后，零漂及蠕变应变片安装在试件上以后，通过实验，在一定的温度下，在零到某一指定应变之间的应变范围内，作出应变片电阻相对变化与试件机械应变之间加载和卸载的特性曲线，二者并不重合，这种现象称为应变片的机械滞后。产生机械滞后的原因，主要是金属丝、粘结剂和基底在承受机械应变后都留有残余变形。零漂：已粘贴的应变片，在温度保持

4、恒定、试件上没有应变的情况下，应变片的指示应变会随时间的增长而逐渐变化，此变化就是应变片的零点漂移。蠕变：已粘贴的应变片，在温度保持恒定时，承受某一恒定机械应变长时间的作用，应变片的指示应变会随时间而变化。在应变片工作时，零漂和蠕变是同时存在的。在蠕变值中包含着同一时间内的零漂值，这两项指标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性，在长时间测量时其意义突出。4温度效应环境温度变化时，会引起粘贴到试件上的电阻应变片阻值的变化。从电信号方面看，似乎发生了应变，即产生了虚假应变，这种现象称为温度效应。温度改变引起电阻变化的主要因素有二：其一是应变片电阻丝的温度系数；其二是电阻丝材料与试

5、件材料的线膨胀系数不同。5应变极限指当温度一定时，指示应变和真实应变的相对差值不超过一定数值时的最大真实应变数值。一般规定此差值为10％，即指示应变数值为真实应变的90％时的真实应变值称为应变片的极限。6电阻应变片的动态响应特性动态应变是以应变波的形式在试件中传播的，它的传播速度V与声波相同。图2-4应变波2.1.4电阻应变片的粘贴技术应变片的粘贴步骤如下：(1)应变片的检查与选择。(2)试件的表面处理。(3)底层处理。(4)贴片。(5)固化。(6)粘贴质量检查。(7)引线焊接与组桥连线。2.1.5电阻应变片的典型应用举例电阻应变片主要有以下两种应用方式：1)被测量为应变2)

6、被测量为除应变外的其他非电量力可以通过实心轴、空心轴、悬臂梁、双端固支梁等结构型式的敏感器转换为应变。如图2-5所示为实心轴，通过材料力学知识的推导，可得轴向应变和径向应变分别为图2-5实心轴力敏感器图2-6所示为采用实心轴力敏感器的电阻应变式力传感器，是通过将应变片粘贴到受力的实心轴力敏感器上而构成的。图2-6应变式力传感器示意图2.2其它电阻式传感器2.2.1压阻式传感器半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为“压阻效应”。设E为半导体材料的弹性模量同样，由电阻定律表达式可推出半导体材料压阻效应的定量表达式对于半导体材料，因此依据半导体的压阻效应，制成两

7、类传感器。一类是利用半导体材料的体电阻制成粘贴式应变片，制作成半导体应变式传感器。另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量传感元件，亦称扩散型压阻式传感器。压阻式传感器的优点是：①灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；②分辨率高，测压力时可测10Pa至20Pa的微压；③元件有效面积可做得很小，故频率响应高；④可测量低频加速度与直线加速度。压阻式传感器的最大缺点是温度误差较大。2.2.2热电阻利用电阻随温度变化的特性制成的传感器叫做电阻式温度传感器，按采用的电阻材料