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1、第2章电阻应变式传感器被测量⇒应变()⇒电阻变化(R)2.1金属电阻应变式传感器2.2半导体应变片及压阻式传感器2.3电位计式传感器2.1金属电阻应变式传感器金属电阻应变式传感器是一种利用金属电阻应变片将应变转换成电阻变化的传感器。2.1.1金属电阻应变片2.1.1.1工作原理1.电阻-应变效应当金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将相应地发生变化，这种现象称为金属导体的电阻-应变效应。金属导体的电阻-应变效应用灵敏系数K描述（2-1）式中=l/l—轴向应变。2.1金属电阻应变式传感器考虑一段金属导体（l,
2、,S），如图2-1所示图2-1金属电阻应变效应未受力时，原始电阻为(2-2)2.1金属电阻应变式传感器当受拉力F作用时，将伸长l，横截面积相应减小S，电阻率ρ则因晶格变形等因素的影响而改变，故引起电阻变化R。将式（2-2）全微分，并利用相对变化量表示，则有（2-3）式中，l/l=ε，为金属导体电阻丝的轴向应变，常用单位(=1×10-6mm/mm)。由于S=d2/4，则S/S=2d/d,其中d/d为横向(纵向)应变；且由材料力学知，d/d=，式中为金属材料的泊松比。将前面关系代入式（2
3、-3）得(2-4)2.1金属电阻应变式传感器金属电阻应变片的应变灵敏度为(2-5)对于金属材料，/较小，可以略去；且=0.2～0.4，K≈1+2=1.4～1.8则，实际测得K≈2.0，说明(/)/项对K还是有一定影响。一般情况下，在应变极限内，金属材料电阻的相对变化与应变成正比R/R=Kᆞ(2-6)2.1金属电阻应变式传感器2.应变片测试原理使用应变片测量应变或应力时，将应变片牢固地粘贴在弹性试件上，当试件受力变形时，应变片电阻变化R。如果应用测量电路和仪器测出R，根据式（2-6），可得弹性试件的
4、应变值，而根据应力-应变关系：=E，（2-7）可以得到被测应力值。其中，E—试件材料弹性模量；—试件的应力；—试件的应变。力F⇒应力⇒应变(=/E)⇒R通过弹性敏感元件的作用，可以将应变片测应变的应用扩展到能引起弹性元件产生应变的各种非电量的测量，从而构成各种电阻应变式传感器。2.1金属电阻应变式传感器2.1.1.2应变片的结构，材料和类型金属电阻应变片的结构，如图2-2所示，则敏感栅基底,盖片,引线和粘结剂组成。图2-2电阻应变片的基本结构1-基底;2-敏感栅;3-覆盖层;4-引线2.1金属电阻应变
5、式传感器1．敏感栅1）丝式应变片,=0.012～0.05mm金属细丝绕成栅状,栅长l=0.2，0.5，1.0，100，200mm等。2）箔式应变片,由厚度为0.003～0.01mm的金属箔片制成各种图形的敏感栅,亦称应变花,如图2-4所示。其优点(1)制造技术能保证敏感栅尺寸准确，线条均匀和适应各种不同测量要求的形状，其栅长可做到0.2mm；(2)敏感栅薄而宽，与被测试件粘贴面积大，黏结牢靠，传递试件应变性能好；(3)散热条件好，允许通过较大的工作电流，从而提高了输出灵敏度；(4)横向效应小；(5)蠕变和机械滞后小，疲劳
6、寿命长。图2-4箔式电阻应变片2.1金属电阻应变式传感器3)金属薄膜应变片,利用其空镀膜等方式在绝缘基底上制成各种形状的薄膜敏感栅,膜厚小于1m。这种应变片具有比箔式应变片更多的优点。4)敏感栅材料的性能要求：（1）应变灵敏系数较大，且在所测应变范围内保持常数；（2）电阻率高而稳定，便于制造小栅长的应变片；（3）电阻温度系数较小，电阻-温度间的线性关系和重复性好；（4）机械强度高，辗压及焊接性能好，与其他金属之间的接触电势小；（5）抗氧化，耐腐蚀性能强，无明显机械滞后；2.1金属电阻应变式传感器2.基底和盖片基底和盖片的
7、作用是保持敏感栅和引线的几何形状和相对位置，并且有绝缘作用。一般为厚度0.02～0.05mm的环氧树脂，酚醛树脂等胶基材料。对基底和盖片材料的性能要求：机械强度好，挠性好；粘贴性能好；电绝缘性好；热稳定性和搞温性好；无滞后和蠕变。3.引线作用：连接敏感栅和外接导线。一般采用=0.05～0.1mm的银铜线,铬镍线,卡马线,铁铅丝等,与敏感栅点焊焊接。2.1金属电阻应变式传感器4.粘结剂作用：将敏感栅固定于基片上，并将盖片与基底粘结在一起；使用时，用粘结剂将应变片粘贴在试件的某一方向和位置，以便感受试件的应变。粘结剂材料：有
8、机和无机两大类。粘贴工艺：应变片静放于试件上，粘贴牢固可靠。2.1金属电阻应变式传感器2.1.1.3金属电阻应变片的主要特性1.应变片的电阻值(R0)应变片不受外力作用情况下,于室温条件测定的电阻值(原始电阻值),已标准化.主要有60,120,350,600,1000等各种规格。2.绝缘电阻敏感栅与基
