第3章 应变式传感器.ppt

电阻应变片的发展历史 应变效应 一、金属的应变效应 一、金属的应变效应 一、金属的应变效应 一、金属应变片 2、金属箔式应变片 一、金属应变片 3、金属薄膜应变片 金属应变片的基本结构 二、半导体应变片 二、半导体应变片 2、薄膜型半导体应变片 二、半导体应变片 3、扩散型半导体应变片 汽车衡称重系统 一、应变式传感器的特点1、应变式传感器的优点 §3.5 应变式传感器的应用 ① 应用和测量范围广 ② 精度和灵敏度高 ③ 频率响应特性好 对复杂环境的适应性强 商品化 ④ ⑤ 2、应变式传感器的缺点 ① 大应变下的非线性 ② 屏蔽措施 ③ 不能测应力梯度的变化 0.1%~0.01% 几十~上百kHz 概念：被测物理量为荷重或力的应变式传感器时，统称为应变式力传感器。 用途：各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。 特点：应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性，在受到侧向作用力或力的作用点少量变化时，不应对输出有明显的影响。 一、应变式力（荷重）传感器 §3.5 应变式传感器的应用 常见种类： 1、柱（筒）式力传感器 2、环式力传感器 3、悬臂梁式力传感器 F 柱筒式力传感器，应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分。应变片对称地粘贴多片，电桥接线时考虑尽量减小载荷偏心和弯矩影响。横向贴片可提高灵敏度并作温度补偿用。 一、应变式力（荷重）传感器 1、柱（筒）式力传感器 §3.5 应变式传感器的应用 F -ε2 +ε1 面积S F 实心圆柱 F 面积S -ε1 +ε2 空心圆柱 F R6 R7 R8 R2 R3 R4 R5 R1 圆柱面展开图 u0 U0 R1 R3 R5 R7 R6 R8 R2 R4 桥路连接 一、应变式力（荷重）传感器 1、柱（筒）式力传感器 §3.5 应变式传感器的应用 与柱式相比，环式力传感器应力分布变化较大，且有正有负。 测出A、B处的应变， 即可得到载荷F。 一、应变式力（荷重）传感器 2、环式力传感器 §3.5 应变式传感器的应用 环式结构 等面积梁式力传感器 （1）等截面梁 悬臂梁的横截面积处处相等。 一、应变式力（荷重）传感器 3、悬臂梁式力传感器 §3.5 应变式传感器的应用 等强度梁式力传感器 （3）其他形式梁 梁的形式较多，如平行双孔梁、工字梁、S型拉力梁等。 （2）等强度梁 悬臂梁长度方向的截面积按一定规律变化，当力作用在自由端时，梁内各断面产生的应力相等，表面上的应变也相等。 （3）其他形式梁 一、应变式力（荷重）传感器 3、悬臂梁式力传感器 §3.5 应变式传感器的应用 平行双孔梁 工字梁 S型梁 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 《传感器原理及应用》 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 《传感器原理及应用》 第三章 应变式传感器 1856年，W. Thomoson发现金属丝的应变效应，并用惠斯通电桥精确测量电阻的变化 。 1938年，E. Simmons和A. Ruge制成纸基丝绕式应变片。 1953年，P. Jackson用光刻技术制成箔式应变片。 1954年，C. Smith发现半导体材料的压阻效应。 1957年，W. Mason研制出半导体应变片。 应变式传感器的核心元件：电阻应变片，试件上的应力变化转换成电阻变化。 应变效应:导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。 §3.1 电阻应变片的工作原理 一、金属的应变效应 对于一长为L、横截面积为A、电阻率为ρ的金属丝，其电阻值R为 如果对电阻丝长度作用均匀应力，则ρ、L、A的变化(dρ、dL、dA)将引起电阻R变化dR。通过对上式的全微分可得dR为 金属丝的应变效应 l l+ dl 2r 2(r-dr) F F 若电阻丝是圆形的，则A=πr 2,对r 微分得dA=2πr dr，则 §3.1 电阻应变片的工作原理 在弹性范围内金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为 εy=-μεx μ为金属材料的泊松系数。 定义：KS为金属丝的灵敏系数，表示单位应变所引起的电阻的相对变化，则有 金属丝的应变效应 l l+ dl 2r 2(r-dr) F F §3.1 电阻应变片的工作原理 根据应力σ和应变ε的关系: 应力σ=εE，σ∝ε， 应变ε∝dR，σ∝dR。 金属丝的应变效应 l l+ dl 2r 2(r-dr) F F 确定的金属材料，(1+2μ)项是常数，其数值约在1~2之间，实验证明dρ/ρ╱εx 也是常数。 金属的电阻相对变化与应变成正比关系。