传感器课件2-1.ppt

传感器原理与应用——第二章 第2章 应变式 电阻传感器 2.1 电阻应变式片 应变式传感器的核心元件是电阻应变片，它可将试件上的应力变化转换成电阻变化。 2.1.1 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。 实验演示 ： ? 取一根细电阻丝，两端接上一台3位半位数字式欧姆表（分辨率为1/2000），记下其初始阻值（图中为10.01?）。当我们用力将该电阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加（图中增加到为10.05?）。测量应力、应变、力的传感器就是利用类似的原理制作的。 2.1.2 电阻应变片的结构和工作原理 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 ，dR可通过对上式的全微分求得： 电阻相对变化量为： 若电阻丝是圆形的， 则A=πr 2,对r 微分 得dA=2πr dr，则： l l+ dl 2r 2(r-dr) F 图2-1 金属丝的应变效应 由材料力学的知识：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 （2-5） μ为金属材料的泊松系数。 将（2-4）式、（2-5）代入（2-3）式得： KS称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。 对于确定的材料，(1+2μ)项是常数，其数值约在1~2之间，实验证明dρ/ρ╱εx 也是一个常数。 上式表示金属丝的电阻相对变化与轴向应变成正比关系。 根据应力和应变的关系: 应力 σ =εE，即 σ ∝ε， 而 ε ∝dR，所以 σ ∝dR。 1．金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式。 (1)金属丝式应变片： 将金属电阻丝 （一般是合金， 电阻率较高，直径 约0.02mm）粘贴在 绝缘基片上，上面 覆盖一层薄膜，使 它们变成一个整体。 2.1.3 电阻应变片的分类 金属电阻应变片 半导体电阻应变片 基片 覆盖层 金属丝 引线 图2-2 金属丝应变片结构 （2）金属箔式应变片 利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.003~0.010 mm，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。其优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种需要的形状，便于批量生产。 图2-3 箔式应变片 （3）金属薄膜应变片 金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。 这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。 常用应变片的形式 金属应变计 2．半导体应变片 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件 。当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率会发生变化。 当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为 : 式中 为半导体应变片的电阻率的相对变化，其值与半导体敏感条在轴向所受的应力之比为一常数。即 代入（2-10）式，得： 上式中1+2μ项随几何形状而变化，πLE项为压阻效应，随电阻率而变化。 实验证明πLE比1+2μ大近百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为： 半导体应变片的突出优点是体积小，灵敏度高，频率响应范围宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接，使测量系统简单。但其温度系数大，应变时非线性较严重。 2.2 电阻应变片的重要特性 2.2.1 灵敏度系数 金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片后，其电阻—应变特性与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻—应变特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系。 K为金属应变片的灵敏系数。 测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS。原因主要是胶层传递变形失真及横向效应。 即: 2.3.2 横向效应 金属丝式应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变ε使敏感栅电阻发生变化，而其横向应变εr也使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。 b O l εr dl dθ θ ε0 ε 图2-5 敏感栅半圆弧形部分 r 应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应