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第2章 电阻应变式传感器被测量 应变(?) 电阻变化(?R) 本章主要内容 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。 考虑一段金属导体（l,?,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) 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?? ( ?? =1×10-6 mm/mm)。 由于S=?d2/4，则?S/S=2?d/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）得 (2-4) 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=K?? (2-6) 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 试件的应变值ε，而根据应力-应变关系： ?= E?， （2-7） 可以得到被测应力值σ。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。 2.1.1.2 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，由敏感栅、基底、盖片、引线和粘结剂组成。 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，疲劳寿命长。 图2-4 箔式电阻应变片 3) 金属薄膜应变片,利用真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1?m。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）