4电阻应变式传感器[精].ppt

检测技术 第四章 电阻式传感器 本章内容简介 电阻应变式传感器是一种典型的结构型传感器，它利用电阻应变效应，将力、力矩、压力等物理量转换为电信号。 电阻应变片是电阻应变式传感器的核心元件。 本章首先介绍电阻应变效应，然后介绍电阻应变片的类型、结构和基本特性。 本章内容简介 电阻应变式传感器最常用的测量电路是电桥，本章对测量电桥的类型、结构和工作原理、特性和应用做了分析。 温度误差是电阻应变式传感器的主要误差，本章对温度误差的产生做了分析，并给出了温度补偿的措施。 作为典型应用，最后介绍了几种最常用的金属电阻应变式力传感器。 教材 胡向东等编著《传感器与检测技术》 P.23～38 5.1 电阻应变效应 电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将力、力矩、压力等物理量转换为电信号的结构型传感器。 5.1.1 电阻丝的电阻应变效应 电阻丝受外力作用时，将产生弹性变形和应变，与此同时其电阻值也发生改变，这种现象称为电阻应变效应。 先考虑如图所示的电阻丝的电阻应变效应。 5.1.1 电阻丝的电阻应变效应 单根电阻丝的电阻R可用下式表示： 5.1.1 电阻丝的电阻应变效应 当电阻丝受力伸长（或缩短）时，ρ、L、A均发生变化，从而引起电阻值的变化。 5.1.1 电阻丝的电阻应变效应 电阻值的变化量dR可通过上式的全微分求得： 5.1.1 电阻丝的电阻应变效应 则电阻值的相对变化量为： 5.1.1 电阻丝的电阻应变效应 为分析方便，假设电阻丝是圆形截面的，截面积A＝πr2，r为电阻丝的半径，则有 5.1.1 电阻丝的电阻应变效应 令 εx称为电阻丝的纵向应变， εy称为电阻丝的横向应变。 5.1.1 电阻丝的电阻应变效应 由材料力学可知，在弹性范围内，若电阻丝受拉伸，则沿轴向（纵向）伸长，沿径向（横向）缩短，纵向应变与横向应变的关系可表示为： 5.1.1 电阻丝的电阻应变效应 上式中，μ为电阻丝材料的泊松系数，又称泊松比。 上式中的负号表示横向应变与纵向应变的方向相反。 5.1.1 电阻丝的电阻应变效应 综合上面三个式子，可得： 这就是电阻应变效应的表达式。 5.1.1 电阻丝的电阻应变效应 单位应变所引起的电阻相对变化量称为电阻丝的应变灵敏系数，用K表示。 根据上式可得 5.1.1 电阻丝的电阻应变效应 由上式可知，电阻丝的应变灵敏系数受两个因素的影响： 一是因电阻丝几何尺寸改变产生应变而引起的，即（1+2μ）项，往往称之为几何效应； 二是因受力后电阻丝的电阻率发生变化而引起的，即后面的一项，往往称之为压阻效应。 5.1.2 金属电阻应变效应 对于金属材料，其压阻效应是很小的，可以忽略不计，电阻应变效应主要是几何效应。 因此有 这就是金属电阻应变效应的表达式。 5.1.2 金属电阻应变效应 上式中Ks称为金属电阻丝的应变灵敏系数，表示金属电阻丝受单位轴向应变作用所产生的电阻相对变化量，且有 5.1.2 金属电阻应变效应 对于大多数金属材料，泊松比μ＝0.3～1.3，所以Ks的数值在1.6～3.6之间。 如康铜，Ks＝1.9～2.1；镍铬合金，Ks＝2.1～2.3。 对于每一种金属电阻丝，在一定的变形范围内，无论受拉或受压，应变灵敏系数Ks保持不变，但超出该范围时Ks值将发生变化。 5.1.3 半导体的压阻效应和压阻系数 对一块半导体沿某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生一定的变化，这种现象称为半导体的压阻效应。 由半导体理论可知，不同类型的半导体，施加同一方向的载荷，压阻效应不一样；相同类型的半导体，施加不同方向的载荷，压阻效应也不一样。 5.1.3 半导体的压阻效应和压阻系数 对于某种类型的半导体材料，沿某一轴向施加载荷而产生应力时，它的电阻率的相对变化与作用于材料的轴向应力σx成正比，即 式中，πx为半导体材料沿受力方向的压阻系数，它是一个与半导体材料和受力方向有关的系数。 5.1.3 半导体的压阻效应和压阻系数 根据材料力学，轴向应力σx与轴向应变εx的关系为 式中 E——半导体材料的弹性模数。 5.1.3 半导体的压阻效应和压阻系数 由上面两个式子有 将上式代入应变效应表达式中，得 5.1.3 半导体的压阻效应和压阻系数 上式中，Ks称为半导体材料的应变灵敏系数，表示半导体材料受单位轴向应变作用时所产生的电阻相对变化量，且有 5.1.3 半导体的压阻效应和压阻系数 （1+2μ）项是几何形状变化对电阻相对变化量的影响，其值约为1～2；后面一项即为压阻效应的影响，其值远大于前面一项，约为50～150。 故可略去（1+2μ）项，因此半导体材料的灵敏系数可表示为