第3次课电阻式传感器之一

1、精品文档你我共享第3次课2学时上次课复习：上次课讲述了掌握传感器的静态特性和动态特性；传感器的静态标定方法等。重点掌握静态特性性能指标：灵敏度、线性度、迟滞、重复性、漂移等。本次课题（或教材章节题目）：第 3 章 应变式传感器（教材）3.1 工作原理3.2 应变片的种类3.3 电阻应变片的特性教学要求：掌握应变片的工作原理；了解应变片的种类；掌握电阻应变片的特性。重点：电阻应变片的工作原理、以及其特性难点：电阻应变片的特性教学手段及教具：多媒体课件讲授讲授内容及时间分配：3.1工作原理25 分钟3.2应变片的种类20 分钟3.3应变片的特性45 分钟课后作业P61： 3-1、3-2郁有文，常健

2、等. 传感器原理及工程应用. 西安：西安电子科技大学出版社，2003.参考资料金发庆 . 传感器技术及应用.北京：机械工业出版社，2004.陈杰，黄鸿著传感器与检测技术北京：高等教育出版社，2002 注：本页为每次课教案首页腹有诗书气自华精品文档你我共享3 电阻式传感器电阻式传感器是目前在非电量测量技术中应用最广、最成熟和最重要的传感器之一。它的基本工作原理是将物理量的变化转换为敏感元件应力的变化致使电阻阻值改变，再通过转换电路变为相应的电信号输出，从而达到电测量的目的。根据所用敏感材料的差别，又可将其分为金属应变式传感器（电阻应变片式）、半导体压阻式传感器和热电阻传感器。3.1 金属应变式传

3、感器金属应变式传感器的核心元件是电阻应变片和弹性敏感元件。要了解金属应变式传感器的工作原理，应了解这两种元件的原理、结构和特性等。应变片的工作原理应变片是应变式传感器的核心元件，它也可以直接用于应变测量。用应变片来测量机械应变时，其作用是将应变转换成电阻的变化。当试件受力变形时，贴在试件上的应变片也随着变形，此时应变片的电阻值也将随着发生变化。由于机械应变与电阻变化之间存在着一定的比例关系，因此测出应变片的电阻变化量，就可得出被测试件的应变大小。以金属材料为敏感元件的应变片，金属材料的电阻值随它承受的机械变形大小而发生变化的现象就称为 “应变效应”。测量试件应变的原理是基于金属丝的应变效应，它

4、是金属丝的电阻值随其几何尺寸变化而改变的一种物理特性。由物理学可知，金属丝的电阻为R=式中R为电阻；L(3-1)A电阻率；L金属丝长度；A金属丝截面积。当金属丝受到拉抻或压缩后，它的几何尺寸会发生变化，且电阻值也发生相应变化。图 3-1 金属电阻丝应变片如图 3-1 所示，当电阻丝受到拉力 F 时，其阻值发生变化。材料电阻值的变化，一是受力后材料几何尺寸变化；二是受力后材料的电阻率也发生了变化。大量实验表明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，而应变与应力也成正比，这就是利用应变片测量应变的基本原理。对式 (3-1)微分可得其电阻的相对变化为腹有诗书气自华精品文档你我共享dRdLd

5、Ad(3-2)RLA因为 A=r2， r 为金属丝的半径。所以， dA/A=2·dr/r，再利用材料力学中的公式，可得dL，dr，L=xr=yy=·x式中x，y纵向 (轴向 )和横向应变；金属丝材料的泊松比。那么式 (3-2)可表达为dRx 2yd=x ·xd（） xdR=+2 +=1+2+(3-3)一般把 dL 简写为 。令 K=l+2 + d/，则式 (3-3)可写为LdR/R=K·(3-4)由于电阻增量 RR， RdR，故式 (3-4)亦可写为R/R =K·(3-5)式中K金属材料的灵敏度系数， 它的物理意义是单位应变的电阻变化率。 通常

6、从实验求得 K 值，大多数金属在弹性变形范围内的 K 是个常数，其值随材料不同而异。可见，金属丝在产生应变效应时，应变 与电阻变化率 R/R 是成线性关系的。式 (3-5)就是利用金属应变片来测量构件应变的理论基础。无量纲量，但习惯上仍给以单位，这个单位叫应变，由于其值很小，在应变测量中常用微应变表示。 1相当于长度为 1m 的试件，其变形为1m时的相对变形量(1=1×106)。应变片的构造与分类图 3-2 电阻应变片构造示意图图 3-2 是一种电阻丝式应变片的结构示意图。它主要由基底l 、敏感栅 2、覆盖层 3及引出线 4 等部分组成。应变片虽然种类繁多，构成形式各异，但其基本结构

7、是与电阻丝式应变片一致的。图中 l 为栅长， a 为栅宽。敏感栅：是应变片的核心部分，称为应变敏感元件，其作用是感受试件的变形，并将机械应变转换成电阻变化。敏感元件的材料是金属，应用最多的金属是康铜，其次是镍铬合金。基底和覆盖层：它们的作用是：固定和保护敏感元件；当应变片粘贴在试件上后，腹有诗书气自华精品文档你我共享与粘结剂一起把试件的变形传给敏感元件；使敏感元件与试件绝缘。用作基底的材料主要有纸和有机聚合物两类。引出线：其作用是从敏感元件引出信号，并与测量导线连接。(2)应变片分类电阻应变片分类方法很多，最常用的是按制造敏感栅的制造方法、敏感栅的形式、工作温度范围以及用途的不同来分类。按照敏

8、感栅的形式和制造方法，可分为金属丝式应变片、金属箔式应变片和金属薄膜应变片。下面分别予以简介。金属丝式应变片： 其敏感元件是用高阻值的金属丝 (直径为 0.015 0.05mm)绕成栅状，见图 3-2。这种应变片是早期产品，由于工艺简单、价格低廉，在国内曾经得到广泛应用。但由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，且横向效应大，影响测量精度，所以目前已基本淘汰。箔式电阻应变片：其敏感元件是用高阻值的金属箔片(厚为 0.0020.01mm)通过光刻腐蚀或其他方法制成的具有各种形状的箔栅，其基底和复盖层多为胶质膜。图 3-3 为箔式应变片的一种结构形式。图 3-3 金属箔式应变片箔栅表面积大，散热

9、快，允许通过较强的电流，使之输出较大的信号，提高了测量灵敏度。箔栅的形状和尺寸能准确按要求制成，其横向效应小，栅长可以做得很短 (最小可达 0.2mm)，适用于应变梯度大或贴片空间小的场合。箔片是扁而平的，与构件接触面积大，因而所感受的应力状态与试件表面的应力状态接近，提高了测量精度。箔材的一致性较好，适合大量制造，目前已得到广泛应用，箔式应变片已基本上取代了丝式应变片。金属薄膜应变片：它是采用真空蒸镀、沉积或溅射的方法，将金属材料在绝缘基底上制成一定形状的薄膜而形成敏感元件， 膜的厚度从几埃 (A o)至几千埃不等，在其上再加一层绝缘保护层。此种应变片取消了传统的胶基，长期稳定性好，应变灵敏

10、系数高，允许电流密度大，工作温度范围广，可达 197317，也可在核辐射条件下应用。由于其工艺环节少，工期较短，参数一致性较好，适于大量生产，己得到广泛应用。弹性敏感元件组成应变式传感器的核心元件除应变片以外就是弹性敏感元件了。因为在传感器的工作过程中，一般是先由弹性敏感元件把各种形式的非电物理量如力、压力等变换成相应的应变量或位移量等，然后再由应变片等转换元件配合把非电量变为电量。所以，弹性敏感元件质量的优劣直接影响传感器的性能和精度。弹性元件形式很多，都是以弹性理论为设计基础。目前在力、压力传感器中常用的弹性元件形式如图 3-4 所示。有薄壁圆筒、圆膜片、等截面悬臂梁、等强度悬臂梁、弹簧管

11、、等截面圆环、波纹膜片、波纹管等，此外，还有实心圆柱和椭圆管。不同结构形式的选择主要是根据所受力、压力的大小，还要考虑其稳定性好、受侧力干扰小、有足够的应变片粘贴面积等。如在中等载荷情况下，多采用空心圆筒。腹有诗书气自华精品文档你我共享图 3-4 变换力或压力的弹性元件以上所举弹性元件是属于最基本、最简单的形式。实用中往往不是这样简单的形式，而是复杂的组合型，如常把平面膜片与悬臂梁组合、弹簧管与悬臂梁组合或波纹膜片与圆筒组合等多种组合形式。由于弹性元件直接影响到传感器是否能线性地、准确地、快速地转换被测量。为此，要了解弹性元件的基本特性。(1)弹性元件的非线性度弹性元件实际载荷的变形关系曲线与

12、理论上载荷变形的线性曲线存在着偏差。最大偏差量 max 对弹性元件的容许最大变形量 ymax 的百分比，叫做弹性元件的非线性度 ，可表示为 =（ max/ymax）× 100%(2)弹性滞后在弹性范围内，弹性元件加载和卸载时的载荷变形曲线不完全重合，即同样的载荷，在加、卸载时弹性元件的变形不等，这种现象叫弹性滞后。为了定量地估计弹性滞后，引进滞后量 这一概念。所谓滞后量，就是弹性元件在正、反行程中变形的最大偏差 ymax 对最大变形量 ymax 的百分率，可用下式表示：=（ymax/ymax）× 100%(3)弹性后效在弹性范围内，当载荷加上后，弹性元件变形不是立即达到与载

13、荷平衡，而略有后延。当载荷卸去后，其变形也不是立即恢复到零，而需要经过一段时间才回到零，但最终并无残余变形，这种现象称弹性后效。弹性后效使弹性敏感元件的变形始终不能迅速地随作用力的改变而改变。弹性后效和弹性滞后在本质上是同一类型的特性，它们都将造成滞后误差，必须力图使它们减小。(4)固有频率固有频率是弹性元件本身的一个动态特性。在进行动态测量时，为减小动态测量误差，要求弹性元件的固有频率尽可能高。显然，上述特性将影响到测量装置的静态和动态特性。因此，必须根据测试对象和精度要求，选择弹性元件。出师表腹有诗书气自华精品文档你我共享两汉：诸葛亮先帝创业未半而中道崩殂， 今天下三分， 益州疲弊， 此诚

14、危急存亡之秋也。 然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其刑赏，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使内外异法也。侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下：愚以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。将军向宠，性行淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之曰“能 ”，是以众议举宠为督：愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。亲贤臣，远小人，此先汉所以兴隆也；亲小人，远贤臣，此后汉所以倾颓也。先帝在时，每与臣论此事，未尝不叹息痛恨于桓、灵也。侍中、尚书、长史、参军，此悉贞良死节之臣，愿陛下亲之、信之，则汉室之隆，可计日而待也。臣本布衣，躬耕于南阳，苟全性命于乱世，不求闻达于诸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顾臣于草庐之中，咨臣以当世之事，由是感激，遂许先帝以驱驰。后值倾覆，受任于败军之际，奉命于危难之间，尔来二十有一年矣。先帝知臣谨慎，故临崩寄臣以