传感器应用技术 课件 知识点：2.3应变片的工作原理

传感器应用技术项目二

基于电阻式传感器的电子秤的设计与制作应变片的工作原理讲授内容1.实验演示

取一根细电阻丝，两端接上一台数字式欧姆表（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。电阻应变效应演示金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。1.实验演示

应变效应：导体或半导体材料在受到外界力(拉力或压力)作用时，将产生机械变形，机械变形会导致其电阻值变化。

一根长l，截面积为A的金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：

当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长dl，横截面积相应减小dA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了dρ，从而引起电阻值相对变化量为：2.应变效应

导体受拉伸后的参数变化式中

——金属丝长度相对变化，材料的轴向应变，用

ε表示，常用单位με;

——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设

r为电阻丝的半径：

——金属丝半径的相对变化，即径向应变为

εr，由材料力学知：

其中

μ——导体材料的泊松比。2.应变效应A=πr2εr=–με通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的应变灵敏系数（简称灵敏系数）。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达式为：2.应变效应灵敏系数

K受两个因素影响：材料几何尺寸的变化，即1+2μ；材料的电阻率发生的变化，即（dρ/ρ）/ε。大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即

K为常数。对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2μ的值要比(dρ/ρ)/ε大得多，显然，金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。3.金属材料的应变电阻效应压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。式中：

π——半导体材料的压阻系数; σ——半导体材料的所受应变力; E——半导体材料的弹性模量;

由该公式可知：

由于πE>>(1+2μ)，因此半导体丝材的灵敏系数Ks≈πE。可见，半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。通常Ks=(50～80)Km。4.半导体材料的压阻效应5.金属-半导体应变片特性小结

灵敏度金属电阻丝:Km=1+2

m，

m为金属材料的泊松系数,

m=0.3~0.5半导体材料:Ks=(50~80)Km,可测微小应变（600微应变，长度相对变化量为10-6为1微应变）线性度金属电阻丝：非线性误差小，在较大测量范围内应变片灵敏系数基本不变。半导体材料：非线性误差严重，测量范围小。动态特性金属电阻丝：响应速度在低频时较好，但随频率提高，响应速度有可能跟不上而导致失真半导体材料：因体积小，保证响应速度良好的频率范围较宽。用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于被测对象上，在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。当测得应变片电阻值变化量△R时，根据应变片的工作原理的数学表达式,便可得到被测对象的应变值。

6.应变片的测试原理应力值正比于应变，而试件应变又正比于电阻值的变化