传感器第二章汇总

R R
(1
2 )
K0
应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比， 并且对同一电阻材料， K0=1+2μ是常数。 其灵敏度系数多在1.7～3.6之间。
金属箔式应变片
在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电阻箔 材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适 用于各种需要的形状
箔式应变片
优点 ：
宋长源
§2.1 应变式传感器
一、工作原理 1.金属的电阻应变效应 电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形 时其电阻值将发生变化。
R＝ l
A
F Δl、ΔA 、Δρ ΔR
dR
A
dl
l
A2
dA
l d
A
电阻的灵敏系数
R l A R l A
对于半径为r的圆导体，A=πr2，ΔA/A=2Δr/r 又由材料力学可知，在弹性范围内，t Nhomakorabeat
K0
(g
s )t
0
当被测试件的线膨胀系数βg已知时，通过选择敏感栅材料， 使下式成立
K0(g s )
即可达到温度自补偿的目的。
优点：容易加工，成本低， 缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。
b. 双金属敏感栅自补偿应变片
② 应变片的自补偿法
粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化 时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称 为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补 偿的方法称为应变片自补偿法。
a. 选择式自补偿应变片 b. 双金属敏感栅自补偿应变片
a.选择式自补偿应变片
由式(2.1.16)可知，实现温度补偿的条件为
弹性敏 感元件
应变
应变片
外力作用 被测对象表面产生微小机械变形
应变片敏感栅随同变形 电阻值发生相应变化
应变片的类型和材料
金属丝式 金属箔式
回线式 短接式
金属薄膜式
金属丝式应变片
金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线
金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略
（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求， （2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 （3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。
散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。 （4）横向效应可以忽略。 （5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。
缺点：
电阻值的分散性大 阻值调整
金属薄膜应变片
采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基 片上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄 膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量 生产
电阻应变片的灵敏系数k < 电阻丝的灵敏系数k0
原因：
粘结层传递变形失真 还存在有横向效应
（二）横向效应
敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成 直线段：沿轴向拉应变εx，电阻 圆弧段：沿轴向压应度εy 电阻
εy εx
K (箔式应变片)
εy
横向效应
应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了 一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来 测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感 栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效 应的影响愈小。
（三）温度误差及其补偿
1、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化△t时，因试件材料和敏感栅材料的 线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化 。
lT1 lT1 l0 l0 s T lT 2 lT 2 l0 l0g T
lT lT 2 lT1 l0 (g s )T
l / l , r / r , / E
R (1 2 E)
R
ε为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量； μ为电阻丝材料的泊松比，一般金属μ=0.3~0.5； λ为压阻系数，与材质有关；σ为应力值；E为材料的弹性模量；
金属电阻的灵敏系数
k0
R
R
1 2
/
1 2 材料的几何尺寸变化引起的
T
lT l0
(g s )T
RT R0K0T R0K0 (g s )T
（三）温度误差及其补偿
2、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境
温度变化△T 时，敏感栅材料电阻温度系数为 ，
则引起的电阻相对变化为
RT RT R0 R0 T
其中 RT R0 (1 T ) T T T0
F
R1
F
Rb
U0 A[(R1 R1t )R4 (RB RBt )R3 ] 0
U0 A[(R1 R1t R1)R4 (RB RBt )R3 ] 0
R1 R1K
电桥补偿法
优点： 简单、方便，在常温下补偿效果较好
缺点： 在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补 偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。
应变片的电阻值 R
应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得 的电阻值
电阻系列：60、120、200、350、500、1000Ω
电阻值大
可以加大应变片承受电压， 输出信号大， 敏感栅尺寸也增大
（一）灵敏系数
k R / R
“标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试件材料 为泊松系数μ=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5％的 产品来测定，取平均值及允许公差值。
k 0 / 材料的电阻率ρ随应变引起的（压阻效应）
金属材料：k0以前者为主，则k0≈1+2μ=1.7~3.6 半 导 体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定
R R
k0
2. 应变片的基本结构与种类
敏感栅 直径为0.025mm左右的合金电阻丝
丝绕式 基 底 绝缘
覆盖层 保护
位移、力、力矩、加速度、压力
可得由于温度变化而引起的总电阻变化为
RT RT RT R0T R0K0 (g s )T
相应的虚假应变输出为
T
RT / R0 K0
T
K0
(g
s )T
温度补偿
温度补偿
自补偿法
单丝自补偿法 组合式自补偿法
线路补偿法〔电桥补偿法、热敏电阻〕
① 电桥补偿法
R1
Rb
U0
R3
R4
U
U0 A(R1R4 RB R3 )
优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工 作范围广，易实现工业化生产
问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系
2.1 应变式传感器
2.1.1 工作原理 2.1.2 金属应变片的主要特性 2.1.3 测量电路 2.1.4 应变式传感器应用
2.1.2 金属应变片的主要特性
（一）灵敏系数 （二）横向效应 （三）温度误差及其补偿