2.1 应变式传感器

工艺复杂, 将逐渐被横向效应小、 其他方面性能更优越的箔式应变计所
代替。

(a)
(b)
(c)
图 2.2金属丝式应变计常见形势
第2章 应变式传感器
箔式应变计（实验中用的）的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄 的金属薄栅（厚度一般在0.003～0.01mm）。与丝式应变计相比有如下优 点:
(1) 工艺上能保证线栅的尺寸正确、 线条均匀, 大批量生产时, 阻值离 散程度小。 (2) 可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型小基长（如基长为 0.1 mm）的应变计。 (3) 敏感栅截面积为矩形, 表面积大, 散热好, 在相同截面情况下能通过 较大电流。 (4) 厚度薄, 因此具有较好的可挠性, 它的扁平状箔栅有利于形变的传 递。 (5) 蠕变小, 疲劳寿命高
式中, 应力 l T E (金属或者半导体的弹性模量) E l 其中, ε=Δl/l为轴向应变。 则有
第2章 应变式传感器
k0
R / R

1 2 E
对金属来说, πE很小, 可忽略不计, μ=0.25～0.5, 故k
因此, 将同样长的金属线材做成敏感栅后, 对同样应 变, 应变计敏感栅的电阻变化较小, 灵敏度有所降低。 这 种现象称为应变计的横向效应。
第2章 应变式传感器
下面计算横向效应引起的误差。
图为 应变片敏感栅半圆弧部分的形状。沿轴向应 变为εX ，沿横向应变为εY 。
X
θ
dl
dθ
丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分
第2章 应变式传感器
k0为单根导电丝的灵敏系数, 表示当发生应变时, 其电阻变 化率与其应变的比值。 k0的大小由两个因素引起, 一项是由 于导电丝的几何尺寸的改变所引起, 由（1+2μ）项表示, 另 一项是导电丝受力后, 材料的电阻率ρ发生变化而引起, 由

• 相对误差为：
2 p t l l 1 lf e sin 1 t 6
• 上式表明，当频率增加时，误差增大,因此应使：
l l max
6 e
f max
6 e l
第2章 电阻应变计式传感器 疲劳寿命
d E
式中：π——半导体材料的压阻系数;
（2-5）
σ——半导体材料的所受应变力;
E——半导体材料的弹性模量;
10
2.1电阻应变计的基本原理结构和应用
2.半导体材料的压阻效应 则：
dR (1 2 E ) R
（2-6）
由于π E>>(1+2μ )，因此半导体丝材的灵敏
21
第2章 电阻应变计式传感器
第二节 电阻应变计的主要特性
应变计多为一次性使用，应变计的特性是 按规定的条件，从大批量生产中按比例抽 样实测而得。
静态特性
灵敏系数K R • 一般K＜K0
R K x
， x 应变计的轴向应变
第2章 电阻应变计式传感器 横向效应及横向效应系数H • 由于传感器是多线的，线与线之间连接部分不 在测量方向上，引起横向效应 • 计算公式：R R Kx x K y y Kx (1 aH ) x H——双向灵敏系数比 • 标定情况下： R R Kx (1 0 H ) x 可见，横向效应使传感器的灵敏度系数下降， 必须使H减小 • 丝绕式应变计的长度要长、横栅要小。 • 对横向效应分析结果的应用结果之一是箔式应 变计
t
31
2.3电阻应变计的温度效应及其补偿
1、温度自补偿法
(2)双丝自补偿应变计 敏感栅由电阻温度系数 一正一负的两种合金丝串接 而成。当工作温度变化时， 若Ra栅产生正的热输出ε a 与Rb栅产生负的热输出ε b 相等或相近，就可达到 自补偿的目的，即:

应变式电阻传感器是借助于弹性元件，将力的变化转化为 变形，然后利用导体的应变效应，将力转变成电阻的变化， 最终利用测量电路得到被测量(力)的电信号。应变式电阻传 感器主要包括弹性元件、电阻应变片及测量电路。
2.1.5 温度补偿
在实际应用中，除了应变能导致应变片电阻变化外，图25温度
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常用材料:康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌 合金等。
2.金属箔式应变片 箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度0.003~0.01mm
电阻箔材，利用照相制版或光刻腐蚀的方法，制成适用于各 种需要的形状。 3.金属薄膜应变片 薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是采用真空蒸发或
真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在0. 1 m以
图2-8所示是筒式压力传感器。被测压力P作用于筒内腔， 使筒发生变形，工作应变片1贴在空心的筒壁外感受应变， 补偿应变片2贴在不发生变形的实心端作为温度补偿用。一 般可用来测量机床液压系统压力和枪、炮筒腔内压力等。
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2.1电阻应变式传感器
3.加速度传感器 加速度传感器实质上是一种测量力的装置，如图2-9所示。
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2.2 热电阻传感器
但温度高时易氧化，故用于温度较低的环境中。表2-1列出 了热电阻的主要技术性能。
2.2.2热敏电阻
热敏电阻是近年来出现的一种新型半导体测温元件。一 般按温度系数可分为负温度系数热敏电阻(NTC)、正温度系 数热敏电阻( PTC)和临界温系数热敏电阻(CTR)。这三类 热敏电阻的电阻率P与温度t的变化曲线如图2-10所示。从 图中可以看出这些曲线都呈非线性。
2.3.1 热电偶传感器的工作原理
1.热电势效应 将两种不同材料的导体构成一闭合回路，若两个接点处温

2.1.2 电阻应变片的工作原理
对于一长为L、横截面积为A、电阻率为ρ 的金属丝， 其电阻值R为：
L R A
（2 1 ）
如果对电阻丝长度作用均匀应力，则 ρ 、L 、 A 的变化 (dρ 、dL、dA)将引起电阻R变化dR ，dR可通过对上 式的全微分求得：
L L dR dL d 2 dA A A A


内力：是系统内的相互作用力。如光滑水平面上 两物体中间放一压缩弹簧，释放后弹簧对两物体 的作用力，是这两物体组成的系统的内力；太阳 系内各星体间的相互作用力是太阳系这个系统中 内力。 内力就是物体在受到外界因素作用下，如外力， 温度改变，使物体内部各部分或质点的初始状态 发生了变化，物体内部各相邻部分或质点就产生 了相互作用力，以抵抗这种外因的作用，并力图 使物体从变形后的位置回复到变形前的位置，这 个力就是内力。
应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。 如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，
其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变 的方向与原应变量的方向相反。 产生的原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到
敏感栅的应变量逐渐减少。
2.2.4 应变极限 在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应 指示应变εi 变的相对误 100% 差不超过规定范围 l （一般为10%）时的 90% 最大真实应变值。 真实应变是由于工 作温度变化或承受 机械载荷，在被测 εj 试件内产生应力时 真实应变εg 所引起的表面应变。 图2-7 应变片的应变极限
分等。
机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载 时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常 在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机 械滞后所产生的实验误差。