第3章电阻式传感器1

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1、 电阻应变式传感器是将电阻应变式传感器是将被测的非电量转换成电阻值被测的非电量转换成电阻值的变化，的变化，再经转换电路变换成电量再经转换电路变换成电量( (电流、电压电流、电压) )输出。输出。 电阻应变式传感器也是电阻应变式传感器也是应用最广泛应用最广泛的传感器，可用于应变力、的传感器，可用于应变力、压力、转矩、位移、加速度。据统计日本力传感器中应变片压力、转矩、位移、加速度。据统计日本力传感器中应变片占占70%，美国占，美国占90%。 测力范围：测力范围：小到肌肉纤维（小到肌肉纤维（510-5N)，大到登月火箭，大到登月火箭(5107N)； 精确度：精确度：在在0.010.1%，有，有10

2、年以上的校准稳定性年以上的校准稳定性。F 应变式传感器主要特征应变式传感器主要特征 有不同材料类型，金属应变片、半导体应变片有不同材料类型，金属应变片、半导体应变片; ; 优点，结构简单、精度高、范围大体积小；优点，结构简单、精度高、范围大体积小； 缺点，电阻、半导体会随温度变化。缺点，电阻、半导体会随温度变化。广泛应用于各种广泛应用于各种衡器衡器和和应变应变测测量量1） 用于各种电子秤用于各种电子秤电电子子天天平平吊秤吊秤遥遥动动遥遥控控吊吊秤秤液液压压叉叉车车秤秤电子皮带秤电子皮带秤行李秤行李秤钢包电子秤钢包电子秤行车电子秤行车电子秤防爆汽车衡防爆汽车衡给料秤给料秤机机械械秤秤包包装装机机

3、动动态态电电子子秤秤自动称重给料机自动称重给料机给料斗秤给料斗秤称重包装机称重包装机定量包装机定量包装机灌装机灌装机2）用于应变仪）用于应变仪 全自动应力、应变实时监测仪全自动应力、应变实时监测仪动态动态监测各种监测各种工件工件施工中的施工中的应变、应力、载荷或合成应应变、应力、载荷或合成应力；力；可可检测振动检测振动时效果。时效果。可可静态静态地测量地测量内应力、接触应力，内应力、接触应力，如焊接如焊接件、铸件、锻件、水坝、岩石、混凝土内件、铸件、锻件、水坝、岩石、混凝土内的内应力；焊接、铸造、机加工、热加工、的内应力；焊接、铸造、机加工、热加工、锻造、冷凝、体变等残余接触应力；锻造、冷凝、

4、体变等残余接触应力； 用于各种用于各种弹性固体材料、构建弹性固体材料、构建的的应变测量、应力检测及监应变测量、应力检测及监测，测，如：钢结构、合金件、机床、大坝体、隧道、桥梁、如：钢结构、合金件、机床、大坝体、隧道、桥梁、高楼、建筑、土建、管道、输水管、岩石、地震、船舶、高楼、建筑、土建、管道、输水管、岩石、地震、船舶、海洋平台、油井、小堤坝、电缆、锅炉海洋平台、油井、小堤坝、电缆、锅炉，上海卢浦大桥通车应变试验上海卢浦大桥通车应变试验上海国际会议中心模型试验上海国际会议中心模型试验打桩船吊塔打桩船吊塔 强度试验强度试验金属丝式应变片结构金属丝式应变片结构金属箔式应变片结构金属箔式应变片结构1

5、敏感元件 2、4基底 3引线应变片组成应变片组成 应变片结构应变片结构单体型半导体应变片单体型半导体应变片F 半导体应变片结构半导体应变片结构温度传感器温度传感器扩散电阻扩散电阻硅膜片硅膜片硅片硅片基片基片集成式应变传感器集成式应变传感器lRSRlSRlS2srsrll611 10/mm mm 应变单位： / (/r rl l 径向）（轴向）在弹性范围内金属丝受拉时，在弹性范围内金属丝受拉时，轴向应变轴向应变和和径向应变径向应变的关系，的关系，负号表示应变受力方向相反负号表示应变受力方向相反RlSRlS12RR0/1 2R Rk RlSRlS/(12)0/12k 弹性元件在应变片测量技术中占有

6、极其重要的地位，首先弹性元件在应变片测量技术中占有极其重要的地位，首先把把力力、力矩力矩或或压力压力变换成相应的变换成相应的应变或位移应变或位移，然后传递给，然后传递给粘贴在弹性元件上的应变片，通过应变片将力、力矩或压粘贴在弹性元件上的应变片，通过应变片将力、力矩或压力转换成相应的电阻值。力转换成相应的电阻值。物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形变形，而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为这种变形称为弹性变形弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹具有弹性变形特性

7、的物体称为弹性元件。性元件。3. 3. 弹性敏感元件弹性敏感元件常用弹性元件的结构和特性常用弹性元件的结构和特性a） 刚度刚度刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，其定义是其定义是弹性元件单位变形下所需要的力弹性元件单位变形下所需要的力，用，用C C 表示，其数学表达式为表示，其数学表达式为 3. 3. 弹性敏感元件弹性敏感元件dxdFxFC lim式中式中: : F F 作用在弹性元件上的外力，单位为牛顿（作用在弹性元件上的外力，单位为牛顿（N N）；）； x x 弹性元件所产生的变形，单位为毫米（弹性元件所产生的变形，单位为毫米（mmmm）。）

8、。通常用刚度的倒数来表示弹性元件的特性，通常用刚度的倒数来表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度，一般用称为弹性元件的灵敏度，一般用S S 表示，表示，其表达式为其表达式为 3. 3. 弹性敏感元件弹性敏感元件 从上式可以看出，从上式可以看出，灵敏度是单位力作用下弹性元件产生变形的大小，灵敏度是单位力作用下弹性元件产生变形的大小，灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。如果弹性特性是线性的，则灵敏灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。如果弹性特性是线性的，则灵敏度为一常数，若弹性特性是非线性的，则灵敏度为一变量，即表示此弹度为一常数，若弹性特性是非线性的，则灵敏度为一变量，即表示此弹性元件在弹性变形范

9、围内，各处由单位力产生的变形大小是不同的性元件在弹性变形范围内，各处由单位力产生的变形大小是不同的.dFdxCS1OFA1230 x弹性特性曲线弹性特性曲线 b） 灵敏度灵敏度各种形式的金属各种形式的金属式电阻应变片式电阻应变片 金属式金属式电阻应变片常见的有电阻应变片常见的有丝式丝式、箔式箔式、薄膜型薄膜型 按材料分为按材料分为 体型体型 丝式、箔式丝式、箔式 金属式：金属式： 薄膜型薄膜型 半导体式：半导体式：体型体型、薄膜型、扩散型、外延型、薄膜型、扩散型、外延型、PNPN结型结型 按结构分：单片、双片、特殊形状按结构分：单片、双片、特殊形状 按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下按使

10、用环境：高温、低温、高压、磁场、水下 金属丝式金属丝式 敏感栅用敏感栅用0.025mm0.025mm金属丝（康铜、贵金属）；金属丝（康铜、贵金属）； 金属箔式金属箔式 通过照相制版，光刻腐蚀工艺作成金属薄栅，通过照相制版，光刻腐蚀工艺作成金属薄栅， 厚度在厚度在0.0030.0030.01mm0.01mm，敏感栅截面为矩形，敏感栅截面为矩形， 可通过大电流，工艺适于批量生产；可通过大电流，工艺适于批量生产； 金属薄膜型金属薄膜型采用真空技术，在基片上蒸镀金属薄膜，采用真空技术，在基片上蒸镀金属薄膜， 厚度为纳米级。厚度为纳米级。 半导体半导体式式：体型体型、薄膜型、扩散型、外延型、薄膜型、扩散

11、型、外延型、PNPN结型结型体型半导体电阻应变片体型半导体电阻应变片 直流电桥的平衡条件直流电桥的平衡条件 323141012341234()()RR RR RRUEERRRRRRRR1423R RR R1234/RRRR电桥平衡时电桥平衡时: I0 = 0 ，U0 = 0 要满足电桥平衡条件，必须有要满足电桥平衡条件，必须有对比积相等对比积相等，邻臂比相等邻臂比相等当负载当负载 RL（放大器的输入阻抗比桥路阻抗大的多，放大器的输入阻抗比桥路阻抗大的多，可视为开路可视为开路）电桥输出电压为：）电桥输出电压为： 设设R1为应变片，应变时为应变片，应变时R1变化量为变化量为R1 ， 应变片阻值变化