电阻应变片传感器

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1、电阻应变片传感器l 应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器器, 是常用的传感器之一。是常用的传感器之一。 应变式传感器的核心应变式传感器的核心元件是电阻应变计（应变片）。元件是电阻应变计（应变片）。l应变式传感器结构简单，尺寸小，重量轻，使应变式传感器结构简单，尺寸小，重量轻，使用方便，性能稳定可靠，分辨率高，灵敏度高用方便，性能稳定可靠，分辨率高，灵敏度高，价格又便宜，工艺较成熟。因此在航空航天，价格又便宜，工艺较成熟。因此在航空航天、机械、化工、建筑、医学、汽车工业等领域、机械、化工、建筑、医学、汽车工业等领域有很广的应用。有很广的应用。各种电子

2、秤各种电子秤高高 精精 度度 电电 子子 汽汽 车车 衡衡 动态电子秤动态电子秤电子天平电子天平机械秤包装机机械秤包装机吊秤吊秤4.1 电阻应变片的工电阻应变片的工 作原理作原理 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻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，这种效应称为电阻应变效应。值将发生变化，这种效应称为电阻应变效应。金属丝电阻金属丝电阻lRA一个长度为一个长度为l，截面积为，截面积为A，电阻率为，电阻率为的导体的导体 当电阻丝受到拉力当电阻丝受到拉力F作用时，作用时， 将伸长将伸长l，横截面积相应减，横截面积相应减小小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了，电

3、阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了d，从而引起电阻值相对变化量为，从而引起电阻值相对变化量为 dAdAldlRdRn轴向应变轴向应变ldlrdrAdA2ldlrdrn径向应变径向应变式中式中, 为电阻丝材料的泊松比，为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变轴向方向相反。负号表示应变轴向方向相反。 得得: 通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。敏系数。 其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量。量。dRdRK21 灵敏系数灵敏系数K的的影响影响因素：因素：n一个是应变片受力后材料几何尺寸的变

4、化，一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即即1+2；n另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（d/）/。n对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2的值要比的值要比(d/)/大得多，大得多，n半导体材料的半导体材料的(d/)/项的值比项的值比1+2大得多。大得多。n大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对变化与应电阻的相对变化与应变成正比，即变成正比，即K为常数。为常数。 dRdRK21当半导体应变片受轴向力作用时，当半导体应变片受轴向力作用时， 其电

5、阻相对变化为其电阻相对变化为 dRdR)21 ( 式中式中d/为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体敏感为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为元件在轴向所受的应变力有关，其关系为 Ed半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用料的压阻效应。压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时，时， 其电阻率其电阻率发生变化的现象。发生变化的现象。 半导体应变片半导体应变片)21 (ERdR实验证明，实验证明，E比比

6、1+2大上百倍，所以大上百倍，所以1+2可以忽略，因而半导体应变片可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为的灵敏系数为 ERdRK 半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高5080倍，倍， 但半导体材料但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，的温度系数大，应变时非线性比较严重， 使它的应用范围受到使它的应用范围受到一定的限制。一定的限制。 三、应变测试原理三、应变测试原理 用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用下，被测对用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，象产生微小机械变形，应变

7、片随着发生相同的变化， 同时应变片电阻值同时应变片电阻值也发生相应变化。也发生相应变化。=E ERdRK当测得应变片电阻值变化量为当测得应变片电阻值变化量为R时，便可得到被测对象的应变值。时，便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系，得到应力值根据应力与应变的关系，得到应力值为为 4.2 应变片的种类、材料及粘贴应变片的种类、材料及粘贴4.2.1 金属电阻应变片的种类金属电阻应变片的种类 引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅lb 金属丝式应变片有回线式和短接式二种，如图金属丝式应变片有回线式和短接式二种，如图2.3所示。所示。 回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘回线式最为常用，制作

8、简单，性能稳定，成本低，易粘贴，但其应变横向效应较大。贴，但其应变横向效应较大。 短接式应变片两端用直径比栅线直径大短接式应变片两端用直径比栅线直径大510倍的镀银丝短倍的镀银丝短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。 1.金属丝式应变片金属丝式应变片常用材料：康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。常用材料：康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。a、c回线式回线式 b、d短接式短接式它是利用照相制版或光刻技术将厚约它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.0030.01mm的金属箔片制成所的金属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。

9、需图形的敏感栅，也称为应变花。优点：优点：.可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长l可做到可做到0.2mm，以适应不同的测量要求；，以适应不同的测量要求；.与被测件粘贴结面积大；与被测件粘贴结面积大； .散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度； .横向效应小。横向效应小。 .蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。 缺点：电阻值的分散性比金属丝的大，有的相差几十欧姆，需做阻值调缺点：电阻值的分散性比金属丝的大，有的相差几十欧姆，需做阻值调整。在常温下，金属箔式应变片已逐步取代了金属丝式

10、应变片整。在常温下，金属箔式应变片已逐步取代了金属丝式应变片 2.金属箔式应变片金属箔式应变片3.金属薄膜应变片金属薄膜应变片它是薄膜技术发展的产物。采用真空蒸发或真空沉积等方法它是薄膜技术发展的产物。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在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。的敏感栅，最后再加上保护层。优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，可达广，可达197317缺点：难于控制电阻与温度和时间的变化关系。缺点：难于控制电阻与温度和时间的变化关系。 4.

11、2.2 金属电阻应变片的材料金属电阻应变片的材料 对电阻丝对电阻丝(敏感栅敏感栅)材料应有如下要求：材料应有如下要求： 灵敏系数大，灵敏系数大， 且在相当大的应变范围内保持常数；且在相当大的应变范围内保持常数； 值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值； 电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值； 与铜线的焊接性能好，与铜线的焊接性能好， 与其它金属的接触电势小；与其它金属的接触电势小； 机械强度高，机械强度高， 具有优良的机械加工性能。具有优良的机械加工性能。