电阻应变式传感器

1、2.1 应变式传感器应变式传感器一一. 弹性体及其应变弹性体及其应变弹性体（敏感元件）的基本概念：物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象称为变形。如果变形后的物体在外力去除后又恢复原来形状的变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。（1）刚度：弹性元件产生单位变形所需的力。（2）灵敏度：在单位力作用下弹性元件产生的变形。dxdfxfkxlim0dfdxks1弹性敏感元件的基本要求及类型弹性敏感元件的基本要求及类型：刚度和灵敏度表示了弹性元件的软硬程度。元件越硬，刚刚度和灵敏度表示了弹性元件的软硬程度。元件越硬，刚度越大，单位力作用下变形越小，灵敏度越小。当刚度和度越大，单位力作用

2、下变形越小，灵敏度越小。当刚度和灵敏度为常数时，作用力灵敏度为常数时，作用力f与变形与变形x成线性关系，此种元件成线性关系，此种元件称为线性弹性元件。称为线性弹性元件。（1）具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能。（2）良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）。（3）弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定。（4）抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。对弹对弹性敏性敏感元感元件的件的基本基本要求要求 （1）变换力（力矩）弹性元件：等截面柱）变换力（力矩）弹性元件：等截面柱式、悬臂梁、圆环式和等截面薄板等。式、悬臂梁、圆环式和等

3、截面薄板等。（2）变换压力弹性元件：弹簧管、波纹管、）变换压力弹性元件：弹簧管、波纹管、膜片（力、压力均可以变换）等。膜片（力、压力均可以变换）等。弹性元件输入量 rr0ll00 l0 l绝对伸长绝对伸长 绝对压缩绝对压缩 1. 弹性等截面轴弹性等截面轴受外力作用后变形量：受外力作用后变形量：0rrr0rff(a) 拉伸ff(b) 压缩31331144ekerrrrubd轴向应变轴向应变 eaeflly0径向应变径向应变 xy泊松系数泊松系数 41432144ekekubd反映物质形变程度，反映物质形变程度， 反映物质弹性特征（反映物质弹性特征（0.2 0.4），），e是材料的弹性模量是材料的

4、弹性模量. e钢钢=2.0*1011n/m2e铝铝=0.7*1011n/m2应变应变 4321读2. 等截面悬臂梁等截面悬臂梁自由端受向下外力作用后：自由端受向下外力作用后：此时上表面应变为正（拉应变）此时上表面应变为正（拉应变） 下表面应变为负（压应变）下表面应变为负（压应变）自由端位移（挠度）最大，固定端应变最大。自由端位移（挠度）最大，固定端应变最大。它适于测量它适于测量500kg以下的载荷，最小为测几十克重的力，这种传感器具以下的载荷，最小为测几十克重的力，这种传感器具有结构简单、加工容易、应变片易粘贴、灵敏度高等特点。有结构简单、加工容易、应变片易粘贴、灵敏度高等特点。 悬臂梁是一端

5、固定、一端自由的弹性敏感元件。特点是灵敏度比较高。悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。特点是灵敏度比较高。所以多用于较小力的测量。例如民用电子秤中就多采用悬臂梁。当力所以多用于较小力的测量。例如民用电子秤中就多采用悬臂梁。当力f（例如苹果的重力作用）以垂直方向作用于电子秤中的铝质悬臂梁的末端时，（例如苹果的重力作用）以垂直方向作用于电子秤中的铝质悬臂梁的末端时，梁的上表面产生拉应变，下表面产生压应变。梁的上表面产生拉应变，下表面产生压应变。febhlx206应变应变 p3. 等强度悬臂梁等强度悬臂梁自由端受向下外力作用后：自由端受向下外力作用后：此时上表面应变为正（拉应变）此时上表面应变

6、为正（拉应变） 下表面应变为负（压应变）下表面应变为负（压应变）同一表面上各点应变相等，上下表面应变绝对同一表面上各点应变相等，上下表面应变绝对相等、符号相反。相等、符号相反。 febhllx20)( 3 f fh hl l0 0通常采用厚度通常采用厚度 h h 不变，不变，宽度宽度 b b 改变来满足：改变来满足：其他讨论与等截面梁式荷重传感器相同。其他讨论与等截面梁式荷重传感器相同。应变应变 *两端固定横梁两端固定横梁受向下外力作用后：受向下外力作用后：此时上表面应变为此时上表面应变为负负（压压应变）应变） 下表面应变为下表面应变为正正（拉拉应变）应变）r4r2r3r1f电阻应变片种类：电

7、阻应变片种类：丝式丝式( (绕线式绕线式) )、箔式、半导体式、箔式、半导体式引出线引出线电阻丝电阻丝(丝栅丝栅)基底基底 alr金属箔式应变片金属箔式应变片金属丝式应变片金属丝式应变片二二. 电阻应变片及其电阻变化电阻应变片及其电阻变化金属电阻应变片的结构如右图所示，它由敏感栅、基体、覆盖层（保护片）和引出线四部分组成 11144ekerrubd机机电电设设备备中中传传感感器器的的连连接接与与信信号号获获取取（1）敏感栅是转换元件，由金属丝、金属箔制成，它被）敏感栅是转换元件，由金属丝、金属箔制成，它被粘贴在基体上。通过基体把应变传递给它。粘贴在基体上。通过基体把应变传递给它。（2）基体起绝

8、缘作用。）基体起绝缘作用。（3）覆盖层（保护片）起绝缘保护作用。）覆盖层（保护片）起绝缘保护作用。（4）引出线焊接于敏感栅两端，作连接测量导线之用。）引出线焊接于敏感栅两端，作连接测量导线之用。电阻应变片有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。电阻应变片有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。金属电阻应变片又有丝式、箔式和薄膜式等结构形式。金属电阻应变片又有丝式、箔式和薄膜式等结构形式。 2daaldaldladr adadldlrdr 222rdrrrdrada金属的径向应变金属的轴向应变令xyrdrldl ll+ dl2r2(r-dr)f金属丝的应变效应金属丝的应变效应11144ekerrub

9、d11144ekerrubd )21(xllxedrdr xledrdr晶面晶面(crystal face): 在晶格中由一系列原子所在晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面。构成的平面称为晶面。11144ekerrubd晶向晶向(crystal direction): 在晶格中在晶格中,任意任意两原子之间两原子之间的连线所指的方向。的连线所指的方向。 ) 21 xrr（晶向指数晶向指数: 用密勒用密勒(miller)指数对晶格中某一原子排指数对晶格中某一原子排列在空间的位向进行标定。列在空间的位向进行标定。使用方法使用方法:设置坐标设置坐标;求截距求截距;取最小整数。取最小整数。errr r

10、rrrr rrrruudbdb434344221111半导体应变片在不同晶向上受相同大小应力作用时电阻率变化情况不同。例如p型硅在111晶向上的灵敏度k约为150，而在100晶向上仅为10左右。三三.信号处理电路信号处理电路从前面的讨论知道：电阻应变片的作用是将构件表面的应变转变为电阻的变化。因此将应变片连入电路中构成电桥。目前的应变仪均采用惠斯通电桥电路测量应变片的阻目前的应变仪均采用惠斯通电桥电路测量应变片的阻值变化。值变化。 四臂电桥如图所示：四臂电桥如图所示： 121221124)44ekekerrrrubd43214ekudb当在小应变、等桥臂（当在小应变、等桥臂（r1= r2= r

11、3 = r4 ）、相同的灵敏系数）、相同的灵敏系数时，上式简化成下式：时，上式简化成下式：若电桥的四个臂均与粘贴于构件上的电阻片相连，当构件变若电桥的四个臂均与粘贴于构件上的电阻片相连，当构件变形时，桥臂上的阻值分别变为：形时，桥臂上的阻值分别变为： r1+ r1 、r2+ r2、 r3+ r3、 r4+ r4。此时此时bd点的输出电压为：点的输出电压为：可以证明输出电压与桥臂阻值的关系：可以证明输出电压与桥臂阻值的关系：febhxlx20)(6）（443322114rrrrrrrreudbv。. . . . . . .adcbr1wdr4r3r2+15v-15v+4v-4v+ +- -差动放

12、大器电压/频率表式中：式中： 1、 2、 3、 4分别代表四个应变片所感受的应变值，分别代表四个应变片所感受的应变值，11144ekerrubd21313311444ekekerrrrubd41432144ekekubd11144ekerrubd几种常用的组桥方式：几种常用的组桥方式：1. 单臂测量：桥路中只有一个桥臂参与构件的机械变形。输出单臂测量：桥路中只有一个桥臂参与构件的机械变形。输出的桥压为：的桥压为：2.半桥测量：桥路中相邻的两个桥臂参与构件的机械变形。输出的半桥测量：桥路中相邻的两个桥臂参与构件的机械变形。输出的桥压为：桥压为：3. 对臂测量：桥路中相对的两个桥臂参与构件机械变形

13、。输出的桥对臂测量：桥路中相对的两个桥臂参与构件机械变形。输出的桥压为：压为：4.全桥测量：桥路中四个桥臂全部参与构件机械变形。输出的桥全桥测量：桥路中四个桥臂全部参与构件机械变形。输出的桥压为：压为：温度补偿片温度补偿片（桥测量或称单点测量）桥测量或称单点测量） 引起电阻片的阻值改变的因素：引起电阻片的阻值改变的因素：1.机械变形；机械变形；2.温度变温度变化。温度变化引起阻值改变的量是无用的量。可以利用电桥化。温度变化引起阻值改变的量是无用的量。可以利用电桥加减特性，通过温度补偿片来消除。即加减特性，通过温度补偿片来消除。即单臂（单臂（桥）测量桥）测量。 21331144ekerrrrubd43半桥测量半桥测量在在ab，bc两个臂上分别接上工作片，温度影响将互相抵消。两个臂上分别接上工作片，温度影响将互相抵消。0 l l l 43对臂测量对臂测量0r 在在ab，cd两个臂上接工作片，两个臂上接工作片，bc，da接温度补偿接温度补偿片。四个臂的电阻同处一个温度场，温度影响相互抵消。片。四个臂的电阻同处一个温度场，温度影响相互抵消。aefrrrr rx 000全桥测量全桥测量 电桥的四个臂上接工作片，都参与机械变形，同处电桥的四个臂上接工作片，都参与机械变形，同处一个温度场，温度影响相互抵消。一个温度场，温度影响相互抵消。11144ekerrubd一般应