传感器原理及应用(第3版)王华翔第2章应变式传感器

1、第2章 应变式传感器应变式传感器分为两种：金属应变片式和压阻式。特点：（1）测量范围广。应变式力传感器可测10-2-107N的力。（2）精度高。精度可达0.1%或更高。（3）频率响应特性（动态特性）好。能够测量快速变化 的物理量。（4）性能稳定，工作可靠。（5）能在恶劣环境下工作。基本原理：利用应变效应来测量。导体或半导体材料受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械形变，机械形变导致其阻值变化，称为“应变效应应变效应”。导体或半导体的电阻与电阻率和其几何尺寸有关。当受到外力时，L和S都会变化，从而引起阻值改变。通过测量阻值变化的大小，就可以反映外界作用力的大小。 lRS第1节 金属应变片式传感

2、器核心元件是金属应变片，可将试件的应变变化转换成电阻变化。分为金属丝式应变片和金属箔式应变片。一、金属丝式应变片(一)应变效应金属丝的电阻计算公式为：lRS金属丝受拉力而伸长dL，其截面积将相应减少dS，电阻率也将变化 ，三者共同导致金属丝电阻变化dR。dlRS两边取对数得ln R=ln +ln l-ln S等式两边取微分得：电阻率的相对变化SdSdldlRdRdRRddllrdrr电阻的相对变化金属丝长度方向的应变或轴向应变2rSrdrdS2rdrSdS2金属丝半径的相对变化，即径向应变弹性范围内金属丝沿长度方向伸长时，径向(横向)尺寸缩小，反之亦然。即轴向应变与径向应变r 存在下列关系r

3、金属材料的泊松比代入SdSdldlRdR得：dRdR21金属材料电阻率相对变化与其体积相对变化之间有下列关系ddVCVlSVrddd22(1 2 )VSlVSl 21CVdVCdsKCCRdR21212121KS对于一种金属材料在一定应变范围内为一常数，称为金属丝的应变灵敏系数。增量形式：ssKllKRR金属丝的应变灵敏系数，为单位应变引起的电阻相对变化，由两部分组成： sK2121C几何尺寸变化导致电阻率变化导致(二)应变片的结构与材料 图2-1所示为电阻应变片的典型结构图。它由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和黏结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和

4、要求合理地加以选择。1、敏感栅应变片中实现应变电阻转换的敏感元件，它是应变片中最重要的组成部分。由某种金属细丝绕成栅形。标准化：60，120 ，200 ，350 ，600 ，1000 栅长栅宽2.基底和盖片基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置；盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。3.黏结剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用黏结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。4.引线它是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。常用直径约0.10.15 mm的镀锡铜线，或扁带形的其他

5、金属材料制成。(三)主要特性1、灵敏度系数2、横向效应3、机械滞后4、零点漂移和蠕变5、应变极限6、动态特性1.灵敏度系数 金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片后，其电阻应变特性，与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻应变特性重新测定。 实验表明，金属应变片的电阻相对变化 与应变在很宽的范围内均为线性关系。即RRRKR应变片的灵敏系数K 1(RR)时，k/(1+k)1/2，其非线性 较等臂电桥大; 当k1(RR)时，其非线性较等臂电桥小;k远小于1时，其非线性可得到很好改善;当k=1时，即为等臂电桥。RRk四、应变式传

6、感器测量应变、力矩、压力、加速度等。应变式传感器基本构成：弹性敏感元件和应变片。弹性元件在被测物理量作用下产生一个与物理量成正比的应变；应变片作为传感元件将应变转换为电阻变化。R1R2F弹性元件应变片(一)柱式力传感器1FSE21FSE 式中 F载荷； E弹性元件的杨氏模量； S弹性元件截面积。在圆柱面贴多个不同方向的应变片，分别感受拉应力和压应力，并接入电桥，可以达到提高输出电压，提高灵敏度的目的，同时能够进行温度补偿。R6R7R8R2R3R4R5R1(a) 圆柱面展开图u0U0R1R3R5R7R6R8R2R4(b) 桥路连接悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。它的特点是灵敏度比较高。

7、所以多用于较小力的测量。例如，民用电子称中就多采用悬臂梁。当力F（例如苹果的重力）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，上下表面的应变大小相等符号相反。粘贴在上下表面的应变片也随之拉伸和缩短。得到正负相间的电阻值的变化，接入桥路后，就能产生输出电压。(二)梁式力传感器(二)梁式力传感器等强度梁应变式力传感器截面沿梁长方向按一定规律变化，当集中力作用在自由端时，距作用力任何距离的截面上应力相等。26MFLWbh常数 26xFxbh等强度梁各点的应变值为26xFxb h E43214KEUg(三)应变式压力传感器气体或液体压力作用在薄板承压面时，薄板

8、变形，粘贴在另一面的应变片变形，电阻改变，在电桥上产生输出。圆板上各点径向应力和切向应力为：2223(1)(3)8rPrxh2223(1)(1 3 )8tPrxh圆板内任一点的应变值为：22223(1)(3)8rPrxh E22223(1)()8tPrxh E随着x增大，径向应变由正向负变化薄板应变变化规律：由应变分布图知：（1）x=0时，中心处，（2）x=r时，边缘处，（3）22223(1)(3)8rPrxh E22223(1)()8tPrxh E222318rtPrhE0t222143rEhPr3rx 0r拉压贴片方法：圆心处沿切向贴两片；边缘处沿径向贴两片差动接入电桥差动接入电桥R2，R

9、3切向应变R1，R4径向应变第二节 压阻式传感器利用硅、锗等半导体材料的压阻效应和微电子技术制成特点：灵敏度高、动态响应好、精度高、横向效应小，易于微型化和集成化。压阻式传感器的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。半导体材料在受到应力作用后，电阻率会发生明显的变化，这种现象称作压阻效应。dd(1 2 )RR 半导体受力后的电阻变化为：对于半导体材料：d/E 很大小忽略dRER 式中 压阻系数；E弹性模量； 应力； 应变。二、晶体的各向异性和晶面晶体具有各向异性，不同方向特性不同。单位晶面，在各轴上的截距均为1。如何表示不同的晶面？截距法已知某晶面在X、Y、Z轴上的截距为 ，它们与单位晶面在坐标轴截距的比可写为：xyzOAOBOC、1 1 1: :xyzOAOBOCh k lOAOBOCp q r晶向是晶面的法线方向电阻率的相对变化与应力成正比，二者的比例系数就是压阻系数：d/d/E 多向应力作用在单晶硅上，引起电阻相对变化：llttdRR 222222111112441111112()()ll ml nm n22222212111244111212()()tl lm mn n纵向横向三、四、固态压阻元件lrttrRR lttrtRR 径向切向若圆