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1、第3章电阻应变式传感器电阻应变式传感器由各种弹性敏感元件和电阻应变片构成。电阻应变式传感器结构简单、使用方便、性能稳定可靠。电阻应变式传感器在测量时控制方便。电阻应变式传感器灵敏度高、测量速度快、静态和动态特性好。电阻应变式传感器可用于测量位移、加速度、力、力矩、压力 等多种物理量。电阻应变式传感器是历史最悠久，应用最广泛的传感器。3.1电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器由各种弹性敏感元件和电阻应变片构成。传 感器的两个主要部分是敏感元件和转换元件，在电阻应变式传 感器中，它们就是弹性敏感元件和电阻应变片。弹性敏感元件在感受被测量物理量时将产生变形，其表面产生 应变。当弹性敏感元件的表
2、面产生应变时，粘贴在弹性敏感元件表面 上的电阻应变片随之产生应变，电阻应变片的电阻也随之产生 变化。通过测量电阻应变片电阻的变化实现被测物理量变化的测量。3.2弹性敏感元件的基本特性3.2.1弹性特性弹性特性：弹性敏感元件在外力作用下将产生变形(应变、位 移或转角)，弹性敏感元件变形x与外力f的关系称为弹性特 性，弹性特性可分为线性特性和非线性特性。F = F (x )刚度上：弹性敏感元件抵抗外力F产生形变x的能力，即单位 形变产生的抵抗力，抵抗力等于外力，刚度越大，外力作用下， 产生形变越小。k =虹=tn 9 dx灵敏度s :单位外力F产生的形变x。S = 1 =也= ctn9 n k d
3、F多个弹性敏感元件串联灵敏度S : ns = Snil Sn 2 I S3多个弹性敏感元件并联灵敏度s :nz1sni3.2.2弹性滞后在弹性变形的范围内，弹性特性的加载和卸载曲线不重合现象称为弹性滞后现象弹性滞后现象会产生弹性误差小，弹性误差将产生测量误差。 弹性滞后现象的环路称为滞环，滞环越大，弹性误差小越大。 弹性滞后现象是材料分子存在内摩擦所致。3.2.3弹性后效变形滞后外加力的变化的现象称为弹性后效现象，弹性后效现象使得形变跟不上力的变化，从而会造成测量误 差，尤其是动态测量误差更加严重。3.2.4固有振动频率固有振动频率：八土行堕）ek :刚度m :等效质量减小刚度k，可以提高灵敏
4、度s ,但同时却造成固有振动频率 f的减小，同时弹性特性的线性也会变差。所以要综合考虑。3.3电阻应变片的工作原理3.3.1金属电阻的应变效应金属电阻随其机械变形而变化的效应称为金属电阻的应变效 应。金属丝的电阻与其电阻率p、长度、截面积S有关，电阻率由其材料内部特性决定，长度和截面积由其几何形状决定。当金属丝产生变形时，其电阻率p、长度L、截面积S都要发 生变化，从而其电阻也随之发生变化。3.3.2电阻应变片的结构和工作原理电阻应变片由电阻丝、底座、覆盖层和引线组成。高电阻率的合金电阻丝构成敏感栅、敏感栅固定在底座上、当底座发生横向G)和纵向()形变时，敏感栅的电阻丝将被拉长 或缩短，从而改
5、变电阻丝的电阻，底座和覆盖层为绝缘体。3.3.3电阻丝的应变特性电阻率为p、长度为,、截面积为的日金属丝的电阻为R =些S金属丝发生拉长或缩短形变引起的电阻变化为Kd p)L + p (dL )k -p LdSdR =:S 2_ p SdL - p LdS + LSd pS2p dLp LdSLd pS S 2 S因为R =pLS所以dRdL dS1 dS j S + d p J p dL dL L dL L金属丝的灵敏系数：金属丝发生单位相对拉长产生的相对电阻变化dS1 +里+ = I几何尺寸变化+材料特性变化=常数dL L dL LdR=KRdLsLsL金属丝横向应变、纵向应变、泊松系数纵
6、向应变：8 dL金属丝截面积:S =兀r2，所以 dS /S = 2 dr ；r横向应变：dr，所以dS=2 8泊松系数：8 =-日8y金属丝的灵敏系数的横向应变、纵向应变、泊松系数表示K =dS /S + d pjp dL L dL LAR一=K 8RdR=K 8 nR3.3.4电阻应变片的应变特性电阻应变片的应变特性 R=K 8 + K &RX X -V VK:轴向灵敏系数XK:横向灵敏系数y _巫：轴向形变纵向形变 o )y电阻应变片的横向灵敏度(横向效应)K c = KXAR=K + K RX XV VfC )=K + -V = K + cx x k y x x y电阻应变片的灵敏度系
7、数KXAR=K & + K &R * *1 + c = KI J3.4电阻应变片的种类和参数3.4.1电阻应变片的种类电阻丝回线式应变片：P63：图4-4(a),电阻丝绕制工艺，灵敏度系数主要取决于几何结构的变化电阻丝短接式应变片：P63:图4-4(b),银丝短接工艺，横向 效应小，灵敏度系数主要取决于几何结构的变化。箔式应变片：P64：图4-5光刻技术，横向效应小，灵敏度系 数主要取决于几何结构的变化。薄膜应变片：真空镀膜工艺。，灵敏度系数主要取决于几何结 构的变化。半导体应变片：P65：图4-6,半导体工艺，灵敏度系数主要 取决于几何结构的变化引起的材料特性的变化(p)。3.4.2电阻应变
8、片的参数应变片电阻(%):未安装、无外力、室温下的电阻，标准有60Q、 120 Q、350Q、600Q、常用 120 Q。机械滞后：应变片粘贴前后，应变感应的最大差值疲劳寿命：最大循环应变数。灵敏系数Q):已安装、单位轴向应变(相对)产生的电阻的 相对变化。灵敏系数要求大、准确和稳定。横向灵敏度：横向应变对灵敏系数的影响。应变极限：应变测量误差10%的最大应变。零漂：无应变下指标随时间的最大变化量蠕变：有应变下指标随时间的最大变化量绝缘电阻：敏感栅与基底间的电阻，一般 101皿允许电流：电流产生的热不影响应变片正常工作的电流，静态测量一般 25湖，动态测量一般75100湖。3.5电阻应变片的动
9、态响应3.5.1应变波的传播应变波在材料中传播需要时间。应变波在粘合层合基地中传播需要时间。应变波在应变片线栅中传播需要时间。3.5.2应变计的可测频率应变波为正弦波可测频率：f =上nl0V :应变波的传播速度n :应变波波长与应变片基长之比l :应变片基长应变波为阶跃波可测频率：f = 0.44 Vl0提高可测频率，要选用应变片基长l小的应变片3.6电阻应变式传感器的温度补偿3.6.1温度误差温度变化将引起应变片敏感栅电阻的变化，产生附加应变试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变。3.6.2温度补偿方法桥路补偿法：1R 2粘贴在自由试件上dR -RE（R + R ）20
10、1RE（R + R（AR + dR ）- dR =RER1=R=RRR+R idR 2 EJ热敏电阻补偿法:T个nR个n V T个nR In V个应变片自补偿法：应变片内部进行补偿3.7电阻应变式传感器的信号调节电路3.7.1测量电桥静态应变百流平衡电桥R = 土 R2 R 1A R = R A R2 R 1动态应变交流不平衡电桥放大器输入电阻很大3V1, U电压灵敏度:3.7.2电桥的非线性补偿电桥的非线性ARU ARARARAR非线性误差:1 AR2R半桥差动非线性补偿A R 1R1全桥差动非线性补偿0R1恒流源电桥的非线性补偿1A R r4 R )1,I .-AR，41因为ARi ARi
11、 ,而使误差变小4 RR113.7.3电阻应变仪电桥调制:. U A R U A RU 1 =1 sin w t，iif = = 20 200 H。2兀z放大、检波、滤波、指示记录3.8电阻应变式传感器3.8.1柱式力传感器RRRR圆柱体（空心或实心）弹性元件，应力 = S F电阻应变片粘贴在圆柱体上，力作用时候，电阻应变片有被拉伸的，有被挤压的A R=K = KS F电阻应变片连接成全桥差动误差补偿U = U 业=UKS F = AF0 Rn3.8.2梁式力传感器RR悬梁弹性元件，应力 = SF电阻应变片粘贴在悬梁上，力作用时候，电阻应变片有被拉伸的，有被挤压的A R=K = KS F电阻应变片连接成全桥差动误差补偿U = U AR = UKS F = AF0 Rn
