第二章 电阻应变式传感器 一、电阻应变式传感器工作原理 目前，常用的金属电阻应变片主要有：金属丝式应变片、箔式应变片、及金属薄膜应变片等结构形式。        金属丝式应变片的敏感栅由金属丝绕制而成。金属丝材料为电阻率大而电阻温度系数小的材料。丝式应变片的规格一般以使用面积（L×b）和敏感栅的电阻值来表示。阻值一般在50—1000Ω范围内，常用的为120Ω。        箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属薄栅，厚度在0.003-0.010mm。其优点是表面积与截面积之比大，散热条件好，允许通过电流较大，可制成各种需要的形状，便于大批量生产。        金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积的方法制成，它将可产生形变的金属或合金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂。这样应变片的性能更好，灵敏度高。所谓薄膜指厚度在0.1μm以下的金属膜。厚度在25μm左右的称厚膜箔式应变片即属厚膜。  * * 1、电阻应变效应 导体 电阻相对变化： dl/l = ?：轴向应变，单位：微应变 dA/A = 2dr/r = -2??：?--材料泊松比 d?/? ：电阻率相对变化 金属材料的应变灵敏系数 系数： 正比 金属材料： 金属材料的电阻应变效应以尺寸变化为主，电阻率变化为辅 康铜：??0.3，C?1       （1+2?)?1.6   C(1-2?) ?0.4 轴向力 拉伸/压缩 电阻变化 l 、A、?变化 半导体材料： 正比 半导体应变灵敏系数 一般：kE  (1+2?) 半导体材料的电阻应变效应以压阻效应为主：灵敏度极高 ?：轴向应力  E：弹性膜量  k：压阻系数 (压阻效应) Ks = (50~80) Km 2、电阻应变式传感器结构 1–敏感栅：敏感元件，金属丝/金属箔，                     电阻值100以上，康铜/硅, P44 2-基底：保持敏感栅的形状、尺寸、位置，				 传递应变，胶粘，薄0.02~0.04mm 3-引线：与敏感栅连接，镀锡铜线，钎焊 4-盖层：保护层，防潮、防蛀、防损，纸/胶 5-粘接剂：制造时：盖层+敏感栅；                    使用时：基底+被测部位—传递应变 (a) 丝式  (b) 箔式  (c) 半导体 （1）金属电阻应变片的结构和类型        金属电阻应变片的基本结构如图3.1所示。它由盖层、敏感栅、基底及引线四部分组成。敏感栅可金属丝、金属箔制成，它是转换元件，被粘贴在基底上。用粘合剂粘贴在传感器弹性元件或试件上的应变片通过基底把应变传递到敏感栅上，同时基底起绝缘作用。盖层起绝缘保护作用。焊接于敏感栅两端引线连接测量导线之用。       图3.1  应变式电阻传感器的结构原理示意图 1—敏感栅  2—基底  3—引线  4—盖层  5—粘贴剂 3、电阻应变式传感器的特性 (1) 静态特性： 灵敏系数： 传感器灵敏系数   敏感栅灵敏系数  ？ 横向系数： 横向效应系数 电阻变化率 灵敏系数 传感器 = 敏感栅 + 基底 + 盖层 + 粘接剂 + 引线 机械滞后： 应变极限：非线性误差达到10%的应变值，过载能力 蠕变和零漂： (2) 动态特性： 力传导：机械应变 基底   胶层 敏感栅 滞后 正弦响应：幅值降低 阶跃响应：震荡 粘接 ---  过热/过载  残余变形 预载/重复加载 不重合 内应力 滑移 固化，增大弹性膜量 粘接 4、电阻应变式传感器的测量电路 作用： 组成： 电 桥 放大器 相敏检波 滤波器 振荡器 (1) 直流电桥： U：电源电压    U0：输出电压    RL：负载电阻 初始状态：R1 R3 =  R2 R4    平衡    输出U0=0 电压输出桥：RL=?（接高阻抗放大器）     I0=0 输出电压： 等臂电桥：R1= R3 = R2 =R4=R        近似：?R  R        单臂工作：R1-应变片，R2-补偿片，R3、R4固定电阻        相对桥臂相加相邻桥臂相减        放大微弱信号 ?R/R            V/I； （信号转换） 工作状态：? R1 ? R3 ? R2 ? R4      (2) 交流电桥： 平衡条件： 交流电桥的调平：未受载，无应变时，输出=零 原理：相同 ；  输入输出：直流        交流，   电阻           阻抗   电阻调平法：串联电阻法 / 并联电阻法： 可调R5 导线的分布电容影响：容抗(频率)       平衡 输出   电容调平法：差动法---C3 / C4 同轴差动电容（大小相等、极性相反）	         阻容法---RC阻容电路 平衡条件： 一般电桥： 全等臂电桥： (3) 电桥的非线性及其补偿： 近似： 差动电桥补偿法： 准确： 非线性误差： 例：某金属应变传感器，K=2.5，?max=5000??，全等臂电桥，单臂工作，	非线性误差：                                          基本线性        若为半导体应变传感器：K=120，                                     非线性严重 相对桥臂受拉：R1+?R1， R3+?R3 相邻桥臂受压： R2-?R4 ，R4-?R4 全等臂电桥： R1=R2= R3=R4 = R		   	         ?R1=-?R2 =?R3 =?R4  输出电压：                       线性，灵敏度*4  恒流源电桥补偿法： 全等臂电桥，恒流源，单臂工作： 非线性 非线性误差： 近似线性： (4) 电桥的温度效应及其补偿： 温度效应：标准状态（t=20?C，p=760mmHg，f=10mmHg），（理想）                        实际温度：偏差  ---  特性改变   ---   输出改变                     两部分：敏感栅电阻变化，敏感栅与试件热胀失衡（不等） 相对变化： K：传感器灵敏系数，?s, ?t ：被测试件和敏感栅热胀系数 ?t：温度变化， at：电阻温度系数 单丝自补偿法：选择材料：                             (?R/R)t=0                            制造简单、使用方便---用于设计过程 双丝自补偿法：应变片由两个电阻丝(Ra,Rb)串联， 	             电阻温度系数一正一负，抵消,                             用于单个选定的试件，缺乏通用性 桥路补偿块法：两个应变片，参数相同：R1—试件上，感受应变和温度                                                                         R2—环境中，只感受温度变化                            接入相邻桥臂，相减，消除。  简便，对环境有要求。  温度补偿方法： 双丝半桥补偿法：应变片由两个电阻丝(R1, R2)串联，温度系数符号相同                                 R1-工作栅，R2-补偿栅，RB-外接电阻，对温度不敏感           
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