1、第 3章 应变式传感器 1第 3章 应变式传感器 3.1 电阻应变片的工作原理 3.2 电阻应变片的结构、材料及粘贴 3.3 电阻应变片的特性 3.4 电阻应变片的测量电路 3.5 应变式传感器的应用 第 3章 应变式传感器 23.1 电阻应变片的工作原理 3.1.1 金属电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片的工作原理基于电阻应变效应。导体在外界作用下产生机械变形 (拉伸或压缩 )时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为电阻应变效应。 如图 3-1所示，一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为式中： 电阻丝的电阻率； l 电阻丝的长度； A 电阻丝的截面积。(3-1) 图 3-1 金属电阻丝应
2、变效应 第 3章 应变式传感器 3当电阻丝受到拉力 F作用时，将伸长 l，横截面积相应减小 A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而变化 ，从而引起电阻变化 R，通过对式 (3-1)全微分，得电阻的相对变化量为 式中： dl/l 长度相对变化量，用应变 表示为 (3-2) (3-3) 第 3章 应变式传感器 4dA/A 圆形电阻丝的截面积相对变化量，设 r为电阻丝的半径，微分后可得由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，令 dl/l=为金属电阻丝的轴向应变， 为径向应变，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为式中， 为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。 (3
3、-5) (3-4) 第 3章 应变式传感器 5将式 (3-3)、式 (3-5)代入式 (3-2)，可得或通常把单位应变引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达式为 (3-6) (3-7) (3-8) 第 3章 应变式传感器 6灵敏系数 K受两个因素影响：一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即 1+2；另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即 (d/)/。对金属材料来说，电阻丝灵敏系数表达式中 1+2的值要比 (d/)/大得多，所以金属电阻丝 的影响可忽略不计，即起主要作用的是应变效应。大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变
4、成正比，即 K为常数。 第 3章 应变式传感器 73.1.2 半导体电阻应变片的工作原理 半导体电阻应变片是用半导体材料制成的，其工作原理基于半导体材料的压阻效应。半导体材料的电阻率 随作用应力的变化而发生变化的现象称为压阻效应。 当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为 式中 d/为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为 (3-9) (3-10) 第 3章 应变式传感器 8式中： 半导体材料的压阻系数 ; 半导体材料所受的应变力 ;E 半导体材料的弹性模量 ; 半导体材料的应变。 将式 (3-10)代入式 (3-9)中得实验证明， E比 1
5、+2大上百倍，所以 1+2可以忽略，因而引起半导体应变片电阻变化的主要因素是压阻效应，式 (3-11)可以近似写成 (3-11) (3-12) 第 3章 应变式传感器 9半导体应变片的灵敏系数比金属丝式的高，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的应用范围受到一定的限制。 用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用下，被测对象产生应变 (或应力 )时，应变片随之发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得的应变片电阻值变化量为 R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 为 =E (3-13)由此可知，应力值 正比于应变 ，而试件应变 正比于电阻值的变化，所以应力 正比于电阻值的变化，这就是利用应变片测量应变的基本原理。第 3章 应变式传感器 103.2 电阻应变片的结构、材料及粘贴 3.2.1 金属电阻应变片的结构 金属电阻应变片品种繁多，形式多样，常见的有丝式电阻应变片和箔式电阻应变片。 金属电阻应变片的大体结构基本相同，图 3-2所示是丝式金属电阻应变片的基本结构，由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。
