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第二章

应变电阻式传感器

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2013-8-20

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第二章学习要求：

应变电阻式传感器

1.掌握应变电阻式传感器的工作原理；

2.了解应变电阻式传感器的结构、分类；3.掌握应变电阻式传感器基本特性和检测电路； 4.了解应变电阻式传感器的应用。 电阻式传感器的基本原理是将被测物理量的变 化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路和装 置显示或记录被测量值的变化。 可以用来测量力、位移、加速度等。2013-8-20 3

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2.1 应变片式电阻传感器2.1.1电阻应变片的工作原理 应变电阻工作原理是基于电阻应变效应，即在 导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化. 设有一根电阻丝，在未受力时原始电阻值为：

l R S式中： ρ —— 电阻丝的电阻率； l —— 电阻丝的长度； S —— 电阻丝的面积；2013-8-20 4

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L F

2r

2(r r ) L

F

金属丝伸长后几何尺寸

在外力F 的作用下，电阻丝的ρ、l、S(r) 发生变化，则引起电阻相应变化ΔR,相对变化 为：

R l S R l S

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2.1.1 电阻应变片的工作原理 l 长度变化量用应变系数 表示， l S r2 S 2 r r S r l 2 2 2 S r l

为电阻材料的泊松比，负号表示应变方向相反代入前式后得到： R 1 2 R2013-8-20 6

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电阻应变片的灵敏系数 灵敏系数：单位长度应变引起的电阻变化率；

KS

R

对于金属应变电阻，Δρ/ρ很小，可以忽略，则

R 1 2

KS=1+2μ。 对于半导体应变电阻， Δρ/ρ很大，此时1+2u可 以忽略，则KS= Δρ/(ρε)。半导体应变片的优点是 灵敏度高，比金属丝式高50~80倍，尺寸小，横 向效应小，动态响应小，易于生产线加工。缺点 是温度系数较大，应变时非线性严重。2013-8-20 7

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2.1.2 金属电阻应变片的主要特性1、结构及材料 金属电阻应变片分为金属丝式、箔式、薄膜式。金 属丝电阻应变片的典型结构见图。它主要由粘合层1、 3,基底2、盖片4,敏感栅5,引出线6构成。

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金属箔式应变片金属箔式应变片的敏感栅，则是用栅状金属箔片代替 栅状金属丝。金属箔栅采用光刻技术制造，适用于大批 量生产。 由于金属箔式应变片具有线条均匀、尺寸准确、阻值 一致性好、传递试件应变性能好等优点，因此，目前使 用的多为金属箔式应变片，其结构见下图。

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各种金属应变片花

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应变片应用

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对金属电阻应变片敏感栅材料的基本要求 灵敏系数值大，并且在较大应变范围内保持常

数。 电阻温度系数小。 电阻率大。 机械强度高，且易于拉丝或辗薄。 与铜丝的焊接性好，与其他金属的接触热电势小。

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2 金属电阻应变片主要特性①灵敏系数

灵敏系数为应变片的电阻相对变化ΔR/R与试件主应 力方向的应变ε之比。即Ks=(ΔR/R)/ ε. ②横向效应 沿应变片轴向应变εx 引起应变片电阻的相对变化，而 沿垂直于应变片轴向的横向应变εy ,也会引起其电阻相对 变化，这种现象称为横向效应。 敏感栅端部具有半圆形横栅的丝绕应变片其横向效应 较为严重。为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般 多采用箔式应变片。因其圆弧部分的截面积较栅丝大得多， 电阻值较小，因而电阻变化量也就小得多。2013-8-20 13

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2 金属电阻应变片主要特性③机械滞后，零漂及蠕变 机械滞后：加载、卸载特性不同；在同一机械应变下， 卸载时的高于加载。 零漂：已粘贴的应变片，在温度保持恒定、试件上没有 应变(不加应力)的情况下，应变片的指示应变会随时 间的增长而逐渐变化，此变化就是应变片的零点漂移， 也就是长时间工作特性不同； 蠕变：已粘贴的应变片，在温度不变时，承受应力恒定 时，应变片输出特性会随时间而变化，这种现象称为蠕 变。 在应变片工作时，零漂和蠕变是同时存在的。在蠕变值 中包含着同一时间内的零漂值。这两项指标都是用来衡 量应变片特性对时间的稳定性，在长时间测量时其意义 更为突出。2013-8-20 14

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2 金属电阻应变片主要特性④温度效应：由于温度变化带来的阻值变化A:当环境温度变化Δt 时，由于敏感栅材料的电阻温度系数 αt 的存在，引起电阻的相对变化

B:当环境温度变化Δt 时，由于敏感材料和试件材料的膨 胀系数不同。应变片产生附加的拉长(或压缩),引起 电阻的相对变化。

R t t R 1

R k ( g s ) t R 22013-8-20 15

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电阻应变片的温度效应k——应变片灵敏系数

βg——试件膨胀系数βs——应变片敏感栅材料的膨胀系数 由于温度变化引起应变片的总电阻变化为：

R R R t R R 1 R 2相应的虚假应变：

t k ( g s ) t

t R i k t ( g s) t k R 16

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