1、传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计分类：分类：按应变片的基底材料可分为：纸基、胶基、浸胶基和金属基应变片。按应变片的基底材料可分为：纸基、胶基、浸胶基和金属基应变片。按应变片工作的温区可分为：低温、常温、中温、及高温应变片。按应变片工作的温区可分为：低温、常温、中温、及高温应变片。按应变片敏感栅所用材料可分为：金属电阻应变片和半导体电阻应变按应变片敏感栅所用材料可分为：金属电阻应变片和半导体电阻应变片片按应变片安装方法可分为：粘贴式与非粘贴式（张丝式）按应变片安装方法可分为：粘贴式与非粘贴式（张丝式）传传感感器器原原
2、理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计1.金属应变计金属应变计是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感器元件。是是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感器元件。是目前国内外应用数量最多的传感器元件之一。目前国内外应用数量最多的传感器元件之一。A.金属应变计的基本原理金属应变计的基本原理金属导体受外力作用时发生机械形变，导致其阻值大小发生变化金属导体受外力作用时发生机械形变，导致其阻值大小发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。的现象，称为金属的电阻应变效应。金属导体的电阻：金属导体的电阻：当其受外力当其受外力F时：时
3、：一般材料变形时，晶格畸变引起电阻率变化，使一般材料变形时，晶格畸变引起电阻率变化，使(d/)/有一定值称为有一定值称为压阻系数，表示材料电阻率随应变压阻系数，表示材料电阻率随应变的变化，金属的压阻系数很小，可的变化，金属的压阻系数很小，可以忽略，则其电阻的相对变化率与金属丝纵向应变以忽略，则其电阻的相对变化率与金属丝纵向应变成正比。成正比。slRdRdssRdllRdR02121KddRdR传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计B.金属应变计的结构和分类金属应变计的结构和分类丝式应变片丝式应变片(回线式和短接式两种回线
4、式和短接式两种)传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计B.金属应变计的结构和分类金属应变计的结构和分类箔式应变片箔式应变片薄膜应变片薄膜应变片薄膜应变片是利用薄膜工艺将应变计材料直接沉积在弹性基底上薄膜应变片是利用薄膜工艺将应变计材料直接沉积在弹性基底上(0.0011.0um),利用光刻工艺形成应变计图形。与传统的粘贴式应变利用光刻工艺形成应变计图形。与传统的粘贴式应变计相比，薄膜应变计具有无滞后和蠕变、稳定性好等优点，适合于用计相比，薄膜应变计具有无滞后和蠕变、稳定性好等优点，适合于用来制作高内阻、小型化、高精度和高稳
5、定性的力敏器件来制作高内阻、小型化、高精度和高稳定性的力敏器件C.金属应变计的参数金属应变计的参数应变片的电阻值应变片的电阻值R0灵敏系数灵敏系数K0传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计C.金属应变计的参数金属应变计的参数机械滞后机械滞后蠕变和零漂蠕变和零漂在一定温度下，粘好的应变计在一定温度下，粘好的应变计在一定的机械应变在一定的机械应变(1000)长时间作用下，指示应变随时长时间作用下，指示应变随时间的变化称为蠕变间的变化称为蠕变(Dt),一般一般要求蠕变应小于要求蠕变应小于3/h,也可也可用变化率用变化率(n=D
6、t/)来描述。来描述。零点漂移是粘好的应变计在一定温度和无机械应变时，指示应变随零点漂移是粘好的应变计在一定温度和无机械应变时，指示应变随时间的变化。时间的变化。绝缘电阻：敏感栅与基底间的绝缘电阻应大于绝缘电阻：敏感栅与基底间的绝缘电阻应大于1010D.温度和蠕变补偿应变计温度和蠕变补偿应变计温度自补偿应变计温度自补偿应变计蠕变自补偿应变计蠕变自补偿应变计传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计2.半导体应变计半导体应变计A.半导体材料的压阻效应半导体材料的压阻效应当半导体材料受到应力作用时，其晶格间距会发生变化，使得其当
7、半导体材料受到应力作用时，其晶格间距会发生变化，使得其电阻率发生变化，这一现象称为压阻效应。电阻率发生变化，这一现象称为压阻效应。半导体材料的电阻在外力作用下的相对变化与金属相同，但半导体半导体材料的电阻在外力作用下的相对变化与金属相同，但半导体材料的电阻率的相对变化与应力材料的电阻率的相对变化与应力s成正比，即：成正比，即：式中式中为材料的压阻系数，则：为材料的压阻系数，则：对于半导体材料，其压阻系数对于半导体材料，其压阻系数很大，很大，G主要由主要由EE决定，即决定，即G GEE，一般在，一般在5010050100之间。即：之间。即：B.压阻系数压阻系数EdGEdRdR2121dERdR传
8、传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计C.半导体应变片半导体应变片体型半导体应变片体型半导体应变片一般扩散型半导体应变计一般扩散型半导体应变计SOI外延扩散型半导体应变计外延扩散型半导体应变计剪切型半导体应变计剪切型半导体应变计薄膜型半导体应变计薄膜型半导体应变计3.应变计的测量原理和测量电路应变计的测量原理和测量电路A.直流电压源单臂电桥直流电压源单臂电桥 n=R1/R2B.半桥差动电桥和全桥差动电桥半桥差动电桥和全桥差动电桥当当R1=R2=R3=R4时：时：2220)1(RRnnEU)(444332211RRRRRRR
9、REe传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计C.应变片应用应变片应用传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计C.应变片应用应变片应用传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计C.应变片应用应变片应用传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计C.应变片应用应变片应用传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26
10、第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计C.应变片应用应变片应用传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计D.关于扭矩测量关于扭矩测量通过测量轴表面通过测量轴表面的扭应变测
11、量扭矩的扭应变测量扭矩DdDWDWWMEEEEEEEE16)(;16;111144331331311传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计D.关于扭矩测量关于扭矩测量应变计的布置应变计的布置和组桥方案和组桥方案传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计D.关于扭矩测量关于扭矩测量扭矩值的标定扭矩值的标定1)直接标定法2)并联电阻标定法3)小轴模拟标定法4)应变梁模拟标定法传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压
12、力敏传感器电阻应变计电阻应变计D.关于扭矩测量关于扭矩测量信号的传输与集流装置信号的传输与集流装置传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计E.测量电路测量电路调电桥平衡调电桥平衡传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计E.测量电路测量电路信号的放大信号的放大反相比例放大：反相比例放大：Af=-Rf/R1同相比例放大：同相比例放大：Af=1+Rf/R1电压跟随器：电压跟随器：差动比例运算电路差动比例运算电路:Af=-Rf/R1567RfR1R2ViVo5
13、67RfR1R2ViVo567ViVo567RfR1R1V2VoV1Rf 传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计E.测量电路测量电路信号采集信号采集传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计E.测量电路测量电路信号采集信号采集传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计E.测量电路测量电路信号采集信号采集传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计E.测量电路测量电路信号采集信号采集传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计E.测量电路测量电路信号采集信号采集传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计E.测量电路测量电路信号采集信号采集传传感感器器原原理理及及应应用用2022-7-26第第3章章 力力/压力敏传感器压力敏传感器电阻应变计电阻应变计E.测量电路测量电路信号采集信号采集
