1、1第第2 2章章 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器是将被测的非电量转换成电阻电阻式传感器是将被测的非电量转换成电阻值变化的器件或装置。值变化的器件或装置。由于构成电阻的材料种类很多，例如，导体、由于构成电阻的材料种类很多，例如，导体、半导体、电解质等，引起电阻变化的物理原因也很半导体、电解质等，引起电阻变化的物理原因也很多，例如，材料的应变或应力变化、温度变化等，多，例如，材料的应变或应力变化、温度变化等，就产生了各种各样的电阻式传感器。就产生了各种各样的电阻式传感器。被测量被测量电阻式电阻式传感器传感器电阻电阻2第第2 2章章 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器包括：电阻式传感器包
2、括：热电阻热电阻湿敏电阻湿敏电阻热敏电阻热敏电阻气敏电阻气敏电阻光敏电阻光敏电阻3磁敏电阻磁敏电阻电阻应变式传感器电阻应变式传感器压阻式传感器。压阻式传感器。电位器式传感器电位器式传感器压敏电阻压敏电阻4第第2 2章章 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器包括：电阻式传感器包括：热电阻。热电阻。热敏电阻。热敏电阻。光敏电阻。光敏电阻。湿敏电阻。湿敏电阻。气敏电阻。气敏电阻。磁敏电阻。磁敏电阻。压敏电阻。压敏电阻。电位器式传感器。电位器式传感器。电阻应变式传感器。电阻应变式传感器。压阻式传感器。压阻式传感器。52.1 2.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是利用电阻应变效应
3、做成的电阻应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器传感器,是常用的传感器之一。由电阻应变片、弹是常用的传感器之一。由电阻应变片、弹性元件和测量电路组成。应变式传感器的核心元件性元件和测量电路组成。应变式传感器的核心元件是电阻应变片是电阻应变片(计计)。电阻应变片电阻应变片弹性元件弹性元件信号调节电路信号调节电路62.1 2.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 电阻应变片的基本原理与结构电阻应变片的基本原理与结构 电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 电阻应变式传感器举例电阻应变式传感器举例 7电阻应变片的基本原理与结构电阻应
4、变片的基本原理与结构 长为长为L L、截面积为、截面积为A A、电阻率为、电阻率为的金属或的金属或半导体丝，电阻为半导体丝，电阻为若导线沿着轴线方向受到力的作用而产生变形，若导线沿着轴线方向受到力的作用而产生变形，则其电阻值也随之发生变化，这一现象称为电阻则其电阻值也随之发生变化，这一现象称为电阻应变效应。应变效应。)1.2(ALR1.金属的电阻应变效应金属的电阻应变效应8电阻应变片的基本原理与结构电阻应变片的基本原理与结构将式将式(2.1)(2.1)两边微分得两边微分得)2.2(ddddAALLRR经推导可得：经推导可得：)3.2(d1)21(d)21(dSKRR9电阻应变片的基本原理与结构
5、电阻应变片的基本原理与结构 K KS S称为电阻应变敏感材料的灵敏系数，即称为电阻应变敏感材料的灵敏系数，即)4.2(/dd1)21(SRRKKS表示当发生应变时，其电阻变化率与其应变的表示当发生应变时，其电阻变化率与其应变的比值。比值。KS的大小由两个因素引起，第一项是由几的大小由两个因素引起，第一项是由几何尺寸的改变所引起的，第二项是受力后材料的何尺寸的改变所引起的，第二项是受力后材料的电阻率电阻率发生变化而引起的发生变化而引起的(称压阻效应称压阻效应)。10电阻应变片的基本原理与结构电阻应变片的基本原理与结构由于由于EEd1其中，其中，为材料中的应力，为材料中的应力，E为材料的弹性模量为
6、材料的弹性模量(杨氏杨氏模量模量)，为材料的压阻系数。为材料的压阻系数。对金属来说，对金属来说，E很小，可忽略不计，很小，可忽略不计，KS的的第一项第一项起主要作用，起主要作用，=0.250.5，故，故KS1.52。对半导体而言，压阻系数对半导体而言，压阻系数=(4080)10-11m2/N，杨氏模量杨氏模量E=1.671011N/m2，则，则E50100，故第一，故第一项可忽略不计。可见，半导体灵敏系数要比金属大得项可忽略不计。可见，半导体灵敏系数要比金属大得多。多。11电阻应变片的基本原理与结构电阻应变片的基本原理与结构2.电阻应变片的结构电阻应变片的结构 l 称为应变片的标称为应变片的标
7、距，或称工作基长；距，或称工作基长；b称为应变片的基宽，称为应变片的基宽，或称工作宽度。或称工作宽度。lb称为应变片的称为应变片的使用面积。使用面积。平均效应平均效应如如PJ-120型金属电型金属电阻应变片的规格为阻应变片的规格为13mm5mm，120。12电阻应变片的基本原理与结构电阻应变片的基本原理与结构 电阻丝较细，一般在电阻丝较细，一般在0.0150.06mm，两端焊，两端焊有较粗的低阻镀锡铜丝有较粗的低阻镀锡铜丝(0.10.2mm)作为引线，以作为引线，以便与测量电路连接。图中，便与测量电路连接。图中，l 称为应变片的标距，称为应变片的标距，或称工作基长；或称工作基长；b称为应变片的
8、基宽，或称工作宽称为应变片的基宽，或称工作宽度。度。lb称为应变片的使用面积。应变片的规格称为应变片的使用面积。应变片的规格一般是以使用面积和电阻来表示的，如一般是以使用面积和电阻来表示的，如PJ-120型型金属电阻应变片的规格为金属电阻应变片的规格为13mm5mm，120W W。13电阻应变片的基本原理与结构电阻应变片的基本原理与结构 应变片的分类应变片的分类 应变片有很多品种系列：从尺寸上讲，长的应变片有很多品种系列：从尺寸上讲，长的有几百有几百mm，短的仅，短的仅0.2mm；由结构形式上看，；由结构形式上看，有单片、双片、应变花和各种特殊形状的图案；有单片、双片、应变花和各种特殊形状的图
9、案；就使用环境上说，有高温、低温、水、核辐射、就使用环境上说，有高温、低温、水、核辐射、高压、磁场等；而安装形式，有粘贴、非粘贴、高压、磁场等；而安装形式，有粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂等。焊接、火焰喷涂等。14电阻应变片的基本原理与结构电阻应变片的基本原理与结构 主要的分类主要的分类方法是根据敏感方法是根据敏感元件材料的不同，元件材料的不同，将应变片分为金将应变片分为金属式和半导体式属式和半导体式两大类。从敏感两大类。从敏感元件的形态又可元件的形态又可进一步分成不同进一步分成不同类型。类型。结及其他形式结及其他形式外延型外延型扩散型扩散型薄膜型薄膜型体型体型半导体式半导体式薄膜型薄膜型箔式箔
10、式胶基胶基纸基纸基丝式丝式金属式金属式应变片应变片PN15电阻应变片的基本原理与结构电阻应变片的基本原理与结构 (1)金属应变片金属应变片 金属丝式应变片金属丝式应变片 金金属丝弯曲部分可作成圆弧、属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角。弯曲部分作成锐角或直角。弯曲部分作成圆弧圆弧(U)形是最早采用的一种形是最早采用的一种形式，制作简单但横向效应形式，制作简单但横向效应较大。直角较大。直角(H)形两端用较粗形两端用较粗的镀银铜线焊接，横向效应的镀银铜线焊接，横向效应相对较小，但制作工艺复杂，相对较小，但制作工艺复杂，将逐渐被横向效应小、其他将逐渐被横向效应小、其他方面性能更优越的箔式应变方面性能更
11、优越的箔式应变片所代替。片所代替。16电阻应变片的基本原理与结构电阻应变片的基本原理与结构 箔式应变片箔式应变片 它是利用照相制版或光刻腐它是利用照相制版或光刻腐蚀法将电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形的应蚀法将电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形的应变片变片(厚度一般在厚度一般在0.0030.01mm)。电阻式传感器包括：在动态测量时，允许电流为75100mA。敏感栅弯头横向效应可忽略。压阻效应是因为在外力作用下，原子点阵排列发生变化，导致载流子迁移率及浓度发生变化而形成的。图中，S点在以e21为直径的半圆上。电阻应变片的基本原理与结构如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，其电阻值随时间变化的
12、特性，称为应变片的蠕变。在电桥的四臂都接入同参数应变片，两个受拉，两个受压，构成全桥差动电路。式中pl为沿某晶向的压阻系数，s为应力，E为弹性模量。式中，总的损耗电阻R=Re+Rc，品质因数Q=wL/R。根据一次、二次线圈排列形式不同，有一节式、二节式、三节式、四节式和五节式等形式。电阻应变片的基本原理与结构在电桥的四臂都接入同参数应变片，两个受拉，两个受压，构成全桥差动电路。(1)有一定的粘结强度。产生温度误差的原因有二：还能起到温度补偿的作用。当f一定，被测材料电阻率r不同时，h也不同。当应变管内腔与被测压力相通时，圆筒部分周向应变为变面积型自感传感器LC回路谐振频率的偏移如左图。17电阻
13、应变片的基本原理与结构电阻应变片的基本原理与结构 箔式应变片与金属丝式应变片相比有如下特点：箔式应变片与金属丝式应变片相比有如下特点：i.敏感栅尺寸准确、线条均匀，故大批量生产敏感栅尺寸准确、线条均匀，故大批量生产时，电阻值离散程度小。并且可根据不同测量要时，电阻值离散程度小。并且可根据不同测量要求制成任意形状。求制成任意形状。ii.可制成基长很小的应变片。可制成基长很小的应变片。iii.敏感栅弯头横向效应可忽略。敏感栅弯头横向效应可忽略。iv.箔式应变片敏感栅截面为长方形，表面积箔式应变片敏感栅截面为长方形，表面积大，散热性能好，在相同断面积情况下能通过较大，散热性能好，在相同断面积情况下能
14、通过较大的工作电流，从而能增大输出信号。大的工作电流，从而能增大输出信号。v.疲劳寿命长，机械滞后小，蠕变小。疲劳寿命长，机械滞后小，蠕变小。vi.便于批量生产，而且生产效率高。便于批量生产，而且生产效率高。18电阻应变片的基本原理与结构电阻应变片的基本原理与结构 薄膜式应变片薄膜式应变片 薄膜式应变片是采用真空薄膜式应变片是采用真空溅射或真空沉积等镀膜技术将应变电阻材料镀在溅射或真空沉积等镀膜技术将应变电阻材料镀在基底材料上而形成的应变片基底材料上而形成的应变片(厚度在零点几纳米到厚度在零点几纳米到几百纳米几百纳米)。这类应变片的显著特点是灵敏系数大，。这类应变片的显著特点是灵敏系数大，允许
15、电流密度大，工作温度范围广允许电流密度大，工作温度范围广(-197317)，也可用于核辐射等特殊情况下，易实现工业化批也可用于核辐射等特殊情况下，易实现工业化批量生产。量生产。19电阻应变片的基本原理与结构电阻应变片的基本原理与结构 (2)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。基片晶片带状引线P-SiN-Si20电阻应变片的基本原理与结构电阻应变片的基本原理与结构 薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积于绝缘体或蓝宝石基片上制成将半导体材料沉积于绝缘体或蓝宝石基片上制成的。的。扩散型半导体应变片是将扩散型半导体应变片是将
16、P型杂质扩散到型杂质扩散到高阻的高阻的N型硅型硅基片上，形成一层极薄的敏感层制基片上，形成一层极薄的敏感层制成的。成的。外延型半导体应变片是在多晶硅或蓝宝石外延型半导体应变片是在多晶硅或蓝宝石基片上外延一层单晶硅制成的。基片上外延一层单晶硅制成的。21电阻应变片的基本原理与结构电阻应变片的基本原理与结构 半导体应变片有如下优点半导体应变片有如下优点:灵敏度高。比金属应变片的灵敏度大几十倍。灵敏度高。比金属应变片的灵敏度大几十倍。工作时，不必用放大器就可用电压表或示波器等简单工作时，不必用放大器就可用电压表或示波器等简单仪器记录测量结果。仪器记录测量结果。体积小，耗电省。体积小，耗电省。具有正、
17、负两种符号的应力效应具有正、负两种符号的应力效应(即在拉伸时即在拉伸时P型硅应变片的灵敏度系数为正值，而型硅应变片的灵敏度系数为正值，而N型硅应变片的型硅应变片的灵敏度系数为负值灵敏度系数为负值)。机械滞后小，可测量静态应变、低频应变等。机械滞后小，可测量静态应变、低频应变等。22电阻应变片的基本原理与结构电阻应变片的基本原理与结构3.电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理弹性元件变形弹性元件变形应变片变形应变片变形电阻改变电阻改变F D DR力力)(/SSFfERKRKR D D f(F)的形式与弹性元件有关。的形式与弹性元件有关。23电阻应变片的基本原理与结构电阻应变片的基本原理与结构
18、4.电阻应变片的特点电阻应变片的特点 (1)优点：优点：测量精度高，测量应变的误差小于测量精度高，测量应变的误差小于1%。能。能测测12的应变。的应变。测量范围广，应变测量范围一般可由数个测量范围广，应变测量范围一般可由数个至数千个至数千个。从弹性变形一直可测至塑性变形。从弹性变形一直可测至塑性变形。变形范围从变形范围从1%20%。分辨力高，通常可达分辨力高，通常可达124电阻应变片的基本原理与结构电阻应变片的基本原理与结构 频率响应特性好，一般电阻应变片响应时间频率响应特性好，一般电阻应变片响应时间约为约为10-710-11s，若能在弹性元件设计上采取措施，若能在弹性元件设计上采取措施，则电
19、阻应变式传感器可测几十甚至上百则电阻应变式传感器可测几十甚至上百kHz的动态的动态过程。过程。尺寸小尺寸小(超小型应变片的敏感栅尺寸为超小型应变片的敏感栅尺寸为 0.2mm2.5mm)、重量轻、结构简单，测试时对试、重量轻、结构简单，测试时对试件的工作状态及应力分布基本上没有影响，适合动、件的工作状态及应力分布基本上没有影响，适合动、静态测量。静态测量。环境适应性强，可在高温、低温、高压、高环境适应性强，可在高温、低温、高压、高速、水下、强烈振动、强磁场、核辐射及化学腐蚀速、水下、强烈振动、强磁场、核辐射及化学腐蚀等各种恶劣环境条件下使用。等各种恶劣环境条件下使用。便于实现多点测量及远距离传送
20、。便于实现多点测量及远距离传送。25电阻应变片的基本原理与结构电阻应变片的基本原理与结构 (2)缺点：缺点：在大应变状态下具有较大的非线性，半导体在大应变状态下具有较大的非线性，半导体应变片的非线性更为显著。应变片的非线性更为显著。应变片的输出信号较微弱，故其抗干扰能力应变片的输出信号较微弱，故其抗干扰能力较差，因此，对信号连接导线要认真屏蔽。较差，因此，对信号连接导线要认真屏蔽。虽然应变片尺寸较小，但测出的仍是应变片虽然应变片尺寸较小，但测出的仍是应变片敏感栅范围内的平均应变，不能完全显示应力场中敏感栅范围内的平均应变，不能完全显示应力场中应力梯度的变化。应力梯度的变化。应变片的温度系数较大
21、。应变片的温度系数较大。262.1 2.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 电阻应变片的基本原理与结构电阻应变片的基本原理与结构 电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 电阻应变式传感器举例电阻应变式传感器举例 电阻应变片的主要参数及工作特性且u1=u1、u2=u2。电阻应变片的主要参数及工作特性(6)具有高的抗氧化、抗腐蚀性能。OD9000电涡流传感器(1)有一定的粘结强度。则交流电桥的平衡条件为一般说被测体的电导率越高，灵敏度也越高。其质量的优劣直接影响传感器的性能及精度。当恒定R3、R4时，根据DR2的值可求得DR1。应变
22、片自补偿法。当衔铁上下移动时，磁路中气隙的磁阻发生变化，从而引起线圈自感的变化，这种变化与气隙大小相对应。L是传感器的激励线圈，由于LC并联电路的阻抗在谐振时达到最大，而在失谐状态下急剧减小。传感器具有铁损，即磁化曲线的非线性；(5)耐疲劳性能好。1、分类、等效电路和测量电路；绝缘电阻越高越好，一般应大于104MW。螺管型自感传感器在无外力的情况下，合成磁场强度H平行于输出绕组的平面，在N34中不产生感应电动势，如右图所示。电阻应变片的温度特性及补偿；27电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 1.1.电阻应变片的主要参数电阻应变片的主要参数 (1)电阻值电阻值 应变片的
23、电阻值是指应变片在安装前及室温下测定应变片的电阻值是指应变片在安装前及室温下测定的电阻值，也称为初始电阻值。应变片的电阻值是一的电阻值，也称为初始电阻值。应变片的电阻值是一个系列，有个系列，有60W W、90W W、120W W、250W W、350W W、600W W和和1000W W等，其中以等，其中以120W W和和350W W应用较多。应用较多。电阻值越大，电阻值越大，D DR=RKS 也就越大，从而输出信号就也就越大，从而输出信号就能增大，但敏感栅尺寸也要随之增大。能增大，但敏感栅尺寸也要随之增大。28电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 (2)几何尺寸几何尺
24、寸 应变片的标距应变片的标距(或工作基长或工作基长)l相对于工作宽度相对于工作宽度b较小时横较小时横向效应较大，所以通常情况下尽量用向效应较大，所以通常情况下尽量用l值较大的应变片。但值较大的应变片。但在应变变化梯度大的场合在应变变化梯度大的场合(如应力集中处如应力集中处)，则应该使用小标，则应该使用小标距的应变片。目前应变片的最小标距可做到距的应变片。目前应变片的最小标距可做到0.2mm，最大，最大标距可达标距可达300mm以上。以上。应变片的基宽应变片的基宽(或工作宽度或工作宽度)b值小时应变片的整体尺寸值小时应变片的整体尺寸可减小，但其过小将使散热性能变差。可减小，但其过小将使散热性能变
25、差。29电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 (3)灵敏系数灵敏系数 应变片灵敏系数应变片灵敏系数(以下用以下用K表示表示)的定义为：将应变片安装在处于单向应力状态的试的定义为：将应变片安装在处于单向应力状态的试件表面，试件由泊松比件表面，试件由泊松比=0.285的钢构成。使其灵的钢构成。使其灵敏轴线与应力方向平行时，应变片电阻值的相对变敏轴线与应力方向平行时，应变片电阻值的相对变化与沿轴向的应变之比值，称为应变片的灵敏系数。化与沿轴向的应变之比值，称为应变片的灵敏系数。即即)6.2(/RRKD D 30电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 应变
26、片的灵敏系数是一个无量纲的量，它应变片的灵敏系数是一个无量纲的量，它是应变片的重要技术参数。是应变片的重要技术参数。K值的误差大小是衡值的误差大小是衡量应变片质量好坏的主要依据之一，其准确性量应变片质量好坏的主要依据之一，其准确性又直接影响着应变片的测量精度。又直接影响着应变片的测量精度。因一般应变片粘贴到试件上后不能取下再因一般应变片粘贴到试件上后不能取下再用，故只能在每批产品中提取一定百分比用，故只能在每批产品中提取一定百分比(如如5%)的产品进行测定，取其平均值作为这一批产品的产品进行测定，取其平均值作为这一批产品的灵敏系数。这就是产品包装盒上注明的灵敏的灵敏系数。这就是产品包装盒上注明
27、的灵敏系数，或称系数，或称“标称灵敏系数标称灵敏系数”。31电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 例例2.1 如果将如果将100W W的电阻应变片贴在弹性试件的电阻应变片贴在弹性试件上，试件受力横截面积上，试件受力横截面积S=0.510-4m2，弹性模量，弹性模量E=21011N/m2，若有，若有F=5104N的拉力引起应变片的拉力引起应变片电阻变化为电阻变化为1W W。试求该应变片的灵敏系数。试求该应变片的灵敏系数。2102105.0105100/1)/(/1144 D D D D D D SEFRRERRRRK 解解32电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要
28、参数及工作特性 (4)绝缘电阻绝缘电阻 绝缘电阻是指应变片引出线绝缘电阻是指应变片引出线与粘贴该应变片的试件之间的电阻值。它是检查与粘贴该应变片的试件之间的电阻值。它是检查应变片粘贴质量、粘合剂是否完全干燥或固化的应变片粘贴质量、粘合剂是否完全干燥或固化的重要指标。绝缘电阻越高越好，一般应大于重要指标。绝缘电阻越高越好，一般应大于104MW W。33电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 (5)允许电流允许电流 允许电流是指允许通过应变片允许电流是指允许通过应变片敏感栅而不影响其工作特性的最大工作电流。它敏感栅而不影响其工作特性的最大工作电流。它与应变片敏感栅的形状和尺寸
29、、基底尺寸和材料、与应变片敏感栅的形状和尺寸、基底尺寸和材料、粘合剂的材料及试件的热性能有关。为了保证测粘合剂的材料及试件的热性能有关。为了保证测量精度，在静态测量时，允许电流一般为量精度，在静态测量时，允许电流一般为25mA，箔式应变片允许电流较大一些。在动态测量时，箔式应变片允许电流较大一些。在动态测量时，允许电流为允许电流为75100mA。最大工作电流选取的依据。最大工作电流选取的依据是使应变片的零漂不超过允许值。是使应变片的零漂不超过允许值。34电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 (6)应变极限应变极限 应变极限是指在一定温度条件应变极限是指在一定温度条件下，
30、应变片指示的应变值与试件真实应变的相对下，应变片指示的应变值与试件真实应变的相对差值不超过差值不超过10%时的最大真实应变值。影响应变时的最大真实应变值。影响应变极限大小的主要因素是粘合剂和基底材料的性能。极限大小的主要因素是粘合剂和基底材料的性能。35电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 (7)疲劳寿命疲劳寿命 疲劳寿命是指粘贴在试件表面疲劳寿命是指粘贴在试件表面上的应变片，在恒定幅值的交变应力作用下，可上的应变片，在恒定幅值的交变应力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。该参以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。该参数反映了应变片适应动态应变的能力。在标定
31、应数反映了应变片适应动态应变的能力。在标定应变片疲劳寿命时，交变应力的特性及大小，以及变片疲劳寿命时，交变应力的特性及大小，以及所谓疲劳损坏都有明确的规定。所谓疲劳损坏都有明确的规定。36电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 (8)机械滞后机械滞后 应变片安装在试件上后，在一应变片安装在试件上后，在一定温度下，其加载、卸载特性不重合，在同一机定温度下，其加载、卸载特性不重合，在同一机械应变值械应变值 g下，其对应的指示应变下，其对应的指示应变 i不一致。加载不一致。加载特性曲线与卸载特性曲线的最大差值称应变片的特性曲线与卸载特性曲线的最大差值称应变片的机械滞后。机械滞后
32、。等效电阻总是比原电阻R1大，这是因为涡流损耗、磁滞损耗都将使阻抗的实数部分增加。串联电阻R5，起调零作用，并联电阻Rp则主要起补偿作用。作用力是拉力时，其效果相反。另外，在设计传感器时应尽可能减少铁损Re。对半导体而言，压阻系数=(4080)10-11m2/N，杨氏模量E=1.电阻应变片的主要参数及工作特性自感式传感器的零位残余电压压磁式传感器的结构与工作原理图中，l 称为应变片的标距，或称工作基长；自感式传感器的零位残余电压仍然有i1=i2，流过电流表的实际电流仍然为零。次级回路的输出开路电压为图(b)截距为1、1、1，截距倒数仍为1、1、1，密勒指数为 。为了使传感器小型化，也可在线圈内
33、加磁心，以便在电感量相同的条件下，减少匝数，提高Q值。Ig=0时，电桥平衡，平衡条件为透射式涡流厚度传感器检测范围可达1100mm，分辨率为0.压磁式传感器的结构与工作原理变形范围从1%20%。其气隙长度d保持不变，令磁通截面积随被测量而变(衔铁水平方向移动)，即构成变面积型自感传感器。635r的内外排列，如图所示。37电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 (9)零漂和蠕变零漂和蠕变 粘贴在试件上的应变片，粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。值随时间而变化的特性，称
34、为应变片的零漂。如果在一定温度下，使其承受恒定的机械如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，其电阻值随时间变化的特性，称为应变应变，其电阻值随时间变化的特性，称为应变片的蠕变。一般蠕变的方向与原应变量变化的片的蠕变。一般蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。方向相反。38电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 (10)线性度线性度 试件的应变试件的应变 和电阻的相对变化和电阻的相对变化D DR/R在理论上呈线性关系。但实际上，在大应变在理论上呈线性关系。但实际上，在大应变时会出现非线性关系。应变片的非线性度一般要时会出现非线性关系。应变片的非线性度一般要求在求在0.05%
35、或或1%以内。以内。39电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 2.2.横向效应横向效应 应变片由于圆弧处感受横向应变而使电阻变应变片由于圆弧处感受横向应变而使电阻变化率减少并使应变片灵敏系数降低的现象称为应化率减少并使应变片灵敏系数降低的现象称为应变片的横向效应。原因在于圆弧段感受到的轴向变片的横向效应。原因在于圆弧段感受到的轴向应变从应变从 x到到 x。lq q x y=x40电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 由于横向效应的存在，使灵敏系数减小。敏由于横向效应的存在，使灵敏系数减小。敏感栅愈窄、圆弧半径越小、基长愈长的应变片，感栅愈窄、圆弧
36、半径越小、基长愈长的应变片，其横向效应引起的误差越小。最好采用直角丝栅其横向效应引起的误差越小。最好采用直角丝栅式金属丝应变片或箔式应变片。式金属丝应变片或箔式应变片。另外，当电阻应变片用来测量泊松比另外，当电阻应变片用来测量泊松比 不等于不等于0.285之试件的应变时，如果仍然按应变片的标称之试件的应变时，如果仍然按应变片的标称灵敏系数来计算应变，必然带来测量误差。灵敏系数来计算应变，必然带来测量误差。41电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 应变片的粘贴应变片的粘贴 应变片的粘贴工艺对于传感器的精度起着应变片的粘贴工艺对于传感器的精度起着关键作用。应变片通常是用粘合
37、剂粘贴到试件关键作用。应变片通常是用粘合剂粘贴到试件上的，在做应变测量时，是通过粘合剂所形成上的，在做应变测量时，是通过粘合剂所形成的胶层将试件上的应变准确无误地传递到应变的胶层将试件上的应变准确无误地传递到应变片的敏感栅上去的。因此，粘合剂的选择和粘片的敏感栅上去的。因此，粘合剂的选择和粘贴质量的好坏直接关系到应变片的工作情况，贴质量的好坏直接关系到应变片的工作情况，影响测量结果的准确性。所以，对粘合剂有如影响测量结果的准确性。所以，对粘合剂有如下要求：下要求：42电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 (1)(1)有一定的粘结强度。有一定的粘结强度。(2)(2)能准确
38、传递应变。能准确传递应变。(3)(3)蠕变小。蠕变小。(4)(4)机械滞后小。机械滞后小。(5)(5)耐疲劳性能好。耐疲劳性能好。(6)(6)具有足够的稳定性能。具有足够的稳定性能。(7)(7)对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用。对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用。(8)(8)有适当的储存期。有适当的储存期。(9)(9)应有较大的温度使用范围。应有较大的温度使用范围。(10)(10)绝缘、防湿、防油。绝缘、防湿、防油。43电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 3.3.温度效应及其补偿温度效应及其补偿 (1)(1)温度效应温度效应 把应变片安装在自由膨胀的把应变片安装
39、在自由膨胀的试件上，即使试件不受任何外力作用，如果环境试件上，即使试件不受任何外力作用，如果环境温度发生变化，应变片的电阻也将发生变化，这温度发生变化，应变片的电阻也将发生变化，这种现象称为应变片的温度效应。由温度变化引起种现象称为应变片的温度效应。由温度变化引起的应变输出称为热输出，它是虚假应变，在测量的应变输出称为热输出，它是虚假应变，在测量中须设法予以消除。中须设法予以消除。44电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 产生温度误差的原因有二：产生温度误差的原因有二：敏感栅金属丝本身的电阻随温度变化。电阻敏感栅金属丝本身的电阻随温度变化。电阻与温度的关系可由下式表示与
40、温度的关系可由下式表示)7.2(100）（TRRTD D )8.2(/001KTKRRTD D D D D D 若由于电阻值随温度变化引起的应变误差记作若由于电阻值随温度变化引起的应变误差记作D D 1，则由式则由式(2.6)可得可得45电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 由于敏感栅材料与试件材料的线膨胀系数由于敏感栅材料与试件材料的线膨胀系数不同引起附加变形而使电阻变化。不同引起附加变形而使电阻变化。附加变形附加变形DDDDDTTlllllsg12sgTD=R0K（）（）ll2l11lD2lD应变片应变片弹性元件弹性元件46 由于敏感栅材料与试件材料的线膨胀系数不由
41、于敏感栅材料与试件材料的线膨胀系数不同引起附加变形而使电阻变化。关系式可用下式同引起附加变形而使电阻变化。关系式可用下式表示：表示：)9.2()(/sg0TKKRRTD D D D 式中式中 g试件材料的线膨胀系数；试件材料的线膨胀系数；s敏感栅材料的线膨胀系数。敏感栅材料的线膨胀系数。若由于敏感栅材料与试件材料的线膨胀系数不同若由于敏感栅材料与试件材料的线膨胀系数不同而使电阻变化造成的应变误差记作而使电阻变化造成的应变误差记作D D 2，则，则)10.2()(/sg02TKRRTD D D D D D s横向应力。缺陷或裂纹会产生较高频率的调幅波，剩余应力趋向于中等频率调幅波，热处理、合金成
42、分变化趋向于较低频率的调幅波。电阻应变片的测量电路另外，当电阻应变片用来测量泊松比m不等于0.增加d0，但灵敏度降低。被测体直径对灵敏度的影响见图。由此可以看出，独立的压阻系数分量只有三个，p11称为纵向压阻系数；KS的大小由两个因素引起，第一项是由几何尺寸的改变所引起的，第二项是受力后材料的电阻率发生变化而引起的(称压阻效应)。这就是说，在电桥电压一定，当R1=R2，R3=R4时，电桥的电压灵敏度最高。5中，(2)当|DZ|=10W它可对直线位移和角位移进行直接测量，也可通过一定的敏感元件把振动、压力、应变、流量等转换成位移量而进行测量。电阻应变片的主要参数及工作特性压阻式加速度传感器测量振
43、动加速度时，固有频率应按下式计算：压磁式传感器的结构与工作原理这里只介绍谐振电路，主要有调频式、调幅式两种。减小电感传感器的励磁电流，使之工作在磁化曲线的线性段。电阻应变式传感器举例这就是产品包装盒上注明的灵敏系数，或称“标称灵敏系数”。f(F)的形式与弹性元件有关。为了制造与调节方便，可在c、d间加接一电位器Rw，利用Rw与Ra的差值对基波正交分量进行补偿。47电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性由于温度效应而造成的附加应变由于温度效应而造成的附加应变(热输出热输出)为：为：)11.2(/sg021TKD D D D D D D D）（2 2）温度补偿）温度补偿 温度
44、补偿就是消除热输出对温度补偿就是消除热输出对应变测量的影响。温度补偿方法通常有桥路补偿应变测量的影响。温度补偿方法通常有桥路补偿法、应变片自补偿法和热敏电阻补偿法。法、应变片自补偿法和热敏电阻补偿法。48电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 桥路补偿桥路补偿 这种补这种补偿方法的原理是用两个参偿方法的原理是用两个参数相同的应变片，其中数相同的应变片，其中R1为工作应变片，为工作应变片，R2为补偿为补偿应变片。应变片。R1粘贴在试件上，粘贴在试件上，R2粘贴在和试件材料相同、粘贴在和试件材料相同、处于同一温度的补偿块上。处于同一温度的补偿块上。测量时，使二者接入电桥测量时
45、，使二者接入电桥的相邻臂上。的相邻臂上。49电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 有时根据被测试件的应变情况，亦可不专门有时根据被测试件的应变情况，亦可不专门设补偿试件，而将补偿片亦贴在被测试件上，使设补偿试件，而将补偿片亦贴在被测试件上，使其既能起到温度补偿作用，又能提高灵敏度、补其既能起到温度补偿作用，又能提高灵敏度、补偿非线性。例如，构件作纯弯曲形变时。偿非线性。例如，构件作纯弯曲形变时。R1MMR2非纯弯曲变形也近似适用。非纯弯曲变形也近似适用。50电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 应变片自补偿法。这种补偿方式是利用自应变片自补偿法。
46、这种补偿方式是利用自身具有温度补偿作用的特殊应变片身具有温度补偿作用的特殊应变片(称为温度自补称为温度自补偿应变片偿应变片)，它是通过选配敏感栅材料及其结构参，它是通过选配敏感栅材料及其结构参数制成的。数制成的。i.单丝自补偿应变片。由式单丝自补偿应变片。由式(2.11)12.2(sg0）（K)11.2(/sg0TKD D D D）（可知，欲使由于温度效应而造成的应变误差为零，可知，欲使由于温度效应而造成的应变误差为零，只须满足条件只须满足条件51电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 ii.双金属敏感栅自补偿应变片。这种应变片双金属敏感栅自补偿应变片。这种应变片也称组合
47、式自补偿应变片。它是利用两种电阻温也称组合式自补偿应变片。它是利用两种电阻温度系数符号相反的电阻丝材料，将二者串联绕制度系数符号相反的电阻丝材料，将二者串联绕制成敏感栅。若两段敏感栅成敏感栅。若两段敏感栅R1和和R2由于温度变化而由于温度变化而产生的电阻变化产生的电阻变化D DR1T=DDR2T，就可实现温度补偿。，就可实现温度补偿。R1与与 R2的关系可由下式决定：的关系可由下式决定：)14.2(/112221RRRRRRTTD DD D 焊点焊点R1R252电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 也可采用两种电阻温度系数符号相同的丝材。也可采用两种电阻温度系数符号相同
48、的丝材。R1是工作臂，是工作臂，R2与外接串联电阻与外接串联电阻R5(温度系数很小温度系数很小)组成补偿臂。适当调节它们之间的长度比和外接电组成补偿臂。适当调节它们之间的长度比和外接电阻阻R5的数值，使的数值，使)15.2(52211RRRRRtt D D D DR11UUo2 3R2R1R2R5R3R41234553电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 但是，工作栅灵敏系数也被抵消了一部分。因但是，工作栅灵敏系数也被抵消了一部分。因此补偿栅材料通常选用电阻温度系数大且电阻率小此补偿栅材料通常选用电阻温度系数大且电阻率小的铂或铂合金，这样只要几欧的铂电阻就能达到温的铂或
49、铂合金，这样只要几欧的铂电阻就能达到温度补偿，使应变片的灵敏系数少损失一些。度补偿，使应变片的灵敏系数少损失一些。只要适当调节只要适当调节R1，就可在不同线膨胀系数的试，就可在不同线膨胀系数的试件上实现温度自补偿，所以比较通用，这是它的优件上实现温度自补偿，所以比较通用，这是它的优点。但必须每片都接成半桥线路，并要外接一个高点。但必须每片都接成半桥线路，并要外接一个高精度电阻精度电阻R5，在测量点很多的情况下，使用较麻烦。，在测量点很多的情况下，使用较麻烦。54电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 热敏电阻补偿法。热敏热敏电阻补偿法。热敏电阻电阻RT处在与应变片处在与应
50、变片R1相同的相同的温度条件下，当温度升高时，温度条件下，当温度升高时，热敏电阻热敏电阻RT的值下降，使电桥的值下降，使电桥的输入电压的输入电压U随温度升高而增随温度升高而增加，从而提高电桥的输出加，从而提高电桥的输出Uo，补偿因工作应变片补偿因工作应变片R1阻值增加阻值增加而引起的而引起的Uo下降。适当选择分下降。适当选择分流电阻流电阻R5的值，可得到良好的的值，可得到良好的补偿效果。补偿效果。R1R2R3R4R5RTUoUi+-55电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数及工作特性 辅助测温元件微型计算机补偿法。该方法辅助测温元件微型计算机补偿法。该方法的基本思想是在传感器内靠近
