《传感器原理及工程应用》课程教材电子教案（PPT教学课件）第3章 应变式传感器

第3章应变式传感 第3章应变式传感器 3工作原理 32电阻应变片特性 33电阻应变片的测量电路 34应变式传感器应用 返回主且录

第3章 应变式传感器 3.1工作原理 3.2电阻应变片特性 3.3电阻应变片的测量电路 3.4应变式传感器应用 第3章 应变式传感器 返 回 主 目 录

第3章应变式传感 第3章应变式传感器 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变 化的传感器,传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构 成。当被测物理量作用在弹性元件上时,弹性元件的变形引起 应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出, 电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感 器是目前测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数应用最 广泛的传感器

第3章 应变式传感器 第3章 应变式传感器 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变 化的传感器, 传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构 成。 当被测物理量作用在弹性元件上时, 弹性元件的变形引起 应变敏感元件的阻值变化, 通过转换电路将其转变成电量输出, 电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感 器是目前测量力、力矩、 压力、加速度、重量等参数应用最 广泛的传感器

第3章应变式传感 31工作原理 电阻应变片的工作原理是基于应变效应,即在导体产生机 械变形时,它的电阻值相应发生变化 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 L 3-1) R-S 式中:p电阻丝的电阻率; L—电阻丝的长度 S电阻丝的截面积

第3章 应变式传感器 3.1 工作原理 电阻应变片的工作原理是基于应变效应, 即在导体产生机 械变形时, 它的电阻值相应发生变化。 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 R= 式中: ρ——电阻丝的电阻率; L——电阻丝的长度; S——电阻丝的截面积。 S .L （3 -1）

第3章应变式传感 △L L △ 图3-1金属电阻丝应变效应

第3章 应变式传感器

第3章应变式传感 当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长△L,横截面积相应减 小△S,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变△p,故引起电阻 值相对变化量为 △R△L△S△p R S 式中△L/是长度相对变化量,用应变表示 △L L ΔS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即 △S2△r

第3章 应变式传感器 当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长ΔL, 横截面积相应减 小ΔS, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ, 故引起电阻 值相对变化量为   +  −  =  S S L L R R 式中ΔL/L是长度相对变化量, 用应变ε表示 L L  = ΔS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量, 即 r r S S  =  2

第3章应变式传感 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,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为 △L u8 式中:μ—电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反 将式(3-3)#,式(3-5)代入式(3-2),可得 △R =(1+2A)8+ (3-6) R △R △p 或 (3-7) R (1+2)+

第3章 应变式传感器 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, 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为  = −  = −  L L r r 式中: μ——电阻丝材料的泊松比, 负号表示应变方向相反。 将式（3 - 3）#, 式（3 - 5）代入式（3 - 2）, 可得 或      = + +  (1 2 ) R R （3-6）       = + +  (1 2 ) R R （3-7）

第3章应变式传感 通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度 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 △ K=1+2+ (3-8) 灵敏度系数受两个因素影响:一个是受力后材料几何尺寸 的变化,即(1+2μu);另一个是受力后材料的电阻率发生的变 化,即(△p/p)/e。对金属材料电阻丝来说,灵敏度系数表达 式中(1+2μ)的值要比((△p/p))大得多,而半导体材料 的((△p/))项的值比(1+2μ)大得多。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成正比,即K为 常数

第3章 应变式传感器 通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度 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      K =1+ 2 + （3-8） 灵敏度系数受两个因素影响: 一个是受力后材料几何尺寸 的变化, 即（1+2μ）; 另一个是受力后材料的电阻率发生的变 化, 即（Δρ/ρ）/ε。 对金属材料电阻丝来说, 灵敏度系数表达 式中（1+2μ）的值要比（（Δρ/ρ）/ε）大得多, 而半导体材料 的（（Δρ/ρ）/ε）项的值比（1+2μ）大得多。 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成正比, 即K为 常数

第3章应变式传感 用应变片测量应变或应力时,根据上述特点,在外力作用下 被测对象产生微小机械变形,应变片随着发生相同的变化,同时 应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量 ΔR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G为 o=E￡ 式中:。—试件的应力 8—试件的应变; E—试件材料的弹性模量 由此可知,应力值o正比于应变E,而试件应变8正比于电阻 值的变化,所以应力G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 用应变片测量应变或应力时, 根据上述特点, 在外力作用下, 被测对象产生微小机械变形, 应变片随着发生相同的变化, 同时 应变片电阻值也发生相应变化。 Δ 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σ σ=E·ε （3 - 9） 式中 : σ——试件的应力; ε——试件的应变; E——试件材料的弹性模量。 由此可知, 应力值σ正比于应变ε, 而试件应变ε正比于电阻 值的变化, 所以应力σ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 32电阻应变片特性 电阻应变片的种类 电阻应变片品种繁多,形式多样。但常用的应变片可分为 两类:金属电阻应变片和半导体电阻应变片。 金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成, 如图3-2所示。 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。金属电阻应 变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种

第3章 应变式传感器 3.2 电阻应变片特性 一、 电阻应变片的种类 电阻应变片品种繁多, 形式多样。 但常用的应变片可分为 两类: 金属电阻应变片和半导体电阻应变片。 金属应变片由敏感栅、 基片、 覆盖层和引线等部分组成, 如图 3 - 2 所示。 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。金属电阻应 变片的敏感栅有丝式、 箔式和薄膜式三种

第3章应变式传感 引线 覆盖层基片 电阻丝式敏感栅 图3-2金属电阻应变片的结构

第3章 应变式传感器