第3章 電阻式傳感器

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第3章

電阻式傳感器

3.1工作原理3.2電阻應變片的溫度誤差及補償

3.3電阻應變片的測量電路

3.4電阻式傳感器的應用

3.1

工作原理

應變物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象

彈性應變當外力去除后，物體能夠完全恢復其尺寸和形狀的應變

彈性元件具有彈性應變特性的物體

應變式傳感器是利用電阻應變片將應變轉換為電阻變化的傳感器

工作原理：當被測物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產生相應的應變或位移，然后傳遞給與之相連的應變片，引起應變片的電阻值變化，通過測量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測量的大小。

結構：應變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應變片構成應用：廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數的測量

3.1.1應變效應電阻應變片的工作原理是基于應變效應即導體或半導體材料在外界力的作用下產活力械變形時，其電阻值相應發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應變效應〞。

一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為：

R

lA

當電阻絲受到拉力F作用時，將伸長Δl,橫截面

積相應減小ΔA,電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了Δρ,從而引起電阻值變化量為：

LLdR=d+dL2dAAAA

dRddLdA電阻相對變化量：RLA式中：dL/L——長度相對變化量，用應變ε表示為

dLL

dA/A——圓形電阻絲的截面積相對變化量，設r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2πrdr,則：

dAdr2Ar材料力學：在彈性范圍內，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短，軸向應變和徑向應變的關系可表示為：

drdLrL

μ為電阻絲材料的泊松比，負號表示應變方向相反。

推得：

ddRR(12)

定義：電阻絲的靈敏系數(物理意義):單位應變所引起的電阻相對變化量。其表達式為ddRKR12

RK12R

靈敏度系數K受兩個因素影響

一是應變片受力后材料幾何尺寸的變化，即1+2μ二是應變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化，即(ρ/ρ)/ε。對金屬材料：1+2μ(ρ/ρ)/ε對半導體材料：(ρ/ρ)/ε1+2μ大量試驗證明，在電阻絲拉伸極限內，電阻的相對變化與應變成正比，即K為常數。

3.1.2電阻應變片種類

常用的電阻應變片有兩種：金屬電阻應變片半導體應變片

金屬電阻應變片蝕刻箔片電阻絲襯底襯底

引出導線(a)絲式(b)箔式

1

2

K12

半導體應變片12半導體敏感條

K

襯底

引線

分析：當半導體應變片受軸向力作用時半導體應變片的電阻率相對變化量與所受的應變力有關：

E

式中：π——半導體材料的壓阻系數;

σ——半導體材料的所受應變力;E——半導體材料的彈性模量;ε——半導體材料的應變。

因此：

R(12E)R試驗證明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，

因而半導體應變片的靈敏系數為：

RKRE

測量原理：在外力作用下，被測對象產生微小機械變形，應變片隨著發(fā)生一致的變化，同時應變片電阻值也發(fā)生相應變化。當測得應變片電阻值變化量為ΔR時，便可得到被測對象的應變值，根據應力與應變的關系，得到應力值σ為：

RKR

σ=Eε

3.3測量電路3.3.1直流電橋R1ABR2CR3DRLIo+Uo-

1.直流電橋平衡條件

當RL→∞時，電橋輸出電壓為：

R4

R1R3UoERRRR2341

E

圖3.5直流電橋

電橋平衡條件當電橋平衡時，Uo=0,則有：

R1R4=R2R3或：

R1R3R2R4

電橋平衡條件：欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應相等，或相對兩臂電阻的乘積應相等。

2.電壓靈敏度應變片工作時：電阻值變化很小，電橋相應輸出電壓也很小，一般需要參與放大器進行放大。由于放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高好多，所以此時仍視電橋為開路狀況。

當受應變時：若應變片電阻變化為ΔR,其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo≠0,則電橋不平衡，輸出電壓為

R1R1R3UoERRRRR1