文档介绍：第2章应变式传感器
工作原理
应变片的种类、材料及粘贴
金属应变片的特性
金属应变片的测量电路
金属应变片式传感器的应用
1
基本原理
电阻式传感器的基本原理:将被测量的变化转换成传感器元件电阻值的变化,再经过测量电路变成电信号输出。
常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度
传感元件有应变片、半导体膜片、电位器,由它们分别制成了应变式传感器、压阻式传感器、电位器式传感器等
2
工作原理
应变式传感器的工作原理是基于应变效应,即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时,其电阻值相应发生变化, 这种现象称为“应变效应”。
3
4
一段长为l,截面积为S ,电阻率为ρ的导体(如金属丝),
在其未受力时,原始电阻值为:
图2-1 金属电阻丝应变效应
(2-1)
当电阻丝受到拉力F作用时
5
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,电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了dρ,从而引起电阻值相对变化量为
(2-2)
式中:dl/l——长度相对变化量
dS/S——圆形电阻丝的截面积相对变化量,设r为电阻丝的半径,微分后可得dS=2πr dr,则
(2-3)
6
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
令dl/l=ε为金属电阻丝的轴向应变,
dr/r=εr为金属电阻丝的径向应变
那么轴向应变和径向应变的关系可表示为
式中, μ为电阻丝材料的泊松比, 负号表示应变方向相反。
(2-4)
7
KS:金属导体应变灵敏系数,物理含义是单位轴(纵)向应变引起电阻的相对变化量。
(2-8)
综上,
(2-5)
又有,
(2-6)
大量实验证明,在金属丝的拉伸极限内,金属丝电阻的相对变化与金属丝的轴向应变成正比,即Ks为常数。
8
灵敏系数Ks受两个因素影响:一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化, 即1+2μ;另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化, 即。
对金属材料来说,电阻丝灵敏度系数表达式中1+2μ的值要比大得多。
问:金属应变片的灵敏度取决于什么?
9
半导体应变片是用半导体材料制成的,其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。
压阻效应:是指半导体材料,当某一轴向受外力作用时, 其电阻率ρ发生变化的现象。
当半导体应变片受轴向力作用时, 其电阻相对变化为
(2-9)
式中dρ/ρ为半导体应变片的电阻率相对变化量。
10