第三章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器概述屬于電參數(shù)型傳感器（電參數(shù)型傳感器將感受的輸入被測參量轉(zhuǎn)換為電參數(shù)R、L、C的變化。）電阻應(yīng)變式傳感器（也稱應(yīng)變片）是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。由電阻應(yīng)變敏感元件粘貼在彈性元件上構(gòu)成。廣泛應(yīng)用于測量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)。彈性元件彈性元件被測量被測量應(yīng)變式變換器應(yīng)變式變換器圖圖 1 電阻應(yīng)變式傳感器組成框圖電阻應(yīng)變式傳感器組成框圖3.1 工作原理一、應(yīng)變效應(yīng)的理論基礎(chǔ)一、應(yīng)變效應(yīng)的理論基礎(chǔ) 1 1金屬導(dǎo)體的金屬導(dǎo)體的 電阻定律電阻定律(線材線材)2 2r A A =r 2 2L L其全微分：其全微分：給出了總電阻的相對變化量與其它三個量的相對變化的關(guān)系。在給出了總電阻的相對變化量與其它三個量的相對變化的關(guān)系。在力的作用下，力的作用下，L L、A A、均可發(fā)生變化，均可發(fā)生變化，R R 亦可發(fā)生變化。亦可發(fā)生變化。應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力作用下產(chǎn)生機械變形時，應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化的現(xiàn)象。其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化的現(xiàn)象。應(yīng)變（軸向應(yīng)變）(徑向應(yīng)變):材料的泊松比材料的泊松比電阻絲的靈敏系數(shù)K0影響K的因素 (1)應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化（1+2）；(2)材料電阻率發(fā)生的變化（）。金屬材料：1+2 ，在電阻絲拉伸極限內(nèi)泊松比=0.5，故K0 2。半導(dǎo)體材料：1+2 與半導(dǎo)體敏感元件在軸向所受的應(yīng)變力有關(guān)：半導(dǎo)體應(yīng)變片的K比金屬絲式高5080倍，但半導(dǎo)體材料溫度系數(shù)大，應(yīng)變時非線性比較嚴(yán)重，使其應(yīng)用范圍受到一定的限制。3.2 電阻應(yīng)變片的特性應(yīng)變片的種類1.應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)2.金屬電阻應(yīng)變片的種類 絲式、箔式電阻應(yīng)變片 箔式電阻應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片的敏感柵，則是用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。金屬箔柵采用光刻技術(shù)制造，是用于大批量生產(chǎn)。由于金屬箔式應(yīng)變片具有線條均勻、尺寸準(zhǔn)確、阻值一致性好、傳遞試件應(yīng)變性能好等優(yōu)點，因此，目前使用的多為金屬箔式應(yīng)變片，3.3 應(yīng)變片的溫度誤差及補償1.應(yīng)變片的溫度誤差1）電阻溫度系數(shù)的影響2）試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響溫度變化引起的總附加應(yīng)變量t2.電阻應(yīng)變片的溫度補償方法1）線路補償法實現(xiàn)完全補償?shù)乃膫€條件：(1)(2)(3)補償塊材料和被測試件材料必須一樣，；(4)兩個應(yīng)變片要處于同一溫度場。2）應(yīng)變片的自補償法溫度自補償應(yīng)變片當(dāng)已知被測試件的線膨脹系數(shù)g，合理選擇敏感柵材料（0、K0、s滿足式（3-33），t0時Rt/R0=0。3.4 電阻應(yīng)變片的測量電路3.4.1 直流電橋1.直流電橋平衡條件 電橋平衡條件：Uo=0，則有2.電壓靈敏度將一個應(yīng)變片接入電橋中構(gòu)成單臂電橋。橋臂比：利用平衡條件電橋電壓靈敏度影響因素：E(電橋供電電壓)、nn=1(R1=R2=R3=R4)，Kumax：n：3.非線性誤差及其補償方法非線性誤差n=1時（四等臂電橋）3.非線性誤差及其補償方法補償方法差動電橋半橋差動電路：兩個應(yīng)變片（1拉、1壓）消除溫度影響：結(jié)結(jié)論論：分分母母中中 Rr1可可忽忽略略，分分子子中中無無 Rr1項項，故故減減小小了了溫溫度度變變化化的的影影響響，具具有有溫溫度度補補償償作用作用。1-8全橋差動電路：四個應(yīng)變片（2拉、2壓）3.3.2 交流電橋交流電壓源供電，引線分布電容，應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性Z1、Z2。平衡條件：電阻平衡條件、電容平衡條件輸出電壓：電壓靈敏度：1.1.柱式力傳感器（柱的截面積為柱式力傳感器（柱的截面積為A A）L LF FF F電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片軸向應(yīng)變。軸向應(yīng)變。楊氏模量楊氏模量面積面積3.5 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用稱重、測力。主要用途：作為各種電子稱與材料試驗機的測力元件、發(fā)動機的推力測試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測等。要求較高的靈敏度和穩(wěn)定性：當(dāng)傳感器受側(cè)向作用力、或力的作用點產(chǎn)生輕微變化時，不應(yīng)對輸出有明顯的影響。軸向貼片測力（軸向力），橫向貼片進行溫度補償。2 2 .梁式荷重傳感器梁式荷重傳感器等截面梁式荷重傳感器等截面梁式荷重傳感器L LL L0 0F Fb bh hR1R2R3R4一端固定，一端自由，厚度為一端固定，一端自由，厚度為h h,長度長度L L0 0，自由端力自由端力F F 的作用點到應(yīng)的作用點到應(yīng)變片的距離為變片的距離為L L ，該點的協(xié)強：該點的協(xié)強：4 4只應(yīng)變片只應(yīng)變片 此位置上下兩側(cè)分別粘有此位置上下兩側(cè)分別粘有4 4只應(yīng)變片，只應(yīng)變片，R R1 1、R R4 4同側(cè)；同側(cè)；R R3 3、R R2 2同側(cè)，同側(cè)，這兩側(cè)的應(yīng)變方向剛好相反，且大小相等，可構(gòu)成全差動電橋。這兩側(cè)的應(yīng)變方向剛好相反，且大小相等，可構(gòu)成全差動電橋。由于全差動電橋由于全差動電橋，所以，所以供橋電壓供橋電壓輸出電壓輸出電壓三、應(yīng)變式壓力（壓強）傳感器三、應(yīng)變式壓力（壓強）傳感器 薄板式薄板式(膜片式膜片式)壓力傳感器壓力傳感器 當(dāng)流體的壓強作用在薄板上，薄當(dāng)流體的壓強作用在薄板上，薄板就會產(chǎn)生形變板就會產(chǎn)生形變(應(yīng)變應(yīng)變)，貼在另一側(cè)，貼在另一側(cè)的應(yīng)變片隨之形變的應(yīng)變片隨之形變(應(yīng)變應(yīng)變)，通過橋式，通過橋式等測量電路，可以測出與應(yīng)變相對應(yīng)等測量電路，可以測出與應(yīng)變相對應(yīng)的輸出電壓，從而得到壓力的大小。的輸出電壓，從而得到壓力的大小。薄圓板受均勻壓力后的應(yīng)變分布薄圓板受均勻壓力后的應(yīng)變分布薄圓板受均勻壓力后的應(yīng)變方向薄圓板受均勻壓力后的應(yīng)變方向 應(yīng)變分析應(yīng)變分析 對于半徑為對于半徑為r0沿圓周固定的模片，片內(nèi)任意半沿圓周固定的模片，片內(nèi)任意半徑徑 r 處在壓強處在壓強 P 的作用下的應(yīng)變的作用下的應(yīng)變(膜厚為膜厚為h)為為:切向應(yīng)變切向應(yīng)變(與半徑垂直與半徑垂直)只有拉伸只有拉伸徑向應(yīng)變徑向應(yīng)變(指向圓心指向圓心)可拉可壓可拉可壓(可正可負(fù)可正可負(fù))薄圓板受均勻壓力后的應(yīng)變分布薄圓板受均勻壓力后的應(yīng)變分布 特點特點正應(yīng)變最大正應(yīng)變最大徑向負(fù)應(yīng)變最大徑向負(fù)應(yīng)變最大徑向應(yīng)變片貼片必須避開徑向應(yīng)變片貼片必須避開 貼片位置貼片位置 在在t=r的的兩個半徑處分別粘兩個半徑處分別粘貼個于檢測徑向貼個于檢測徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變的應(yīng)變和切向應(yīng)變的應(yīng)變片，構(gòu)成全差應(yīng)變片，構(gòu)成全差動電橋。動電橋。R1R2R3R4等半徑貼片等半徑貼片R1R2R3R4不等半不等半徑貼片徑貼片同等條同等條件應(yīng)變件應(yīng)變較大。較大。亦可選擇亦可選擇r 1=r 2四、固態(tài)壓力傳感器四、固態(tài)壓力傳感器 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 利用半導(dǎo)體擴散技術(shù)，在利用半導(dǎo)體擴散技術(shù)，在n型硅基底型硅基底(硅杯的圓形膜片硅杯的圓形膜片)上上擴散出擴散出4 4個個p型電阻，利用其型電阻，利用其壓壓阻效應(yīng)阻效應(yīng)，構(gòu)成敏感電橋，當(dāng)壓，構(gòu)成敏感電橋，當(dāng)壓力作用在薄片上，通過橋式等力作用在薄片上，通過橋式等測量電路，可以測出與應(yīng)變相測量電路，可以測出與應(yīng)變相對應(yīng)的輸出電壓，從而得到壓對應(yīng)的輸出電壓，從而得到壓力的大小。力的大小。擴散電阻硅杯式固體壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖擴散電阻Si_n擴散電阻Si_n薄圓板受均勻壓力后的應(yīng)力分布薄圓板受均勻壓力后的應(yīng)力分布 受壓圓膜的應(yīng)力分布受壓圓膜的應(yīng)力分布徑向徑向 切向切向根據(jù)根據(jù)可知可知（較大半徑處為負(fù)應(yīng)變）（較大半徑處為負(fù)應(yīng)變）擴散電阻位置擴散電阻位置薄圓板受均勻壓力后的應(yīng)力分布薄圓板受均勻壓力后的應(yīng)力分布R1R2R3R4在滿足：在滿足：rt rr r1 r2的兩個半徑處（應(yīng)力大小的兩個半徑處（應(yīng)力大小相等方向相反）擴散相等方向相反）擴散 4 4 個個電阻構(gòu)成全橋差動電路。電阻構(gòu)成全橋差動電路。習(xí)題習(xí)題3-5 E=4V,Ri=120 i=1,2,3,4（1）R1=1.2（2）（3）習(xí)題習(xí)題3-6 K=2.05R1=120F=800m/m(1)(2)單臂測量電橋，E=3Vn=1時（四等臂電橋）