【正文】 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 第二章 電阻式傳感器 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 ? 基本原理 ：將被測的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路變成電量輸出。 ? 電阻材料 ：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、電解質(zhì)溶液等。 ? 物理學(xué)原理：導(dǎo)體、半導(dǎo)體的長度或內(nèi)應(yīng)力變化、溫度變化導(dǎo)致電阻變化。 ? 被測參數(shù) ：力、壓力、 應(yīng)變 、加速度等。 ? 主要優(yōu)點 ：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，靈敏度較高，有的可用于動態(tài)測量。 ? 本章主要研究的內(nèi)容 ：應(yīng)變式傳感器和壓阻式傳感器。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器 定義 ：應(yīng)變式傳感器是利用金屬的 電阻應(yīng)變效應(yīng) ，將被測物變形 轉(zhuǎn)換成 電阻變化 的傳感器。 本節(jié)內(nèi)容： 一． 工作原理 二． 應(yīng)變片的類型和材料 三． 金屬應(yīng)變片的主要特性 四． 轉(zhuǎn)換電路 五． 溫度誤差及其補償 六． 應(yīng)變式傳感器舉例 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 一、工作原理 ★ 金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng) 定義： 當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生 機(jī)械變形 時，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。 一根長 l ，截面積為 S ，電阻率為 ρ 的金屬絲電阻為 : （ 2－ 1） 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 如圖 21所示 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 當(dāng)電阻絲受到軸向拉力 F作用時，電阻值 ΔR 的變化引起電阻的相對變化為 : Δl/l=ε ，為金屬導(dǎo)體電阻絲的 軸向應(yīng)變 ，常用單位με （ με=1 106 mm/mm） 假設(shè) Δr/r 為 徑向應(yīng)變 ，且由材料力學(xué)知， Δr/r= ?μΔl/l ，式中 ?為金屬材料的泊松比。 （ 2－ 2） ?????????SSllRR山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 用橫向、徑向應(yīng)變、泊松系數(shù)帶入后電阻變化率為： 受力后材料幾何尺寸變化（ 1+2μ ）；材料電阻率的變化（ Δρ/ρ ） /ε 。 對于金屬材料而言，以前者為主，則 k0≈1+2 μ ，對半導(dǎo)體， k0值主要是由電阻率相對變化所決定。 通常金屬絲的靈敏系數(shù) k0=2左右。 ? ?12RlRl ?? ?? ? ?? ? ?0//12RRk ???????? ? ? ?令： （ 2－ 3） 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 ★ 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測量原理 絲繞式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)： ? 合金電阻絲（ φ ）繞成敏感柵； ? 敏感柵粘貼在絕緣的基底 1 ； ? 電阻絲的兩端焊接引出線 4； ? 敏感柵上面粘貼有保護(hù)用的覆蓋層 3。 參數(shù) ： l—基長， b—基寬， l b—使用面積 規(guī)格 ：以使用面積和電阻值表示，例如 3 10mm2， 120Ω 。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 圖 221 電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 1敏感柵 。2基底 。3覆蓋層 。4引線 1 2 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 應(yīng)變片的測量原理： ? 直接用應(yīng)變片測量 受力應(yīng)變 時，將應(yīng)變片粘貼于被測對象表面上。在外力作用下，被測對象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形時，應(yīng)變片敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化 ΔR 。 ? 應(yīng)用轉(zhuǎn)換電路和儀器測出 ΔR ，根據(jù)式（ 23），可得彈性試件的應(yīng)變值 ε 。 應(yīng)變 ε(ε=?/E) → ΔR 擴(kuò)展應(yīng)用： 通過 彈性敏感元件 的作用，可以將應(yīng)變片測應(yīng)變的應(yīng)用擴(kuò)展到能 引起彈性元件產(chǎn)生應(yīng)變的各種非電量的測量 ，如位移、力、力矩、壓力等物理量，從而構(gòu)成各種電阻應(yīng)變式傳感器。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 應(yīng)變片的優(yōu)點： ? 測量應(yīng)變的靈敏度和精確度高，性能穩(wěn)定、可靠，可測1～ 2με ，誤差小于 1％。 ? 應(yīng)變片尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、響應(yīng)速度快。測量時對被測件的工作狀態(tài)和應(yīng)力分布影響較小。既可用于靜態(tài)測量，又可用于動態(tài)測量。 ? 測量范圍大。既可測量彈性變形，也可測量塑性變形。變形范圍可從 1％～ 2％至 20％。 ? 適應(yīng)性強(qiáng)?？稍诟邷?、超低溫、高壓、水下、強(qiáng)磁場以及核輻射等惡劣環(huán)境下使用。 ? 便于多點測量、遠(yuǎn)距離測量和遙測。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 二、應(yīng)變片的類型和材料 ★ 三種 類型： 金屬絲式，金屬箔式和金屬薄膜式。 金屬絲式應(yīng)變片 應(yīng)變片短接式 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 ?回線式： – 敏感柵絲直徑在 ～ ，以 ； – 回線的曲率半徑 r為 ～ ； – 基片用厚度為 薄紙 （稱紙基），或用粘結(jié)劑和有機(jī)樹脂基膜制成（稱 膠基 ），粘貼性能好，能保證有效地傳遞變形。 – 引線多用 ～ 鍍錫銅線 與敏感柵相接。 回線式主要特點 ：因制作簡單，性能穩(wěn)定，成本低，易粘貼，所以最為常用。但因彎曲部的變形使其 橫向效應(yīng)較大 。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 ?短接式： – 兩端用直徑比柵絲直徑 粗 5～ 10倍的鍍銀絲 短接而成，有效克服了橫向效應(yīng)。 – 由于焊點多，易在焊點處出現(xiàn) 疲勞損壞 ，制造工藝要求高，使用較少。 ?金屬絲 常用的材料有康銅、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金以及貴金屬（鉑、鉑鎢合金）等。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 金屬箔式應(yīng)變片 制作工藝：箔式應(yīng)變片是在絕緣基底上，將厚度為～ ，利用 照相制板 或 光刻腐蝕 的方法，制成適用于各種需要的形狀。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 箔式應(yīng)變片的優(yōu)點： 1. 可制成 多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確 的敏感柵，柵長 l最小可做到，以適應(yīng)不同的測量要求。 2. 與被測試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度。 3. 橫向效應(yīng)可以忽略。 4. 蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長。 箔式應(yīng)變片的缺點： 電阻值的 分散性大 ，有的能相差幾十歐坶，故需要作阻值調(diào)整。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 金屬薄膜應(yīng)變片 制作工藝： 采用 真空蒸發(fā) 或 真空沉積 等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在 以下的金屬電阻材料 薄膜敏感柵 ，最后再加上保護(hù)層，易實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。 特點： 電阻值高于箔式，形狀和尺寸更精確；散熱性好，適于較寬溫度范圍，應(yīng)達(dá)－ 197～ 317℃ ；電阻值精度高，達(dá) %；無膠結(jié)，避免了分選和粘貼。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 ★ 粘結(jié)劑和粘貼技術(shù) 粘合劑 合理選擇粘合劑： 粘合劑必須適合應(yīng)變片材料和被測試件材料及環(huán)境，例如工作溫度、濕度、化學(xué)腐蝕等。 對粘合劑要求： （ 1）有一定的粘結(jié)強(qiáng)度； （ 2）能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變，有足夠的剪切彈性模量； （ 3）蠕變、機(jī)械滯后小； （ 4）有足夠的穩(wěn)定性能； （ 5）耐濕、耐油、耐老化、耐疲勞等。 常用的粘合劑類型有硝化纖維素粘合劑、氰基丙烯酸脂粘合劑、有機(jī)硅粘合劑等。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 粘貼工藝 （ 1）應(yīng)變片的檢查和阻值檢查；