【正文】 2022/5/24 1 實(shí)用傳感器技術(shù)教程 2 2022/5/24 壓電式傳感器 第 3章 力與壓力測(cè)量傳感器 電阻式壓力傳感器 集成壓力傳感器 差動(dòng)變壓器式傳感器 力與壓力測(cè)量傳感器性能比較 壓磁式傳感器 3 2022/5/24 ?本章要點(diǎn) ?電阻式、壓電式、差動(dòng)變壓器式、壓磁式與集成式壓力傳感器等壓力測(cè)量傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理 ?壓力測(cè)量傳感器的特性參數(shù)、測(cè)量電路與溫度補(bǔ)償方法 ?壓力測(cè)量傳感器性能及應(yīng)用范圍比較 ?壓力測(cè)量傳感器應(yīng)用實(shí)例 4 2022/5/24 電阻式壓力傳感器 金屬電阻應(yīng)變式傳感器是利用 應(yīng)變效應(yīng) 原理制成的一種測(cè)量微小機(jī)械變化量的傳感器。它是由 彈性元件和 電阻應(yīng)變片 構(gòu)成。當(dāng)彈性元件感受被測(cè)物理量時(shí)，其表面產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在彈性元件表面的電阻應(yīng)變片也產(chǎn)生應(yīng)變，其阻值將隨著彈性元件的應(yīng)變而變化。通過測(cè)量電阻應(yīng)變片的電阻值，可以用來測(cè)量被測(cè)的物理量。金屬電阻應(yīng)變傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、使用方便、動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于測(cè)量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)。 5 2022/5/24 6 2022/5/24 7 2022/5/24 傳感器基本概念 1. 電阻應(yīng)變片原理及主要特性 （ 1）工作原理 L2 r 2 ( )rr ??L?F 金屬導(dǎo)體材料在受到外界力作用時(shí)，將產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形會(huì)導(dǎo)致其電阻值變化，這種因形變而使其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象被稱為 “ 應(yīng)變效應(yīng) ” 。 圖 31金屬電阻絲伸長后幾何尺寸變化 8 2022/5/24 ?設(shè)有一根電阻絲，如圖 31所示，它在未受到外力作用時(shí)的初始電阻為 （ 31） 式中， ρ—— 電阻絲的電阻率； L—— 電阻絲的長度； S—— 電阻絲的截面積。 LRS??9 2022/5/24 ?當(dāng)電阻絲在外力 F的作用下被拉伸 (或壓縮 )，則其 ρ、 L、 S均發(fā)生變化，變化量分別為 Δρ、 ΔL、 ΔS。幾何尺寸的變化引起電阻值的變化，電阻值相應(yīng)變化為 ΔR，其電阻的相對(duì)變化量為 : R L SR L S??? ? ? ?? ? ? (32) 經(jīng)過整理，可得下式 : ( 1 2 )RR??????? ? ?(33) 10 2022/5/24 ? 式中， μ為為泊松比，定義為材料在單向受拉或受壓時(shí)，橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變的絕對(duì)值的比值。如果令 : 0 12k ??? ??? ? ? (34) 則有 : 0R kR ?? ? (35) 式中， ε =Δ L/L為金屬導(dǎo)體電阻絲的縱向應(yīng)變； k0為電阻絲的靈敏系數(shù)，即單位應(yīng)變所引起的電阻的相對(duì)變化。 11 2022/5/24 ?由式 (34)可知，電阻絲的靈敏系數(shù)受兩個(gè)因素的影響：一是 (1+2μ )，它是由電阻絲幾何尺寸改變引起的，對(duì)某種材料來說，它是常數(shù)；另一個(gè)是（ Δρ/ρ） /ε，對(duì)于同一種金屬材料，其值也是常數(shù)，但比 (1+2μ )小很多，可以忽略，故 k0≈1+2μ。 理論與實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于每一種電阻絲，在一定的相對(duì)變形范圍內(nèi)，金屬材料的靈敏系數(shù) k0將保持不變。 ?因此，由式（ 35）可知，當(dāng)金屬電阻絲受到外界應(yīng)力的作用時(shí)，其電阻的變化與受到應(yīng)力的大小成正比。即 金屬導(dǎo)體電阻絲的電阻的相對(duì)變化率與電阻絲的應(yīng)變呈線性關(guān)系變化 ，這就是金屬電阻應(yīng)變式的工作原理。 12 2022/5/24 （ 2）應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) ?常用的金屬應(yīng)變片分為電阻絲應(yīng)變片和箔式應(yīng)變片。它們基本結(jié)構(gòu)大體相同，由敏感柵、基底、覆蓋層、引線和黏結(jié)劑組成。 引出線覆蓋層電阻絲基片lb13 2022/5/24 （ 3）電阻應(yīng)變傳感器主要特性 ?1) 靈敏系數(shù) K 當(dāng)具有初始電阻值 R的應(yīng)變片粘貼于試件表面時(shí)，試件受力引起的表面應(yīng)變，將傳遞給應(yīng)變片的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對(duì)變化 ΔR/R 。實(shí)驗(yàn)表明，在一定應(yīng)變范圍內(nèi) ΔR/R 由下式確定： R KR?? ?式中 :ε 為應(yīng)變片的縱向應(yīng)變； K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。 14 2022/5/24 （ 3）電阻應(yīng)變傳感器主要特性 ?2) 機(jī)械滯后 應(yīng)變片安裝在試件上以后，在一定的溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變?chǔ)?i與試件機(jī)械應(yīng)變 ε m應(yīng)該是一個(gè)確定關(guān)系，但實(shí)驗(yàn)表明，在加載和卸載過程中，對(duì)同一機(jī)械應(yīng)變量，兩過程的特性曲線并不重合，卸載時(shí)的指示應(yīng)變高于加載時(shí)的指示應(yīng)變，如圖 33所示，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的 機(jī)械滯后 。加載和卸載特性曲線之間的最大差值 Δ ε m稱為應(yīng)變片的機(jī)械滯后值。 i?m?m??15 2022/5/24 （ 3）電阻應(yīng)變傳感器主要特性 ?3) 零漂和蠕變 已粘貼在試件上的應(yīng)變片，在溫度保持恒定，試件上沒有機(jī)械應(yīng)變的情況下，應(yīng)變片的指示會(huì)隨著時(shí)間增長而逐漸變化，這就是應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移，簡(jiǎn)稱零漂 。 已粘貼的應(yīng)變片，溫度保持恒定，在承受某一恒定的機(jī)械應(yīng)變長時(shí)間作用下，應(yīng)變片的指示會(huì)隨時(shí)間的變化而變化，這種現(xiàn)象稱為 蠕變 。一般來說，蠕變的方向與原來應(yīng)變量變化的方向相反。 16 2022/5/24 （ 3）電阻應(yīng)變傳感器主要特性 ? 4) 溫度 效 應(yīng) 粘貼在試件上的電阻應(yīng)變片，除感受機(jī)械應(yīng)變而產(chǎn)生電阻相對(duì)變化外，在環(huán)境溫度變化時(shí)，也會(huì)引起電阻的相對(duì)變化，產(chǎn)生虛假應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng)。溫度變化對(duì)電阻應(yīng)變片的影響是多方面的，這里僅考慮兩種主要影響： 一是當(dāng)環(huán)境溫度變化 Δt 時(shí)，由于敏感柵材料的電阻溫度系數(shù) αt 的存在，引起電阻的相對(duì)變化； 二是當(dāng)環(huán)境溫度變化 Δt 時(shí)，由于敏感材料和試件材料的膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片產(chǎn)生附加的形變，從而引起電阻的相對(duì)變化。 17 2022/5/24 （ 3）電阻應(yīng)變傳感器主要特性 ? 5) 應(yīng)變極限與疲勞壽命 ? 應(yīng)變片的 應(yīng)變極限 是指在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變 εi與試件的真實(shí)應(yīng)變 εm的相對(duì)誤差達(dá)到規(guī)定值（一般為10%）時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值 εj，如右圖所示。 ? 對(duì)于已安裝的應(yīng)變片，在恒定幅值的交變力作用下，可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù) N稱為應(yīng)變片的 疲勞壽命 。 m?O100 ％90 ％j?()iRR? ?18 2022/5/24 ? 6） 絕緣電阻和最大工作電流 ? 應(yīng)變片的絕緣電阻 是指已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測(cè)件之間的電阻值 Rm。通常要求