第03章 应变式传感器 57页.ppt

第3章应变式传感器
工作原理
电阻应变片的温度误差及补偿
电阻应变片的测量电路
应变式传感器的应用
工作原理
应变
物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象
弹性应变
当外力去除后,物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变
弹性元件
具有弹性应变特性的物体
应变式传感器概述
是利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器
工作原理:
当被测物理量作用于弹性元件上,弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形,产生相应的应变或位移,然后传递给与之相连的应变片,引起应变片的电阻值变化,通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。
结构:
应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成
应用:
广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量
应变效应分析
电阻应变片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”。
一根金属电阻丝,在其未受力时,原始电阻值为:
图3-1 金属电阻丝应变效应
当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长Δl,横截面积相应减小ΔA,电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了Δρ,从而引起电阻值变化量为
式中:dl/l——长度相对变化量,用应变ε表示为
电阻相对变化量:
dA/A——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dA=2πr dr,则
材料力学:在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长, 沿径向缩短, 轴向应变和径向应变的关系可表示为
μ为电阻丝材料的泊松比, 负号表示应变方向相反。
推得:
定义:电阻丝的灵敏系数(物理意义):单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为
灵敏系数K受两个因素影响
一是应变片受力后材料几何尺寸的变化, 即1+2μ
二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化, 即(dρ/ρ)/ε。
对金属材料:1+2μ>>(dρ/ρ)/ε
对半导体材料:(dρ/ρ)/ε>>1+2μ
大量实验证明,在电阻丝拉伸极限内, 电阻的相对变化与应变成正比,即K为常数。
分析:当半导体应变片受轴向力作用时, 其电阻相对变化为
半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关:
式中: π——半导体材料的压阻系数;
σ——半导体材料的所受应变力;
E——半导体材料的弹性模量;
ε——半导体材料的应变。