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第五章   力敏传感器
应变式传感器
电感式传感器
电容式传感器
压电式传感器
力敏传感器指对力学量敏感的一类器件或装置。
金属应变片式传感器
金属丝式应变片
金属箔式应变片
测量电路
应变式传感器应用
压阻式传感器
压阻效应
晶向、晶面的表示方法
压阻系数
固态压阻器件
第一节    应变式传感器
优点: ①精度高,测量范围广
②频率响应特性较好
③结构简单,尺寸小,重量轻
④可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作
⑤易于实现小型化、固态化
⑥价格低廉,品种多样,便于选择
一、  金属应变片式传感器
金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片,它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。
缺点:具有非线性,输出信号微弱,抗干扰能力较差,因此信号线需要采取屏蔽措施;只能测量一点或应变栅范围内的平均应变,不能显示应力场中应力梯度的变化等;不能用于过高温度场合下的测量。
(一) 金属丝式应变片
1、应变效应
当金属丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值将发生变化,这种现象称为金属的电阻应变效应。
设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝,其电阻R为
两边取对数,得
等式两边取微分,得

——电阻的相对变化; ——电阻率的相对变化;
——金属丝长度相对变化,用ε表示,ε= 称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变; ——截面积的相对变化。
dr/r为金属丝半径的相对变化,即径向应变为εr。
S=π r 2
dS /S=2·dr/r
εr= –με
由材料力学知
将微分dR、dρ改写成增量ΔR、Δρ,则
金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。
物理意义:单位应变引起的电阻相对变化。
KS由两部分组成:
前一部分是(1+2μ),由材料的几何尺寸变化引起,一般金属μ≈,因此(1+2μ)≈;
后一部分为,电阻率随应变而引起的(称“压阻效应”)。
对金属材料,以前者为主,则KS≈ 1+2μ;
对半导体, KS值主要由电阻率相对变化所决定。
实验表明,在金属丝拉伸比例极限内,电阻相对变化与轴向应变成正比。~。
2
3
4
1
电阻应变片结构示意图
b
l
2、应变片的结构与材料
由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此,应根据使用条件和要求合理地加以选择。
(1) 敏感栅
由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、200Ω等多种规格,以120Ω最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度,应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。
栅长
栅宽
对敏感栅的材料的要求:
①应变灵敏系数大,并在所测应变范围内保持为常数;
②电阻率高而稳定,以便于制造小栅长的应变片;
③电阻温度系数要小;
④抗氧化能力高,耐腐蚀性能强;
⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度;
⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材;
⑦易于焊接,对引线材料的热电势小。
对应变片要求必须根据实际使用情况,合理选择。
(2) 基底和盖片
基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置,盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置,还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长,其宽度称为基底宽。
(3) 引线
是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求:电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。
(4) 粘结剂
用于将敏感栅固定于基底上,并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时,也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。
常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂,聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温,常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。
3、主要特性
(1) 灵敏度系数
金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系,用灵敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片后,其电阻—应变特性,与金属单丝情况不同。因此,须用实验方法对应变片的电阻—应变特性重新测定。实验表明,金属应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系。即
K为金属应变片的灵敏系数。注意,K是在试件受一维应力作用,应变片的轴向与主应力方向一致,。测量结果表明,应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS。原因:胶层传递变形失真,横向效应也是一个不可忽视的因素。