应变式传感器

传感器原理及应第二章应变式传感器，讲述了应变式传感器优点、工作原理、结构类型及特征、电阻应变片的转换思路等。

第二章 应变式传感器

• 优点
  • 结构简单，尺寸小
  • 性能稳定可靠，精度高
  • 变换电路简单
  • 易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测
• 工作原理
  • 原理：基于电阻应变片的应变效应
  • 组成：由弹性原件、电阻应变片（核心部件）及外壳等主要部件组成
  • 应变片
    • 金属应变片--应变效应--几何尺寸
    • 半导体应变片--压阻效应--电阻率
    • 单纯的应变片是不能测力的，只能通过∆R/R来测量ε
  • 公式
    • ∆R/R=K∆l/l=Kε
      • 金属电阻丝受外力作用时，金属丝电阻的相对变化与金属丝的应变成正比，K为应变灵敏系数
    • 应力-应变关系σ=Eε
      • E为试件材料的弹性模量，与材料有关；
      • σ试件应力，即单位面积上所承受的附加内力；
      • ε试件应变。
    • ε=F/S
      • F为受到的力，S为受力面积。
• 结构类型及特性
  • 电阻应变片结构
    • 电阻丝--敏感元件
    • 基片
    • 覆盖层
    • 定位保护电阻丝，使电阻丝与被测件之间绝缘
    • 引出线--连接测量导线
  • 类型
    • 材料
      • 金属应变片
        • 体型
        • 薄膜型
      • 半导体应变片
        • 体型
        • 薄膜型
        • 扩散性
        • PN型
        • 其他型
    • 工作温度
      • 常温应变片（-30~60°C）
      • 中温应变片（60~300°C）
      • 高温应变片（300°C以上）
      • 低温应变片（低于-30°C）
    • 用途
      • 一般用途应变片
      • 特殊用途应变片
    • 常用应变片
      • 电阻丝应变片
      • 箔式应变片
      • 薄膜应变片
      • 半导体应变片
  • 特性
    • 应变片电阻值（R）
      • 应变片在没有粘贴及未参与变形前，在室温下测定的电阻值为初始电阻值
    • 灵敏系数（K）
      • ∆R/R=Kε，K=∆R/Rε
    • 横向效应
      • 应变片的灵敏系数恒小于金属丝的灵敏系数，主要由于存在横向效应
    • 线性度
    • 应变极限
      • 应变片所能测量的最大应变值
    • 零漂和蠕变
      • 零漂--电阻随时间的变化特性
      • 蠕变--应变片的指示应变随时间变化
    • 最大工作电流
      • 允许通过应变片而不影响其工作的最大电流之值--工作电流大，应变片输出信号就打，灵敏度高；过大的工作电流会使应变片本身过热，使灵敏系数变化，零漂蠕变增加，甚至烧坏应变片
    • 绝缘电阻
    • 电阻应变片的动态特性
    • 应变片的温度误差和补偿
• 电阻应变片的转换电路
  • 直流电桥
    • 工作原理
    • 平衡条件
      • 相邻两臂电阻比值相等/相对两臂电阻电阻乘积相等R1R4=R2R3
    • 输出电压灵敏度
      • Kv=UE/4 ；输出电压Uo=(UE/4)(∆R/2R)
    • 非线性误差
      • γ=∆R/2R
    • 差动电桥
      • 为减小和克服非线性误差
        • 半桥差动电路
          • 一个受拉应变，一个受压应变；Uo=(UE/2)(∆R/2R)
          • 电桥灵敏度 Kv=UE/2
          • 作用：半桥电压灵敏度提高，消除了线性误差，温度补偿
        • 全桥差动电路
          • Uo=UE(∆R/2R) ； Kv=UE
  • 交流电桥
• 应用
  • 应变式力传感器
    • 灵敏度高，量程大
  • 应变式压力传感器
  • 应变式扭矩传感器
  • 应变式加速度传感器