任務2.1電阻應變片傳感器任務2.2電位器式傳感器任務2.3熱電阻式傳感器項目2電阻式傳感器及應用2.1電阻應變片傳感器

電阻式傳感器電阻式傳感器是一種能把非電量（如力、壓力、位移、濕度等）轉換成與之有對應關系的電阻值，再經過測量電橋把電阻值轉換成便于傳送和記錄的電壓（電流）信號的裝置。電阻式傳感器的種類很多，主要有電阻應變式、電位器式、熱電阻式、氣敏、濕敏等類型。應力和應變工程上將單位截面積（S)上的內力（N）稱為應力（σ）。將單位長度的變形稱為相對變形或應變（ε）。應變與應力的關系:（在彈性范圍內成正比）

σ表示應力，ε表示應變。應力：單位截面積上所受的內力（牛頓/米2)應變：單位長度的變形(米)σ和ε之間存在正比例關系

(系數E，稱為材料的彈性模量)應力和應變導體或半導體材料在外界力的作用下，會產生機械變形，其電阻值也將隨著發生變化，這種現象稱為應變效應。應變片測量應變或應力時，是將應變片粘貼于被測對象上的。在外力作用下，被測對象表面產生微小機械變形，粘貼在其表面上的應變片亦隨其發生相同的變化，因此應變片的電阻也發生相應的變化。根據應力-應變關系可以得到應力值σ。應變原理演示

把金屬絲拉長，萬用表所測的電阻值有什么變化？實驗應變片的工作原理

1－拉伸前2－拉伸后電阻絲受拉后，長度增加，直徑（半徑）變小，電阻變大。L為長度，r為截面半徑，電阻率為ρ

應變片的結構

1－引出線2－覆蓋層3－基底4－電阻絲l：應變片的工作基長，b：應變片基寬，b×l：應變片的有效使用面積。應變片的分類

應變片可分為金屬應變片及半導體應變片兩大類。前者可分成金屬絲式、箔式、薄膜式等。

a）金屬絲式b）金屬箔式c）金屬箔式外形d）半導體應變片1－電阻絲2－金屬箔3－半導體4－基片5－引腳6－定位標記7－金絲金屬絲式應變片的結構金屬絲式與箔式應變片的區別金屬絲式應變片蠕變（固體材料在保持應力不變的條件下，應變隨時間延長而增加的現象）較大，金屬絲易脫膠，逐漸被箔式所取代。但金屬絲式應變片價格便宜，多用于大批量、一次性試驗。箔式應變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔式應變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時間測量時的蠕變較小，一致性較好，目前廣泛用于電子秤等各種應變式傳感器中。焊接溫度250℃不同測量方向的金屬箔式應變片圖形半導體應變片以半導體材料（N型和P型硅）為基底，利用擴散、外延和薄膜工藝制成的。主要優點是靈敏度比金屬應變片高很多。缺點是：靈敏度的一致性差、溫漂大、電阻與應變間非線性嚴重。在使用時，需采用半橋、全橋溫度補償及非線性補償措施。某系列應變片主要性能指標上表中，哪幾個型號是半導體應變片？依據是什么？？應變片的粘貼方法

1）檢查阻值2）在選定貼應變片的位置劃出十字線

3）再用細砂紙精磨（45度交叉紋）

4）用棉紗或脫脂棉花沾丙酮清潔結構表面，擦幾遍后，不可再用手接觸表面。

5）用透明膠帶將應變片與構件在引腳處臨時固定，移動膠帶位置使應變片達到正確定位。

6）在應變片的反面涂上一滴快干膠水，視應變片面積而定，膠水量不宜過多。7）將塑料薄膜蓋在應變片上，用大拇指按壓擠出多余膠水,按壓時間一般1分鐘，室溫低時適當延長。

8）為了使膠水可靠固化，可用電吹風微加熱處理（注意距離和均勻），用萬用表測量應變片絕緣電阻值，應大于20MΩ。9）將應變片引線焊接在接線片上，焊點要光滑牢固。引線不能繃緊，需形成弧線與接線片相連。

10）將連接應變儀的導線焊接在接線片上（焊接時間盡量短）,把導線用絕緣膠帶固定在構件上，再一次檢查應變片質量。

11）在應變片周圍涂上軟硅膠(防潮、防損傷）。

12）硅膠固化后,應變片粘貼工作完畢。但要再次檢查應變片的阻值和絕緣情況。

13）固定粘貼、焊接后，用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止拉動引線和應變片。測量轉換電路

金屬應變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。例：金屬箔式應變片的標稱阻值R0為100

，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質圓柱體上，鋼的彈性模量E=2

1011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應變片的阻值R的變化量僅為0.2

。所以必須使用非平衡電橋來測量這一微小的變化量，將R/R轉換為輸出電壓Uo。

非平衡電橋的結構非平衡電橋由四個電阻R1、R2、R3、R4組成一個四邊形的回路，每一邊稱作電橋的“橋臂”。有4個結點a、b、c、d。在a、c結點之間接入電源Ui，而另一對結點（b、d）之間的電壓差作為輸出電壓Uo端。b、d點對負極（a點）的電壓相等時稱作“電橋平衡”；反之，b、d兩點電位差不為零時稱作“電橋不平衡”。非平衡電橋的輸出電壓

若橋路的4個橋臂相鄰電阻的電阻值變化趨勢相同，橋路的輸出電壓為零。若相鄰電阻的電阻值變化趨勢相反，橋路就產生輸出電壓：電橋平衡的條件(R1/R2=R4/R3或R1?R3=R4?R2)4個橋路電阻的比例通常不可能完全相同,因此必須設置“調零電位器”RP,調節RP,最終可以使R1

?R3=R2

?R4（R1

、R2

是R1、R2并聯RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預調到零位，這一過程稱為調零。圖中的R5的作用是減小調節范圍，也稱限流電阻。非平衡電橋可以分為單臂、雙臂、全橋單臂半橋:四個橋臂中，只有一個電阻的電阻可變，R1為應變片，R2、R3、R4為固定電阻（低溫漂的錳合金電阻）橋路的輸出電壓為：單臂電橋示意圖電橋放大電路（差動減法電路）.雙臂半橋R1、R2為應變片，R3、R4為固定電阻（低溫漂的錳合金電阻）。應變片R1、R2感受到的應變

1、

2相反，產生的電阻增量正負號相反，可以使輸出電壓Uo成倍地增大：四臂全橋全橋的四個橋臂都為應變片，如果設法使試件受力后，應變片R1~

R4產生的電阻增量（或感受到的應變

1~

4）正負號相間，就可以使輸出電壓Uo成倍地增大。輸出電壓：單臂、雙臂半橋、全橋工作方式中，哪一種靈敏度最高?哪一種靈敏度最低?？應變片的溫度誤差及其補償

溫度誤差因環境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素是：1.應變片的電阻絲具有一定的溫度系數；即敏感柵的電阻絲本身的阻值會隨溫度發生變化。應變片的溫度誤差及其補償

2.電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數不同。當試件與電阻絲材料的線膨脹系數相同時：環境溫度變化不會產生附加變形。當試件與電阻絲材料的線膨脹系數不同時：環境溫度變化，電阻絲會產生附加變形，從而產生附加電阻變化。溫度補償方法電阻應變片的溫度補償方法通常有線路補償和應變片自補償兩大類。1)線路補償法

電橋補償是最常用且效果較好的線路補償。電橋補償法電路分析A為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數。由上式可知，當R3和R4為常數時，R1和RB對電橋輸出電壓Uo的作用方向相反。利用這一基本關系可實現對溫度的補償。故補償片應與應變片完全相同：包括材料、相同的溫度場合、以及接入在電橋的相鄰橋臂。應變片的自補償法利用自身具有溫度補償作用的應變片來補償。由溫度變化形成的總電阻變化為電阻的相對變化量為要實現溫度自補償，必須有上式表明，當被測試件的線膨脹系數βg已知時，如果合理選擇敏感柵材料，即其電阻溫度系數α、靈敏系數K0以及線膨脹系數βe，滿足上式，則不論溫度如何變化，均有ΔRt/R0=0，從而達到溫度自補償的目的。應變片的自補償法自補償應變片的特點：制造簡單，成本較低。但必須用在特定的構件材料上，不同的材料試件必須使用不同的應變片（導致了其并不通用）。電阻應變片的應用：

電子秤磅秤超市打印秤人體秤電子人體秤中，四個角都裝了電阻應變片，四角接成全橋，由單片機測量橋路電壓，并換算出被稱量的體重。吊鉤秤便攜式應變片在懸臂梁上的粘貼及受力變形演示案秤的原理框圖應變式荷重傳感器外形及受力位置FFF激光焊接全密封荷重傳感器原理演示貼在荷重傳感器表面的應變片在向下力的作用下，產生變形。軸向變短，徑向變長。應變式加速度傳感器

L應變片質量塊m彈簧片外殼基座a在加速度變化時，質量塊受力F=ma。梁產生變形，質量一定，梁的變形（基應變片變形）正比于加速度。從而通過應變測得加速度。應變式加速度傳感器

習題1如圖所示，設負載電阻為無窮大（開路），E=6V，R1=R2=R3=R4=100Ω。