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知識點1：金屬應(yīng)變式傳感器單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級

目錄敏感元件應(yīng)變片結(jié)構(gòu)測量電路應(yīng)用單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級

PART01敏感元件2.2應(yīng)變式傳感器2.2.1敏感元件彈性變形：物體在外力作用下改變原來尺寸或形狀，若外力去掉后物體又能完全恢復其原來的尺寸或形狀。彈性元件：具有彈性變形特性的物體。彈性元件力、力矩、壓力應(yīng)變或位移2.2應(yīng)變式傳感器2.2.1敏感元件1.變換力的彈性敏感元件--輸入量為F，輸出量為應(yīng)變或位移的彈性敏感元件。（1）等截面軸實心等截面軸空心等截面軸—柱式彈性敏感元件：在力的作用下，位移量很小，將應(yīng)

變作為輸出量。在它的表面粘貼應(yīng)變片，可將應(yīng)變進一步轉(zhuǎn)換為電量。2.2.1敏感元件1.變換力的彈性敏感元件（2）環(huán)狀彈性元件--等截面圓環(huán)2.2應(yīng)變式傳感器(a)等截面圓環(huán)(b)等截面圓環(huán)(c)變形圓環(huán)(d)變形圓環(huán)(e)變形圓環(huán)（3）懸臂梁--一端固定、一端自由的彈性敏感元件，它的輸出可以是應(yīng)變，也可以是位移。等截面懸臂梁等強度懸臂梁--對任一指定點，上、下表面的應(yīng)變大小相等、符號相反。但在梁的不同部位產(chǎn)生的應(yīng)變是不相等的。--沿梁的整個長度上的應(yīng)變處處相等。(a)等截面懸臂梁(b)等強度懸臂梁2.2.1敏感元件1.變換力的彈性敏感元件2.2應(yīng)變式傳感器2.2.1敏感元件1.變換力的彈性敏感元件（4）扭轉(zhuǎn)軸—用于測量力矩和轉(zhuǎn)矩任何部件在轉(zhuǎn)矩的作用下，必須產(chǎn)生某種程度的扭轉(zhuǎn)變形。專門用于測量力矩的彈性敏感元件稱為扭轉(zhuǎn)軸，在扭矩T的作用下，扭轉(zhuǎn)軸的表面將產(chǎn)生拉伸或壓縮應(yīng)變。2.2應(yīng)變式傳感器2.2.1敏感元件2.變換壓力的彈性敏感元件（1）彈簧管（2）波紋管2.2應(yīng)變式傳感器（3）等截面薄板—平膜片（4）波紋膜片和膜盒2.2.1敏感元件2.變換壓力的彈性敏感元件(a)波紋膜片(b)膜盒2.變換壓力的彈性敏感元件2.2應(yīng)變式傳感器（5）薄壁圓筒和薄壁半球(a)薄壁圓筒(b)薄壁半球2.2應(yīng)變式傳感器2.2.1敏感元件2.變換壓力的彈性敏感元件單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級

PART02應(yīng)變片結(jié)構(gòu)2.2.2電阻應(yīng)變片的工作原理1.應(yīng)變效應(yīng)導體或半導體材料在外（拉力或壓力）力的作用時，產(chǎn)生機械變形，導致其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種因形變而使其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。2.2.2電阻應(yīng)變片的工作原理金屬應(yīng)變片半導體應(yīng)變片薄膜式金屬絲式箔式應(yīng)變片2.2.2電阻應(yīng)變片的工作原理基底：固定敏感柵及絕緣；0.02～0.04mm厚；紙質(zhì)或膠質(zhì)。敏感柵：金屬絲繞成柵狀，敏感柵。d=0.015～0.05mm。作用：感應(yīng)應(yīng)變的變化大小

覆蓋層：作用，防潮、防蝕、防損等。引線：通常取直徑約為0.1～0.15mm的低阻鍍錫銅線2.金屬應(yīng)變片a.金屬絲式應(yīng)變片回線式短接式回線式最為常用，制作簡單，性能穩(wěn)定，成本低，易粘貼，但橫向效應(yīng)較大。橫向效應(yīng)系數(shù)很小(<0.1％)，但由于它的焊點多，焊點處截面變化劇烈，因而疲勞壽命短2.2.2電阻應(yīng)變片的工作原理2.金屬應(yīng)變片b.金屬箔式應(yīng)變片利用照相制版或光刻技術(shù)將厚約0.003～0.01mm的金屬箔片制成所需圖形的敏感柵，也稱為應(yīng)變花。逐步取代絲式應(yīng)變敏感柵2.2.2電阻應(yīng)變片的工作原理2.金屬應(yīng)變片2.2.2電阻應(yīng)變片的工作原理c.金屬薄膜式應(yīng)變片采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等鍍膜技術(shù)將電阻材料鍍在基底上，制成厚度為0.1μm的敏感柵而形成應(yīng)變片。靈敏系數(shù)比較高，是一種比較有前途的新型應(yīng)變片。2.金屬應(yīng)變片3.金屬應(yīng)變片的材料要求2.2.2電阻應(yīng)變片的工作原理（1）敏感柵3.金屬應(yīng)變片的材料要求2.2.2電阻應(yīng)變片的工作原理（2）基底和蓋片2.2.2電阻應(yīng)變片的工作原理（3）引線是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細金屬線。3.金屬應(yīng)變片的材料要求4.應(yīng)變片的選取及粘貼（1）選用粘貼劑的要求：1）足夠的強度；2）不產(chǎn)生化學腐蝕作用；3）能準確傳遞應(yīng)變，具有足夠的穩(wěn)定性能；4）蠕變小；5）機械滯后小；6）有較大的溫度使用范圍，耐疲勞性能好；7）有適當?shù)膬Υ嫫凇Ｏ趸w維素型，氰基丙烯酸型、聚酯樹脂型、環(huán)氧樹脂型和酚醛樹脂型常用粘貼劑類型（2）應(yīng)變片的粘貼步驟1）應(yīng)變片的選擇貼片前，將待用的應(yīng)變片進行外觀檢查和阻值測量。2）試件的表面及底層處理（去污）采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細紗布交叉打磨出細紋以增加粘貼力，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。為保證應(yīng)變片能牢固地粘貼在試件上，并有足夠大絕緣電阻，可在粘貼位置涂上一層底膠。去污3）貼片

在應(yīng)變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠，用鑷子將應(yīng)變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡。從分開的端子處，預先用萬用表測量應(yīng)變片的電阻發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。4）測量將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。

5）焊接焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)變片。

6）固定單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級

PART03測量電路2.2.5測量轉(zhuǎn)換電路2.2應(yīng)變式傳感器如圖所示。電源E為恒壓源，其內(nèi)阻為零。根據(jù)電路學中的克希霍夫定律，列出電路方程：

R2R4R1R3Ui恒壓電橋電路原理圖RLACDILB聯(lián)立求解上述方程，求出檢流計中流過的電流Io為:當R1R4=R2R3時，IL=0，UL=0，即電橋處于平衡狀態(tài)。式中RL為負載電阻，因而其輸出電壓UL為:若電橋的負載電阻RL為無窮大，則B、D兩點可視為開路，上式可以化簡為:設(shè)R1為應(yīng)變片的阻值，工作時R1有一增量ΔR1，當為拉伸應(yīng)變時，ΔR1為正；壓縮應(yīng)變時，ΔR1為負。在上式中以R1+ΔR1代替R1，則單臂半橋連接電路（1）單臂半橋工作方式BD由于ΔR1<<R1,略去上式分母中的

ΔR1/R1得：定義橋臂比：整理得：定義電橋靈敏度：當dKU/dn=0時，dKU最大，此時n=1；即R2=R1；R4=R3當n=1時，電橋為等臂電橋，其輸出電壓為：（2）差動電橋工作方式設(shè)初始時為R1=R2=R3=R4=R；則上式為若工作時應(yīng)變片一片受拉、一片受壓，即ΔR1=－ΔR2=ΔR，則可見，這時輸出電壓U0與ΔR/R間成嚴格的線性關(guān)系，且電橋靈敏度比單臂電橋提高一倍。

差動半橋連接電路（3）差動全橋工作方式工作時各個橋臂中電阻應(yīng)變片電阻的變化為：ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4；則電橋輸出為：

若ΔR1=ΔR4=－ΔR2=－ΔR3=ΔR，則有

差動全橋連接電路2.2.6電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補償措施1.溫度誤差產(chǎn)生的原因?qū)嶋H上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測試件的溫度)影響很大。

由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，從而產(chǎn)生很大的測量誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差，又稱熱輸出。

因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素：應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。

設(shè)環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為Δt（℃）時，粘貼在試件表面的應(yīng)變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為α

，則應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻相對變化為

由于敏感柵材料和被測構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當Δt存在時，引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變，相應(yīng)的電阻相對變化為

βg—試件材料線膨脹系數(shù)；βs—敏感柵材料線膨脹系數(shù)。

K——應(yīng)變片靈敏系數(shù)。溫度變化形成的總電阻相對變化：

相應(yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)樯鲜綖閼?yīng)變片粘貼在試件表面上，當試件不受外力作用，在溫度變化Δt時，應(yīng)變片的溫度效應(yīng)。用應(yīng)變形式表現(xiàn)出來，稱之為熱輸出。可見，應(yīng)變片熱輸出的大小不僅與應(yīng)變計敏感柵材料的性能(α,βs)有關(guān)，而且與被測試件材料的線膨脹系數(shù)(βg)有關(guān)。2.溫度誤差補償方法1）單絲自補償由前式知，若使應(yīng)變片在溫度變化Δt時的熱輸出值為零，必須使每一種材料的被測試件，其線膨脹系數(shù)βg都為確定值，可以在有關(guān)的材料手冊中查到。

在選擇應(yīng)變片時，若應(yīng)變片的敏感柵是用單一的合金絲制成，并使其電阻溫度系數(shù)α和線膨脹系數(shù)βs

滿足上式的條件，即可實現(xiàn)溫度自補償。（1）自補償法2）雙絲自補償如圖,應(yīng)變片由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達到一定的溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實現(xiàn)溫度補償。這種應(yīng)變片的自補償條件要求粘貼在某種試件上的兩段敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號相反。（2）橋路補償法敏感柵由同符號電阻溫度系數(shù)的兩種合金絲串接而成，工作柵R1接入工作臂，補償柵R2外接串接電阻RB(不敏感溫度影響)接入補償臂，當溫度變化時，只要電橋工作臂和補償臂的熱輸出相等或相近，就能達到熱補償目的。1）雙絲半橋式2）補償塊法R1貼在試件上，接入電橋工作臂，R2貼在與試件同材料、同環(huán)境溫度，但不參與機械應(yīng)變的補償塊上，接入電橋相鄰臂作補償臂，補償臂產(chǎn)生與工作臂相同的熱輸出，通過電橋，起到補償作用。巧妙地安裝應(yīng)變片可以起補償作用并提高靈敏度。將兩個應(yīng)變片分別貼于測懸梁上下對稱位置，R1、RB特性相同，所以兩電阻變化值相同而符號相反。因而電橋輸出電壓比單片時增加1倍。當梁上下溫度一致時，RB與R1可起溫度補償作用。（3）差動電橋法單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級

PART04應(yīng)用5.2.6電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用5.2應(yīng)變式傳感器1.柱（筒）式力傳感器5.2應(yīng)變式傳感器2.環(huán)式力傳感器2.2應(yīng)變式傳感器3.懸臂梁式力傳感器(a)正視圖(b)俯視圖等強度梁式力傳感器(a)正視圖(b)俯視圖等截面梁式力傳感器4.電阻式壓力傳感器膜片式壓力傳感器5.電阻式液體重量傳感器荷重傳感器用于測量汽車衡的原理應(yīng)變加速度感應(yīng)器單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級48

壓阻式傳感器單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級

目錄結(jié)構(gòu)與分類測量電路應(yīng)用單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級

PART01結(jié)構(gòu)與分類是利用硅的壓阻效應(yīng)和微電子技術(shù)制成的，是一種新的物性型傳感器。優(yōu)點：靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、精度高、易于微型化和集成化等。壓阻式傳感器1.壓阻效應(yīng)單晶硅材料在受到應(yīng)力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象被稱為壓阻效應(yīng)。固體材料受到壓力后，它的電阻率將發(fā)生一定的變化，所有的固體材料都有這個特點，其中以半導體最為顯著。利用壓阻效應(yīng)將壓力變化轉(zhuǎn)換成電阻變化來實現(xiàn)壓力的測量的裝置稱為壓阻式壓力傳感器。壓阻式傳感器用壓敏電阻制成的器件有兩類:一種是利用半導體材料制成黏貼式的應(yīng)變片;另一種是在半導體的基片上用集成電路的工藝制成擴散型壓敏電阻，用它作傳感器元件制成的傳感器，稱為固態(tài)壓阻式傳感器，也叫擴散型壓阻式傳感器。利用壓阻效應(yīng)制成的電阻稱為固態(tài)壓敏電阻。壓阻式傳感器單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級

PART02測量電路壓阻式傳感器如左圖(a)圖所示，是在硅片上制造出4個等值