第3章力与压力测量传感器

RLS RLS
(3-2)
经过整理，可得下式:
R(12) (3-3)
R
2020/11/18
10
❖ 式中，μ为为泊松比，定义为材料在单向受拉或受压
时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值。如果
令:
k0
12
(3-4)
则有:
R R
k0
(3-5)
式中，ε=ΔL/L为金属导体电阻丝的纵向应变；k0为电阻
丝的灵敏系数，即单位应变所引起的电阻的相对变化。
2020/11/18
11
❖ 由式(3-4)可知，电阻丝的灵敏系数受两个因素的影响：
一是(1+2μ)，它是由电阻丝几何尺寸改变引起的，对
某种材料来说，它是常数；另一个是（Δρ/ρ）/ε，对
于同一种金属材料，其值也是常数，但比(1+2μ)小很
多，可以忽略，故k0≈1+2μ。理论与实验证明，对于 每一种电阻丝，在一定的相对变形范围内，金属材料 的灵敏系数k0将保持不变。 ❖ 因此，由式（3-5）可知，当金属电阻丝受到外界应力 的作用时，其电阻的变化与受到应力的大小成正比。
即金属导体电阻丝的电阻的相对变化率与电阻丝的应
变呈线性关系变化，这就是金属电阻应变式的工作原 理。
2020/11/18
12
（2）应变片的结构
❖ 常用的金属应变片分为电阻丝应变片和箔式应变片。
它们基本结构大体相同，由敏感栅、基底、覆盖层、
引线和黏结剂组成。
引出线
覆盖层
基片
b
2020/11/18
l
电阻丝
第3章力与压力测量传感器
实用传感器技术教程
2
2020/11/18
第3章 力与压力测量传感器
3.1 电阻式压力传感器
1.2
3.2 压电式传感器 3.3 差动变压器式传感器
1.2
3.4 集成压力传感器 3.5 压磁式传感器
1.2
3.6 力与压力测量传感器性能比较
2020/11/18
3
❖本章要点
❖电阻式、压电式、差动变压器式、压磁式与集 成式压力传感器等压力测量传感器结构与工作 原理
m
卸载特性曲线之间的最大差值
m
Δεm称为应变片的机械滞后值。
2020/11/18
15
（3）电阻应变传感器主要特性
❖ 3) 零漂和蠕变
已粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定，试 件上没有机械应变的情况下，应变片的指示会随着时 间增长而逐渐变化，这就是应变片的零点漂移，简称 零漂。
已粘贴的应变片，温度保持恒定，在承受某一恒定 的机械应变长时间作用下，应变片的指示会随时间的 变化而变化，这种现象称为蠕变。一般来说，蠕变的 方向与原来应变量变化的方向相反。
❖压力测量传感器的特性参数、测量电路与温度 补偿方法
❖压力测量传感器性能及应用范围比较
❖压力测量传感器应用实例
2020/11/18
4
3.1 电阻式压力传感器
3.1.1金属电阻应变式传感器
金属电阻应变式传感器是利用应变效应原理制成的 一种测量微小机械变化量的传感器。它是由弹性元件 和电阻应变片构成。当弹性元件感受被测物理量时， 其表面产生应变，粘贴在弹性元件表面的电阻应变片 也产生应变，其阻值将随着弹性元件的应变而变化。 通过测量电阻应变片的电阻值，可以用来测量被测的 物理量。金属电阻应变传感器具有结构简单、测量精 度高、使用方便、动态性能好等特点，被广泛应用于 测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数。
二是当环境温度变化Δt时，由于敏感材料和试件材 料的膨胀系数不同，应变片产生附加的形变，从而引 起电阻的相对变化。
2020/11/18
17
（3）电阻应变传感器主要特性
❖ 5) 应变极限与疲劳寿命 100％
❖
应变片的应变极限是指在一定温度下， 应变片的指示应变εi与试件的真实应 9 0 ％
变εm的相对误差达到规定值（一般为
2020/11/18
16
（3）电阻应变传感器主要特性
❖ 4) 温度效应
粘贴在试件上的电阻应变片，除感受机械应变而产 生电阻相对变化外，在环境温度变化时，也会引起电 阻的相对变化，产生虚假应变，这种现象称为温度效 应。温度变化对电阻应变片的影响是多方面的，这里 仅考虑两种主要影响：
一是当环境温度变化Δt时，由于敏感栅材料的电阻 温度系数αt的存在，引起电阻的相对变化；
L
图3-1金属电阻丝伸长后几何尺寸变化
8
F 2(rr)
❖ 设有一根电阻丝，如图3-1所示，它在未受到外力作用时的初始 电阻为Biblioteka RL S（3-1）
式中，ρ——电阻丝的电阻率； L——电阻丝的长度； S——电阻丝的截面积。
2020/11/18
9
❖ 当电阻丝在外力F的作用下被拉伸(或压缩)，则其ρ、L、S均发 生变化，变化量分别为Δρ、ΔL、ΔS。几何尺寸的变化引起电 阻值的变化，电阻值相应变化为ΔR，其电阻的相对变化量为 :
10%）时的真实应变值εj，如右图所
示。
i( R R )
❖ 对于已安装的应变片，在恒定幅值的 交变力作用下，可以连续工作而不产 生疲劳损坏的循环次数N称为应变片 O 的疲劳寿命。
j m
2020/11/18
18
❖ 6） 绝缘电阻和最大工作电流
❖ 应变片的绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的 电阻值Rm。通常要求Rm在50MΩ～100MΩ 以上。绝缘电阻 下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误 差。
14
（3）电阻应变传感器主要特性
❖ 2) 机械滞后
i
应变片安装在试件上以后，在一
定的温度下，应变片的指示应变εi
与试件机械应变εm应该是一个确
定关系，但实验表明，在加载和
卸载过程中，对同一机械应变量，
两过程的特性曲线并不重合，卸
载时的指示应变高于加载时的指
示应变，如图3-3所示，这种现象
称为应变片的机械滞后。加载和
13
（3）电阻应变传感器主要特性
❖1) 灵敏系数K
当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时，试件 受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使 其产生电阻相对变化ΔR/R。实验表明，在一定应变范 围内ΔR/R由下式确定：
R K R
式中:ε为应变片的纵向应变； K为应变片的灵敏系数。
2020/11/18
2020/11/18
5
2020/11/18
6
2020/11/18
7
1.1 传感器基本概念
1. 电阻应变片原理及主要特性
（1）工作原理 金属导体材料在受到外界力作用时，将产生机械变形， 机械变形会导致其电阻值变化，这种因形变而使其电阻
值发生变化的现象被称为“应变效应”。
L
2r
2020/11/18