第4章应变式传感器4.1工作原理4.2应变片的种类、材料及粘贴4.3电阻应变片的特性4.4应变式传感器的测量电路4.5应变式传感器的应用l应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器,是常用的传感器之一。应变式传感器的核心元件是电阻应变计（应变片）。l应变式传感器结构简单，尺寸小，重量轻，使用方便，性能稳定可靠，分辨率高，灵敏度高，价格又便宜，工艺较成熟。因此在航空航天、机械、化工、建筑、医学、汽车工业等领域有很广的应用。各种电子秤动态电子秤高精度电子汽车衡电子天平吊秤机械秤包装机4.1电阻应变片的工作原理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，这种效应称为电阻应变效应。一个长度为l，截面积为A，电阻率为ρ的导体l金属丝电阻R=rA当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了dρ，从而引起电阻值相对变化量为dRdldAdr=-+RlArdln轴向应变e=ldAdrdrdln径向应变=2=-m=-meArrl式中,μ为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变轴向方向相反。dr得:dRrK=R=1+2m+ee通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量。dRdrrK=R=1+2m+ee灵敏系数K的影响因素：n一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ；n另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（dρ/ρ）/ε。n对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2μ的值要比(dρ/ρ)/ε大得多，n半导体材料的(dρ/ρ)/ε项的值比1+2μ大得多。n大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。半导体应变片半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为dRdrrR=(1+2m)+ee式中dρ/ρ为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为dr=p×s=p×E×erdR=(1+2m+pE)eR实验证明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为dRK=R=p×Ee半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高50～80倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的应用范围受到一定的限制。三、应变测试原理用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。ü当测得应变片电阻值变化量为ΔR时，便可得到被测对象的应变值。dRK=R=p×Eeü根据应力与应变的关系，得到应力值σ为σ=E·ε4.2应变片的种类、材料及粘贴4.2.1金属电阻应变片的种类引线覆盖层基片bl电阻丝式敏感栅1.金属丝式应变片金属丝式应变片有回线式和短接式二种，如图2.3所示。a、c回线式b、d短接式回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，但其应变横向效应较大。短接式应变片两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。常用材料：康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。2.金属箔式应变片它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.003～0.01mm的金属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。优点：①.可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长l可做到0.2mm，以适应不同的测量要求；②.与被测件粘贴结面积大；③.散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；④.横向效应小。⑤.蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。缺点：电阻值的分散性比金属丝的大，有的相差几十欧姆，需做阻值调整。在常温下，金属箔式应变片已逐步取代了金属丝式应变片3.金属薄膜应变片它是薄膜技术发展的产物。采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，可达－197～317℃缺点：难于控制电阻与温度和时间的变化关系。4.2.2金属电阻应变片的材料对电阻丝(敏感栅)材料应有如下要求：①灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数；②ρ值大，即在同样长度、同样横截