应变电阻传感器

优缺点

　　1、优点

　　精度高，测量范围广,寿命长,结构简单，尺寸小，重量轻，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。

　　2、缺点

　　对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可采取一定的补偿措施。

　　因此它广泛应用于自动测试和控制技术中。

传感元件

　　应变电阻传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。

　　一、基本结构：1、粘合层 2、基地 3、粘合层 4、盖片 5、敏感栅 6、引出线

　　金属材料、半金属材料

　　二、工作原理

　　电阻应变效应是指金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。

　　应变片压阻效应：半导体材料在受到外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。

工作原理

　　应变电阻传感器的工作原理是基于电阻应变效应原理。用金属电阻丝制作成电阻应变片，将其粘贴在弹性体上。测量时，当弹性体受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。

　　电阻应变效应：

　　一段金属电阻丝长度为L，横截面为S，电阻率记作ρ，材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为：

　　R = ρL/S（Ω）

　　其中：L-金属导线长度 S-金属导线横截面积 ρ-电导率（不同材料电阻率不同）

　　当金属导线两端受拉力F伸长变形。设其伸长ΔL，横截面积则缩小，它的截面圆半径减少Δr。金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，这种现象称为电阻应变效应。

　　将变形后电导率记作Δρ，对式（2-1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，其电阻值改变了多少。我们有；

　　ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S   CΔSρL/S2 （2-2） 用式（2-1）去除式（2-2）得到

　　ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L   C ΔS/S （2-3） 另外，我们知道导线的横截面积 S =πr2，则 Δs = 2πr*Δr，所以；

　　ΔS/S = 2Δr/r （2-4）

　　从材料力学我们知道： Δr/r = -μΔL/L （2-5）

　　其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。把式（2-4）（2-5）代入（2-3）。

　　ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L =（1 + 2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L = K *ΔL/L （2-6）

　　其中：K = 1 + 2μ +（Δρ/ρ）/（ΔL/L） （２-７）

　　在材料力学中ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，常常把它的百万分之一作为单位，记作με。

　　这样，式（２-６）常写作：

　　ΔR/R = Kε

　　式（2-6））说明了电阻应变片的电阻变化率和电阻丝伸长率之间的关系。

　　结论：

　　1、当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化。

　　2、金属丝受外力作用而伸长时，长度增加，而截面积减少，电阻值会增大。

　　3、当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小，而截面增加，电阻值会减小。

　　4、阻值变化通常较小。

应用

　　1、将应变片粘贴于被测试件上，直接用来测定试件的应力或应变。

　　a)齿轮轮齿弯矩

　　b)飞机机身应力

　　c)立柱应力

　　d)桥梁应力

　　2、将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器，常用来测量力、位移、压力、加速度等参数。