传感器教案10-2电阻应变式压力检测.docx

班级： 09计控1、2班 日期：2011年4月29日 编号：10-2
教 学 目 的 与 要 求
项目三 力和压力检测
单元一 电阻应变式传感器测力
1、 了解和熟悉电阻应变原理；
2、 知道电阻应变式传感器测量电路。
(时间安排：2课时； 任课教师：朱其祥)
本 课 重 点 与 难 点
重点、难点: 电阻应变式传感器测量电路。
课 堂 进 程
次序
内 容
1
一、应变效应
2
二、电阻应变片的结构、材料和分类
3
三、电阻应变片的测量电路
4
四、电阻应变片的应用
5
五、小结
6
六、布置作业
7
七、板书安排

Δ复习上节课内容：（略）

Δ概述
力普遍存在于日常生活中。在科学研究和工农业生产中，力更是起着重要的作用。在生产过程中，压力检测与调节控制系统的应用非常广泛，例如锅炉蒸汽和水的压力监控；炼油厂减压蒸馏需要的低于大气的真空压力检测;在航空发动机试验研究中，为了研究发动机性能，必须测量过渡态的压力变化；电力系统中油路压力的测量和控制等。对压力监控是保证工艺要求、生产设备和人身安全，实现经济运行所必须的。
检测力的传感器主要有电阻应变式传感器、压电式传感器、电容式传感器、压阻式传感器、电感式传感器等，本项目主要介绍电阻应变式和压电式测力传感器。
电阻应变片及弹性敏感元件
电阻应变片（也称应变计或应变片）是电阻应变式传感器的核心元件，它是一种电阻传感器，主要由弹性敏感元件或试件、电阻应变片和测量转换电路组成。它是把应变转换为电阻变化，再用相应的测量电路将电阻转换成电压输出的传感器。利用电阻应变式传感器可以直接测量力，也可以间接测量位移、形变、加速度等参数。常用的电阻应变片有电阻丝应变片和半导体应变片两种。
一、应变效应
电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械形变时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。
由电工学可知，金属丝电阻R可用下式表示：

式中──电阻率，Ω·M；L──电阻丝长度，M；A──电阻丝截面积，M2。
当沿金属丝的长度方向施加均匀力时，上式中Ρ、R、L 都将发生变化，导致电阻值发生变化。即得到以下结论：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；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。阻值变化通常较小。
实验证明，电阻应变片的电阻应变ΕR=∆R/R与电阻应变片的纵向应变ΕX的关系在很大范围内是线性的，即
其中 ∆ R/ R ── 电阻应变片的电阻应变；K ── 电阻丝的灵敏度。
式中的ΕR代表了被测件在应变片的应变。严格来讲，由于试件与应变片之间存在蠕变等影响，所以应变片与试件这两者的应变是有差异的，但差异并不很大，工程上允许忽略，但却存在一大弱点，就是灵敏度低,一般为 2.0～3.6。

二、电阻应变片的结构、材料和分类
电阻应变片的典型结构如图所示，由敏感栅、基底、覆盖层和引线等部分组成。

无论哪种形式的金属应变片，对敏感栅的金属材料都有以下基本要求：
1.灵敏系数要大，且在所测应变范围内保持不变；2. Ρ要大而稳定，以便于缩短敏感栅长度；
3.抗氧化、耐腐蚀性好，具有良好的焊接性能；4.电阻温度系数要小；5. 机械强度高，具有优良的机械加工性能。
电阻应变片的分类：
按电阻应变片敏感栅材料不同，可分为金属应变片和半导体应变片两大类。

（A)丝式应变片；(B)箔式应变片；(C)半导体应变片
1—基底；2—应变丝或半导体；3—引出线；4—焊接电极；5—外引线

三、电阻应变片的测量电路
（一） 直流电桥平衡条件
当RL→∞时，电桥输出电压为

（二） 电压灵敏度
R1为电阻应变片，R2、R3、R4为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。

N=1时，为最大值：

当电源电压E和电阻相对变化量一定时，电桥的输出电压也是定值，与各桥臂电阻阻值大小无关。
（三） 电阻应变片的温度补偿方法
1 .补偿块补偿法

电桥输出电压UO与桥臂参数的关系为

工程上，一般按R1=RB=R3=R4选取桥臂电阻。当温度升高或降低∆T =T-TO时，两个应变片因温度相同而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态，即

若此时被测试件有应变的作用，则工作应变片电阻R1有新的增量∆R1，而补偿片不承受应变，故不产生新的增量，此时电桥输出电压为

由上式可知，电桥的输出电压UO仅与被测试件的应变电阻有关，而与环境温度无关。
2．桥路自补偿法
当测量桥路处于双臂半桥和全桥工作方式时，电桥相邻两臂受温度影响，同时产生大小
相等，符号相同的电阻增量而互相抵消，从而达到桥路温度自补偿的目的。

四、电阻应变片的应用——模拟电子称实验电路

电子称是将转换成电信号的称重传感器。电子台秤不仅能快速、准确地称出商品的重量，用数码显示出来，而且具有计算器的功能，使用起来更加方便。

其他应用：
1、电阻应变式纱线张力测量
2、筒式压力传感器
3、膜片压力式传感器
4、组合式压力传感
5、力和扭矩传感器
6、应变式加速度传感器

五、小结：
通过本训练熟悉电阻应变片的结构和种类，掌握应变片测量力的工作原理，掌握直流电桥的工作原理和有关特性，熟悉电阻应变式传感器测量电路。

六、布置作业：
P44 一、二、三、四、五

七、板书安排
黑板分为三个部分：左边为标题，不擦除。中部为具体讲解，更新擦除。右边以图形为主，也可以写临时性内容。