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。