传感器与检测技术：第二章电阻式传感器3.pdf

《传感器与检测技术：第二章电阻式传感器》 在现代科技和工业领域中，传感器扮演着至关重要的角色，其中电阻式传感器是应用最为广泛的一种。本文主要探讨的是电阻应变式传感器，它能够将力、压力、扭矩、位移、加速度等多种物理量转化为可测量的电阻变化。 2.1 应变式传感器的工作原理 电阻应变式传感器的核心是利用金属的应变效应。当金属丝受到外力作用，发生机械变形时，其电阻值也会随之改变。这一现象被称为电阻应变效应。通过数学公式我们可以表达为：RS = F * Δl / ΔS、Δρ，其中RS表示电阻变化率，F是作用力，Δl和ΔS分别代表长度和截面积的改变，Δρ则是电阻率的变化。根据材料力学，应变ε与应力σ之间的关系为ε = σ / E，其中E是材料的弹性模量。对于金属电阻应变片，其灵敏系数K0 ≈ 1+2μ，μ是泊松比，一般在0.3~0.5之间。这意味着应变片的电阻相对变化与应变呈正比。 2.1.1 金属应变片的类型与特性 金属应变片主要有三种结构形式：金属丝式、金属箔式和金属薄膜式。金属丝式应变片采用直径约为0.025mm的合金电阻丝，通过丝绕方式制作。金属箔式应变片则是在绝缘基底上利用精密工艺制作，具有尺寸准确、灵敏度高、横向效应小等优点。金属薄膜应变片是通过真空蒸发或沉积技术在绝缘基片上形成薄金属膜，具有更高的灵敏系数和更宽的工作范围。 2.1.2 温度误差与补偿 应变片的温度误差主要源于试件和敏感栅材料的线膨胀系数差异。温度变化Δt会导致附加的电阻变化，可通过设计补偿电路或者使用温度补偿应变片来减少这种误差。 2.1.3 测量电路 测量电阻应变片的电路通常包括桥路设计，如惠斯通电桥，这样可以有效地放大信号并减小非线性误差。通过调整桥路中的其他电阻，可以进一步优化温度补偿。 2.1.4 应用 电阻应变式传感器广泛应用在各种工程领域，如汽车工程、航空航天、生物医学、土木工程等，它们可以用来测量结构的应力状态、机械设备的动态负载，甚至人体的生理参数。 总结来说，电阻式传感器，尤其是电阻应变式传感器，是将力学量转化为电信号的关键技术。深入理解其工作原理、材料特性以及温度补偿方法，对于设计高效、精确的传感器系统至关重要。在实际应用中，选择合适的应变片类型，结合适当的测量电路和补偿策略，能确保传感器在各种复杂环境中提供可靠的数据。