1、第一節(jié)第一節(jié)應(yīng)變式傳感器的基本原理和結(jié)構(gòu)應(yīng)變式傳感器的基本原理和結(jié)構(gòu)(Principle(PrincipleStructureStructureofofStrainStrainGages)Gages)電阻式傳感器的基本原理將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成傳感器元件電阻值的變化，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。其類型很多，常用來測(cè)量力、壓力、位移、應(yīng)變、扭矩、加速度等，是目前使用最廣泛的傳感器之一。電阻式傳感器中的傳感元件有應(yīng)變片、半導(dǎo)體膜片、電位器等

2、。由它們分別制成了應(yīng)變式傳感器、壓阻式傳感器、電位器式傳感器等。本節(jié)是重點(diǎn)。應(yīng)變式傳感器基本上是利用金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量輸出的一種傳感器。這類傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕，使用方便，性能穩(wěn)定可靠，分辨率高，靈敏度高，價(jià)格又便宜，工藝較成熟。因此在航空航天、機(jī)械、化工、建筑、醫(yī)學(xué)、汽車工業(yè)等領(lǐng)域有很廣的應(yīng)用。一.工作原理工作原理（理解、掌握）（理解、掌握）（一）金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)（一）金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)金屬絲在外力作用

3、下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。設(shè)有一段長(zhǎng)為l，截面積為A，電阻率為ρ的導(dǎo)體(如金屬絲)，它具有的電阻為：AlR??(21)當(dāng)它受到軸向力F而被拉伸(或壓縮)時(shí)，其l、A和ρ均發(fā)生變化，如圖21所示，因而導(dǎo)體的電阻隨之發(fā)生變化。通過對(duì)式(21)兩邊取對(duì)數(shù)后再作微分，即可求得其電阻相對(duì)變化：??dAdAldlRdR???(22)代入式(23)，并考慮到實(shí)際上ΔRR，故可得??????????

4、mKCRdR?????2121(25)式中??????2121????CKm——金屬絲材的應(yīng)變靈敏系數(shù)(簡(jiǎn)稱靈敏系數(shù))。上式表明：金屬材料的電阻相對(duì)變化與其線應(yīng)變成正比。這就是金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)。對(duì)于金屬材料，??????21210?????CKKm?？梢娝蓛刹糠纸M成：前部分為受力后金屬絲幾何尺寸變化所致，一般金屬μ≈0.3，因此(12μ)≈1.6；后部分為電阻率隨應(yīng)變而變的部分。以康銅為例，C≈1，C(12μ)≈0.4，所以此

5、時(shí)K0=Km≈2.0。顯然，金屬絲材的應(yīng)變電阻效應(yīng)以結(jié)構(gòu)尺寸變化為主。對(duì)其他金屬或合金Km=1.8～4.8。2.2.半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)史密茲(C.S.Smith)等學(xué)者很早發(fā)現(xiàn)，鍺、硅等單晶半導(dǎo)體材料具有壓阻效應(yīng)(piezesistiveeffect)(詳見第11章)：??????Ed??(26)式中σ——作用于材料的軸向應(yīng)力；π——半導(dǎo)體材料在受力方向的壓阻系數(shù)；E——半導(dǎo)體材料的彈性模量