電阻式傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)圖解分析

電阻式傳感器種類繁多，應(yīng)用廣泛，其基本原理就是將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路顯示或記錄被測量值的變化。

9.2.1 電阻應(yīng)變式傳感器

??? 應(yīng)變式傳感器是基于測量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的一種傳感器，最常用的傳感元件為電阻應(yīng)變片。

應(yīng)用范圍：可測量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)。

應(yīng)變式傳感器特點(diǎn)

變式傳感器特點(diǎn)

①精度高，測量范圍廣；

②使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠；

③結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕；

④頻率響應(yīng)較好，既可用于靜態(tài)測量又可用于動態(tài)測量；

⑤價(jià)格低廉，品種多樣，便于選擇和大量使用。

1、應(yīng)變式傳感器的工作原理

(1) 金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)

???? ? 金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。

??? ?????????? 公式推導(dǎo)：

若金屬絲的長度為L，截面積為S，電阻率為ρ，其未受力時(shí)的電阻為R，則:

(9.1)

??? 如果金屬絲沿軸向方向受拉力而變形，其長度L變化dL，截面積S變化dS，電阻率ρ變化 ，因而引起電阻R變化dR。將式(9.1)微分，整理可得:

(9.2)

對于圓形截面有：

(9.3)

??? 為金屬絲軸向相對伸長，即軸向應(yīng)變；而 則為電阻絲徑向相對伸長，即徑向應(yīng)變，兩者之比即為金屬絲材料的泊松系數(shù)μ，負(fù)號表示符號相反，有:

(9.9)

將式(9.9)代入(9.3)得:

(9.5)

將式(9.5)代入(9.2)，并整理得：

(9.6)

或

(9.7)

K0稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化。

K0稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化。

? ????? 公式簡化過程：

由式 可以明顯看出，金屬材料的靈敏系數(shù)受兩個(gè)因素影響：

一個(gè)是受力后材料的幾何尺寸變化所引起的，即 項(xiàng)；另一個(gè)是受力后材料的電阻率變化所引起的，即 項(xiàng)。對于金屬材料 項(xiàng)比 項(xiàng)小得多。大量實(shí)驗(yàn)表明，在電阻絲拉伸比例極限范圍內(nèi)，電阻的相對變化與其所受的軸向應(yīng)變是成正比的，即K0為常數(shù)，于是可以寫成：

通常金屬電阻絲的K0=1.7～4.6。

通常金屬電阻絲的K0=1.7～4.6。

(2) 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測量原理

??? 應(yīng)變式傳感器是將應(yīng)變片粘貼于彈性體表面或者直接將應(yīng)變片粘貼于被測試件上。彈性體或試件的變形通過基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵，其電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，即可測量應(yīng)變。若通過彈性體或試件把位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變，則可測量上述各量，而做成各種應(yīng)變式傳感器。