4.2 电阻应变式传感器解析
电阻应变传感器 原理
电阻应变传感器原理
电阻应变传感器是一种广泛应用于工程测量和控制领域的传感器，它利用物体在受力作用下的形变和电阻的相关性质来实现对物体受力的测量。
该传感器的工作原理可以简单描述如下。
电阻应变传感器由一个弹性元件和一个电阻片组成。
当该传感器受到外力作用时，弹性元件会发生形变，导致电阻片的电阻值发生变化。
这种变化是因为金属电阻的本构关系，即电阻随着材料长度或截面积的变化而变化。
一般情况下，电阻应变传感器中的电阻片是通过薄膜或细丝的方式制造的，以增加其敏感度和可靠性。
当物体受到外力作用时，传感器中的弹性元件会发生微小的形变，导致电阻片的长度或截面积发生微小的变化。
这些变化会引起电阻值的变化，进而产生电阻应变信号。
为了测量这种微小的变化，电阻应变传感器通常与电桥电路结合使用。
电桥电路由四个电阻组成，其中一个电阻是电阻应变传感器的电阻片。
当电阻值发生变化时，电桥电路会产生一个输出电信号，其大小与电阻值的变化成正比。
通过测量输出电信号的大小，我们就可以得到物体受力的信息。
电阻应变传感器具有灵敏度高、精度较高、可靠性好等优点。
它广泛应用于工程测量、力学实验、压力测量、称重装置等领域。
同时，电阻应变传感器还可以与其他测量仪器和控制系统相连接，实现对物体受力的实时监测和控制。
电阻应变式传感器的工作原理
电阻应变式传感器的工作原理
电阻应变式传感器是一种常用的传感器，它可以将物体的应变转化为电阻的变化，从而实现对物体应变的测量。
其工作原理主要是利用电阻在受力作用下产生的应变效应，通过测量电阻值的变化来确定物体的应变情况。
首先，我们来了解一下电阻应变式传感器的基本结构。
它由电阻应变片、支撑件、固定件、连接线等部分组成。
其中，电阻应变片是传感器的核心部件，它通常由金属材料制成，具有一定的弹性。
当外力作用于物体表面时，电阻应变片会发生形变，从而导致其电阻值发生变化。
这种变化可以通过连接线传输到测量仪器中进行检测和分析。
其次，我们来看一下电阻应变式传感器的工作原理。
当外力作用于物体表面时，物体会产生应变，即单位长度内的形变量。
电阻应变片固定在物体表面上，随着物体的应变而产生相应的形变，从而使得电阻值发生变化。
这种变化可以通过连接线传输到测量仪器中，并经过放大、滤波等处理后，最终得到物体的应变情况。
在实际应用中，电阻应变式传感器通常被安装在需要测量应变的物体表面上。
当物体受到外力作用时，电阻应变片会产生相应的应变，从而使得电阻值发生变化。
通过测量仪器对电阻值的变化进行监测和分析，就可以得到物体的应变情况。
这种测量方法简单、灵敏，可以广泛应用于工程、科研等领域。
总的来说，电阻应变式传感器的工作原理是利用电阻在受力作用下产生的应变
效应，通过测量电阻值的变化来确定物体的应变情况。
它具有结构简单、测量精度高、响应速度快等优点，因此在工程、科研等领域得到了广泛的应用。
希望通过本文的介绍，能够让大家对电阻应变式传感器有更深入的了解。
电阻应变式传感器的工作原理及应用
成本较高
电阻应变式传感器的制造成本 较高，价格相对较贵。
对激励电源要求高
电阻应变式传感器需要稳定的 激励电源，对电源的要求较高
。
05 发展趋势与展望
技术创新与改进
微型化
随着微电子和纳米技术的发展， 电阻应变式传感器正朝着微型化 方向发展，以提高测量精度和灵
敏度。
智能化
集成化、智能化的传感器已成为趋 势，通过与微处理器和算法结合， 实现自校准、自补偿和自适应等功 能。
电阻应变片的结构与工作原理
01 基底
02 敏感栅
03 引线
04 盖片
05 工作原理
支撑电阻丝并传递应力的 介质。
由金属丝或金属箔制成的 敏感元件，用于感受形变 并产生电阻变化。
连接敏感栅与测量电路的 导线。
保护敏感栅和引线的覆盖 层。
当被测物体受到外力作用 时，粘贴在其上的电阻应 变片会随之产生形变，导 致敏感栅的电阻值发生变 化。通过测量电路可以测 量出电阻值的变化，从而 推算出受力的大小。
传感器简介
电阻应变式传感器由敏感元件、转换元件和测量电路组成， 其中敏感元件负责感知被测量的变化，转换元件将敏感元件 输出的应变信号转换为电信号，测量电路则对电信号进行测 量和输出。
电阻应变式传感器的敏感元件通常采用金属箔、金属丝等材 料，当受到外力作用时，这些材料会发生形变，导致其电阻 值发生变化，从而输出相应的电信号。
多功能化
为了满足复杂环境下的测量需求， 电阻应变式传感器正朝着多功能化 方向发展，如压力、温度、湿度等 多参数测量。
应用领域的拓展
医疗健康
01
用于监测生理参数，如血压、心电等，为医疗诊断和治疗提供
支持。
智能制造
电阻应变式传感器的工作原理
电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器是一种常用的传感器，它可以将被测物体的应变变化转化为电阻值的变化，从而实现对被测物体应变的测量。
其工作原理主要包括应变测量原理和电阻变化原理两个方面。
首先，我们来看看电阻应变式传感器的应变测量原理。
当外力作用于被测物体时，物体会产生应变，即单位长度或单位面积上的形变。
而电阻应变式传感器的测量原理就是利用被测物体在受力作用下产生的微小应变，使其表面上的电阻值发生相应的变化。
这种应变导致了电阻值的变化，进而实现了对应变的测量。
其次，电阻应变式传感器的电阻变化原理也是其工作原理的重要部分。
在电阻应变式传感器中，通常会使用一种特殊的材料制成弹性应变片，当被测物体产生应变时，这些应变片也会受到影响而发生微小的形变。
这种形变会导致应变片上的电阻值产生相应的变化，从而实现了对应变的测量。
总的来说，电阻应变式传感器的工作原理是利用被测物体在受力作用下产生的微小应变，使其表面上的电阻值发生相应的变化，从而实现了对应变的测量。
通过测量电阻值的变化，我们可以准确地了解被测物体所受到的应变情况，为工程实践和科学研究提供了重要的数据支持。
除此之外，电阻应变式传感器还具有灵敏度高、响应速度快、可靠性高等优点，因此在工业自动化控制、航空航天、汽车工业、建筑工程等领域得到了广泛的应用。
它不仅可以用于测量金属、非金属材料的应变，还可以用于测量温度、压力等物理量，因此在工程领域具有重要的地位和作用。
综上所述，电阻应变式传感器的工作原理是基于应变测量原理和电阻变化原理，通过对被测物体产生的微小应变和电阻值的变化进行测量，从而实现了对应变的准确测量。
它在工业领域有着广泛的应用前景，对于提高生产效率、保障产品质量具有重要的意义。
电阻应变式传感器的原理
电阻应变式传感器的原理电阻应变式传感器是一种常用的力量和力测量传感器，工作原理是基于材料的电阻变化与应变的线性关系。
当外力作用于电阻应变式传感器时，材料会发生应变，导致电阻值的变化。
通过测量电阻的变化量，可以间接获得外力的大小。
电阻应变式传感器通常由弹性体材料制成，如金属。
它的结构包括一个弹性体材料的梁或片状结构，上面固定有电阻应变片。
在正常情况下，电阻应变片是静止的，电阻值保持不变。
当外力作用于弹性体材料时，它会发生形变，导致电阻应变片的尺寸和形状发生变化，从而改变了电阻值。
电阻应变式传感器的电阻变化原理是基于电阻材料的几何形状改变和电阻率的变化。
当外力作用于电阻应变片时，它的长度、宽度和厚度等尺寸会发生微小的变化，导致电阻值的变化。
这是因为电阻应变片作为一个弹性体，其几何形状和尺寸改变会导致电阻率的变化。
电阻率是电阻与材料的几何形状和材料特性有关，当这些参数发生变化时，电阻率也会发生变化。
在电阻应变式传感器中，电阻率的变化主要是由于应变引起的。
应变是弹性体材料在受力下发生的形变。
它可以是拉伸应变、压缩应变或剪切应变。
不同的应变类型对应不同的电阻变化。
例如，当传感器受到拉伸应变时，电阻应变片的长度会增加，宽度和厚度会减小，导致电阻值的增加。
相反，当传感器受到压缩应变时，电阻应变片的长度会减小，宽度和厚度会增加，导致电阻值的减小。
为了测量电阻的变化，电阻应变式传感器通常采用电桥电路。
当传感器的电阻值发生变化时，电桥电路会产生电压输出。
这个输出信号可以被放大和处理，最终转换为可用的电信号，如电压或电流。
通过测量输出信号的大小，可以获取外力的大小，从而实现对力量和力的测量。
电阻应变式传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高等优点，广泛应用于工业自动化、结构健康监测、航空航天等领域。
在实际应用中，需要根据具体的测量要求选择合适的电阻应变式传感器，包括合适的材料、结构和测量范围等。
此外，还需要考虑温度对电阻值的影响，以及传感器的防护和保护措施，以确保测量的准确性和可靠性。
电阻应变式传感器工作原理及应用
电阻应变式传感器工作原理及应用电阻应变式传感器是一种常见的传感器类型，它基于电阻的变化来检测物体或环境的应变。
本文将介绍电阻应变式传感器的工作原理和常见应用。
电阻应变式传感器的工作原理主要基于金属电阻的特性。
金属材料在受力作用下会发生应变，即物体的形状和尺寸会发生改变。
当金属材料发生应变时，其电阻值也会发生变化。
电阻应变式传感器利用这一原理，通过测量电阻值的变化来反映物体的应变情况。
电阻应变式传感器一般由金属应变片和电阻组成。
金属应变片是一个非常薄的金属片，可以粘贴或焊接在需要测量应变的物体上。
当物体发生应变时，金属应变片也会发生相应的应变。
应变片上的电阻会因为应变而发生变化。
电阻应变式传感器中的电阻通常采用导线电阻，如铜线或铂电阻。
当应变片发生应变时，导线电阻的长度和截面积都会发生变化，从而改变电阻值。
通过测量电阻的变化，可以间接地得知物体的应变情况。
电阻应变式传感器的应用广泛。
它可以用于测量力的大小和方向，例如测量桥梁、建筑物和船舶等结构物的应变。
同时，电阻应变式传感器也可以用于测量压力、应力和扭矩等物理量。
例如，它可以用于测量管道中的流体压力，以及机械设备中的扭矩大小。
电阻应变式传感器还可以用于工业自动化领域。
通过将传感器连接到控制系统中，可以实现对物体或设备的实时监测和控制。
例如，在汽车制造过程中，电阻应变式传感器可以用于监测车身的变形情况，以确保车身的质量符合标准要求。
除了上述应用外，电阻应变式传感器还可以用于测量温度、湿度和流量等参数。
通过将传感器与相应的测量电路结合，可以实现对这些参数的精确测量和控制。
总结起来，电阻应变式传感器是一种基于电阻变化来检测物体或环境应变的传感器。
它的工作原理简单且可靠，应用范围广泛。
无论是在工业生产中，还是在科学研究和日常生活中，电阻应变式传感器都发挥着重要的作用。
通过不断的技术创新和应用拓展，相信电阻应变式传感器将在更多领域发挥重要作用。
电阻应变式传感器的原理
电阻应变式传感器的原理电阻应变式传感器是一种常用的力、应力、压力或位移等物理量测量传感器。
它的原理基于金属材料的电阻随应变而发生变化的特性。
其基本构造由应变片（金属箔片）、固定基座、电缆和连接引线等组成。
首先，我们来了解一下金属材料的电阻特性。
金属在外力作用下会发生弹性体变形，其形状、尺寸和电阻值都会发生变化。
根据欧姆定律，金属导体的电阻值与导体截面积、长度和电阻率有关。
当金属材料变形时，导体截面积和长度都会发生变化，从而导致电阻值的变化。
电阻应变片是电阻应变式传感器的核心部件，它通常由金属箔片制成，并固定在传感器的基座上。
当外力作用于传感器时，应变片会发生弹性变形，其中一侧拉伸，另一侧压缩，导致应变片截面积和长度都发生变化。
应变片上有一个或多个刻线，称为应变片电阻悬臂。
其主要作用是用于测量应变片的电阻变化。
在应变片上连接一个桥式电路，其中两个悬臂的电阻与两个边缘悬臂的电阻串联，并且与电源和电荷放大器相连。
当外力作用于应变片时，悬臂的电阻值会发生变化，从而导致整个电桥的电阻发生变化。
电桥电阻的变化会引起输出电压的变化。
如果电桥平衡时输出电压为零，则当外力施加到应变片时，输出电压将不再为零。
这个输出电压的变化可以用来测量外力的大小。
通常使用称为Wheatstone电桥的平衡电桥来实现。
在使用电阻应变式传感器时，需要注意以下几个因素：首先是电源电压的稳定性，电源电压的波动会对输出的准确性产生影响；其次是温度的影响，金属材料的电阻值随着温度的变化而变化，因此需要对温度进行补偿；最后是应变片的选择，根据测量对象的应变量，选择合适的应变片进行测量。
总结来说，电阻应变式传感器的原理是利用金属材料的电阻随应变而变化的特性实现的。
通过应变片的变化，改变电桥电阻，从而测量外力的大小。
这种传感器在测量压力、力、应力和位移等物理量时广泛应用于工业、军事、航空航天等领域。
简要说明电阻应变式传感器的工作原理
简要说明电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器是一种常用的力、压力、重量等物理量测量设备，它是根据电阻的变化来测量被测量的物理量的。
电阻应变式传感器的工作原理是基于材料的电阻随形变的变化。
当物体受到外力作用而发生形变时，种群内部的原子或分子之间的相互作用力发生改变，导致物体材料的电阻发生变化。
根据霍尔特效应，当材料的长度或面积发生变化时，电阻值也会相应发生改变。
通过测量电阻的变化，可以推算出物体所受到的外力大小。
电阻应变式传感器主要由弹性敏感元件、电阻应变计、信号调理电路和输出设备四个部分组成。
弹性敏感元件是电阻应变式传感器的核心部分，它通常由金属材料制成，如金属细丝、薄膜或网格状结构。
当外力作用于敏感元件时，材料会发生变形，从而导致内部的原子或分子之间的相互作用力的改变。
这种变形使得敏感元件的长度或面积发生变化，进而导致电阻的改变。
电阻应变计是将敏感元件的变形转化为电阻值变化的装置。
一般采用的是悬臂梁或网格状的结构，以使得敏感元件在外力作用下产生较大的形变。
当敏感元件受到外力作用时，电阻应变计上的电阻值也会发生相应的变化。
信号调理电路是将电阻值的变化转化为电压或电流的变化，以便于传感器的信号处理和输出。
调理电路包括放大器、滤波器和AD转换器等电子元件，可以将微小的电阻变化放大为可测量和可识别的信号。
输出设备用于将经过信号调理电路处理后的信号输出。
按照需要，输出可以是模拟信号或数字信号，常见的输出设备有示波器、数据采集卡、显示屏等。
总结起来，电阻应变式传感器是通过测量电阻的变化来测量物理量的一种传感器。
其工作原理是基于材料的电阻随形变的变化，通过弹性敏感元件将外力的作用转化为电阻的变化，进而通过信号调理电路将变化转化为可测量和可识别的信号输出。
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r E
• • • • •
E 为半导体材料的弹性模 式中， r 为半导体纵向压阻系数； 量； 为沿半导体小条纵向的应变。 将式（4-20）代入式（4-17），得半导体应变片的电阻相 对变化量 dR
R (1 2 ) r E
• 上式中第一项是由几何形状变化而引起的电阻相对变化量， 其值很小，约为1～2；第二项是由压阻效应引起的，其值 约为第一项的50～70倍，故第一项可忽略。因此上式可写 dR 成 r E k R k 称为半导体应变片的灵敏度系数。 • 式中， • 半导体应变片 – 突出的优点是灵敏度系数高，可测微小应变（一般600 微应变以下）；机械滞后小；动态特性好；横向效应 小；体积小。 – 其主要缺点是：电阻温度系数大；一般可达10－3/℃； 灵敏度系数随温度变化大；非线性严重；测量范围小。 因此，在使用时需采用温度补偿和非线性补偿措施。
看课件
4.2.2 电阻应变传感器的测量电路
• 由于电阻应变片工333微应变（约2 吨重的力）时，其电阻变化仅0.36Ω。 • 测量电路的任务是把微弱的电阻变化转换成电压或电流的 变化，因此常用直流电桥和交流电桥作为测量电路。 • 目前应变片电桥大都采用交流电桥，但由于直流电桥比较 简单，交流电桥原理与它相似，所以以直流电桥作分析, 如图4-11所示。
k 1 2 称为应变灵敏度系数。由于大多数金属材料的 0.3 ~ 0.5 • 式中， 之间，所以 k 在1.6~2.0之间。 • 金属电阻应变片具有分辨率高，非线性误差小；温漂系数小；测量范 围大，可从弹性变形一直测至塑性变形（1％～2％），可超载达20％； 既能测量静态应变，又能测量动态应变；价格低廉，品种繁多，便于 选择和大量使用等优点，因此在各行各业都广泛应用。
电阻丝应变片与半导体应变片有何区别？
• 不管是金属应变片，还是半导体应变片，都是基于材料的压阻效应— —应力使电阻发生改变的现象来工作的。（另外，也有采用压电效应 来工作的应变片。） 半导体应变片的特点：在较小功耗下具有较高 的灵敏度和较大的电阻变化。 金属应变片的特点：温度稳定性较好， 线性度高，应变范围大（可达到4%，而半导体应变片只能达到 0.3%），使用方便（可贴敷在弯曲表面上）。
Pmax I maxU max
2 U max R
通常允许最大工作电流 I max ，在静态测量时约取25mA左右， 动态测量时可更高一些。
金属电阻应变片
dR dl d d (1 2 ) (1 2 ) R l
• 式中第二项 d / 是由于受力后材料的电阻率发生变化而引起的，对 多数金属材料其值是个常数，往往甚小，可以忽略。式中第一项是由 电阻丝几何尺寸变化引起的，对某种材料来说，其值是常数。因此， 上式可写成为： dR (1 2 ) k R
图4-10 电阻应变片的基本形状
• 金属导体的应变效应
– 金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机 械变形 ( 伸长或缩短 ) 的变化而发生变化的现象。
• 根据电阻的定义式: R l / A； • 如果金属导体在外力作用下产生变化量∆ρ、∆l、∆A时， 其相对变化率为：
dR d dl dA R l A
dA dD 2 A D
• 对于直径为D的圆柱形截面电阻丝，因为A=лd2/4；故：
• 由材料力学知，横向收缩 r 和纵向伸长 的关系为： dD dl r D l
• 由上页的公式得出： dR
R
dl d d (1 2 ) (1 2 ) l
振动强烈、强磁场等恶劣环境条件下工作。
4.2.1 应变片的工作原理
• 图4-10示出了电阻应变片的基本形状。图中，L称为应变 片的标距或称为工作基长；b称为应变片的工作宽度。 • 金属导体的电阻随着它所受机械变形（伸长或缩短）的大 小而发生变化的现象，称为金属电阻的应变效应。这就是 电阻应变片赖以工作的物理基础。
4.2 电阻应变式传感器
• 电阻应变式传感器由电阻应变片和测量电路组成。其敏感 元件的电阻随着机械变形（伸长或缩短）的大小而变化。 它广泛应用于测量力和与力有关的一些非电参数（如压力、 荷重、扭力、加速度等）。 • 电阻应变传感器的特点是精度高，测量范围广；结构简单， 性能稳定可靠，寿命长；频率特性好，能在高温、高压、
金属电阻应变片
– 丝式:常用高电阻率的金属电阻丝制成，允许最大工作电流较小。 – 箔式:通过光刻、腐蚀等工序制成的一种很薄的金属箔栅，允许最 大工作电流较大，灵敏度高。 – 薄膜式:是采用真空蒸镀技术在薄的绝缘基片上蒸镀上金属电阻材 料薄膜，允许最大工作电流较大，灵敏度较高。
• 应变片电阻值通常有60、120、200、350、500、1000Ω几 种，其中以120Ω为最常用。 • 允许最大工作电流是指通过应变片而不影响其工作的最大 电流值。工作电流大，应变片输出信号就大，灵敏度高。 允许最大工作电流与应变片的允许最大功耗有关，即：
习题
1、一丝绕应变计的灵敏系数为2，初始阻值100，试求当试 件受力后的应变为时该应变计的电阻变化ΔR。 3 R R K 100 2 1 . 8 10 0.36 答：
半导体应变片
• 对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力 时，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称为半导体的 压阻效应。 半导体应变片是根据压阻效应原理工作的。 当沿某一晶轴方向切下一小条半导体应变片，若只沿其纵 向受到应力，其电阻率的变化量可由下式表示： d
• 下面分导体和半导体两种情况对 上式进行讨论：
– 金属电阻应变片（按结构形 式分） • 丝式 • 箔式 • 薄膜式 – 半导体应变片 • 体型半导体应变片 • 薄膜型半导体应变片 • 扩散型半导体应变片
a) 丝式
b) 箔式
金属电阻应变片结构 1 2 3 1 2 3 体型半导体应变片
• 金属电阻应变片常用的三种。