应变式电阻传感器

应变式电阻传感器
应变式电阻传感器概述
是利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器 工作原理： 当被测物理量作用于弹性元件上，弹性敏感元件在力、力矩或
压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递 给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电 路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。
称重配料系统
在加工化妆品、药品、饮料、沥青、塑料、橡胶等众多产品的生产
过程中，配料工序是一个重要环节，通常采用称重配料系统，完成 不同配方、物料的自动供料和配料。
其中称重配料系统的关键部分就是称重传感器，它影响着配料精度。
称重传感器是工业测量中使用较多的一种传感器，它是电子秤的 敏感元件，几乎运用到了所有的称重领域。称重传感器的量程从几 克到几百吨。
称重传感器根据制造原理不同可分为应变式、感应式、电容式、振
弦式等，其中应变式称重传感器在电子称重系统中应用最广泛。
这节课我们要学习的就是应变式电阻传感器。
应变式电阻传感器
变片粘贴到各种弹性敏感元件上，可构成各种参数的应变 式电阻传感器，应变式电阻传感器现已广泛应用于诸如航空、机械、 电力、化工、建筑等许多领域。
电 阻 应 变 片
应变片的应变效应
导体或半导体材料在外力作用下伸长或缩短时，它的电 阻值相应地发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应。
将应变片贴在被测物体上，使其随着被测物的应变一起 伸缩，这样应变片里面的金属材料就随着外界的应变伸长或 缩短，其阻值也相应地变化。应变片利用应变效应，通过测 量电阻的变化而对应变进行测量。
应变片的粘贴工艺步骤
2017/9/21
应变片型号命名方式 应变片的结构形式 应变片的尺寸 应变片的电阻值 应变片的使用温度
应变片的选用
应变片的尺寸：选择应变片尺寸的时候，应考虑应力分布、动静态测
量、弹性体应变区大小等因素。应变片越小精度越高，越能正确反映 出被测量点的真实应变，因此，在加工精度可以保证的情况下，综合 考虑各种因素影响后，应变片的栅长小一些比大一些好。 应变片的电阻值：一般的工程测试或教学实验选片电阻值可在 120Ω~350Ω范围。目前传感器生产中大多选用350Ω的应变片，在不 考虑价格因素的前提下，应使用大阻值应变片。大阻值应变片具有通 过电流小、自热引起的温升低、持续工作时间长、动态测量信噪比高 等优点，应用越来越广泛。 应变片的使用温度：应根据使用温度选用不同丝栅材料的应变片，常 温应变片使用温度为-30℃~60℃。选片时应注意温度自补偿材料线膨 胀系数。
应变片分为金属应变片及半导体应变片两大类。 金属应变片分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。 金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属 丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋 势。但其价格便宜，多用于要求不高的应变、应力的大批量、一 次性试验。 半导体应变片是用半导体材料作敏感栅而制成的。当它受 力时，电阻率随应力的变化而变化。它的主要优点是灵敏度高 （灵敏度比金属丝式、箔式大几十倍），主要缺点是灵敏度的一 致性差、温漂大、电阻与应变间非线性严重。在使用时，需采用 温度补偿及非线性补偿措施。
结构： 应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成 应用：
广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量
应变式传感器概述

(1)这类传感器结构简单，使用方便，性能稳定、可靠。 (2)易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测。


(3)灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量。
(4)可以测量各种物理量。

因此在航空航天、机械、化工、交通、建筑、医学、汽车工业 等领域有很广的应用。
被测量 （非电量）
输出量 （电量）
（弹性） 敏感元件 传感器
转换元件
应变式电阻传感器的组成
应变
物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象
弹性应变
当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的 应变
般很小表达式为：
L L
(2 3)
ΔS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量，即：
S 2r S r
(2 4)
由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿
轴向伸长，沿径向缩短，那么轴向应变和径向应变的关 系可表示为： r L (2 5) r L
（5）粘贴：贴片时要摆正应变片的位置，刷胶均匀，用胶量合理。
将选好的应变片背面均匀地涂上一层502胶水，胶层厚度要适中， 然后将应变片的十字线对准构件要测部位的十字交叉线，轻轻校正 方向。贴片后盖上聚四氟乙烯薄膜，用手指沿应变片轴线方向均匀 滚压应变片，以排除多余的胶水和气泡，一般以3-4个来回为宜， 并注意应变片的位置。 （6）粘贴清洗 （7）固化：食指压法、夹具夹板压法，用铁夹夹持应变片，并用电 吹风加热烘干0.5H （8）检查：外观检查、应变片电阻及绝缘电阻的测量
电阻应变片式传感器的使用方法
根据测量环境、测量对象不同，电阻应 变片也有多种形式。
在测量时，将应变片贴在不同的部位，它可以感受拉伸的力 （拉力，正应变），也可以感受压缩的力（压力，负应变）。 例如圆柱形拉力传感器。R1、R2、R3、R4是四个完全相同 的应变片，R1、R4竖粘，为轴向贴片，感受拉伸，正应变； R2、 R3横粘，为径向贴片，感应压缩，负应变。
应变式电阻传感器的认知
Authored by : ZHU YIYING Date : 2017-9-10
在加工化妆品、药品、饮料、沥青、塑料、橡胶等众多产品的生产
过程中，配料工序是一个重要环节，通常采用称重配料系统，完成 不同配方、物料的自动供料和配料。
其中称重配料系统的关键部分就是称重传感器，它影响着配料精度。

根据配方比例设定各物料 的加量值，由PLC按照顺 序执行各种物料的加料、 称重仓的称量操作，工控 机监视整个系统的运行状 况，对PLC下达操作指令 及标定修改参数。 称重传感器检测物料的加 入量， 变频器控制电动机的快慢 启停 PLC执行操作指令 工控机监控系统运行状况

及下达操作指令
应变片的分类
电阻应变片分为金属电阻应变片和半导体应变片两大类。在 力传感器中大多数使用的是金属电阻应变片。将电阻丝排成栅网 状，粘贴在厚度约为15-16μm的绝缘基片上，电阻丝两端焊出引 出线，最后用覆盖层进行保护，即成为应变片。使用时只要将应 变片贴于被测物体上就可构成应变式传感器。
应变片的类型
2017/9/21
应变片的粘贴方法
应变片是通过粘合剂粘贴到试件上的，粘合剂的种类很多，选用时 要根据基片材料、工作温度、潮湿程度、稳定性、是否加温加压、 粘贴时间等多种困素合理选择粘合剂。 （1）选片：检查应变片的外观（应无破损、无锈斑、无皱折、无短 路，剔除敏感栅有形状缺陷，片内有气泡、霉斑、锈点的应变片） （2）试件的表面处理：处理范围为应变片面积的3-5倍，清除表面 的油污、锈斑、涂料、氧化膜镀层等。如需打磨，可选用200#400#的砂纸，打出与贴片方向成45°角的交叉条纹，用丙酮粗擦 后用无水乙醇精擦，擦洗时要顺着单一方向进行，待烘干、吹干后 贴片，打磨后的试件表面应平整光滑，无锈点。 （3）划线：粘贴前用划针划出贴片位置以便定位，线不应画到应变 片的下方，划线后再清洗。 （4）清洗：用浸有丙酮的药棉清洗被测部位的表面，清除油垢灰尘， 保持其清洁干净。
弹性元件
具有弹性应变特性的物体
相关概念
转 换 元 件
电阻应变式力传感器的核心是电阻应变片。 为了测量金属棒在工作过程中所承受的力，将 电阻应变片贴在金属棒上。金属棒受到外力后， 产生应变，并传递给电阻应变片，应变片敏感 到应变后产生电阻变化，经测量电路转换成与 外力成正比的电信号。实现了力的检测。
金属电阻应变片按结构形式可分为丝式、 箔式和薄膜式三种。
荷重传感器动态演示
金属应变片测量应变的基本原理
电阻应变片的工作原理是基于应变效应的，即在导体产生机械变 形时，它的电阻值相应发生变化。
图2-1 金属电阻丝应变效应图
金属应变片测量应变的基本原理
金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为:
R
当测得应变片电阻值变化量 R 时，便可得到被测对象的应变
应变片测量应变的基本原理
由前述可知：
E
应力值σ正比于应变ε，而试件应变ε正比于电阻值的变化，所以应力
σ正比于电阻值的变化，这就是利用应变片测量应变的基本原理。
半导体应变片
半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的电阻率随作用应力而变化的所谓 “压阻效应”。所有材料在某种程度上都呈现压阻效应，但半导体的这种效应特 别显著，能直接反映出很微小的应变。 电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量。某种物质所制成的原件（常温下 20°C）的电阻与横截面积的乘积与长度的比值叫做这种物质的电阻率。电阻率 与导体的长度、横截面积等因素无关，是导体材料本身的电学性质，由导体的材 料决定，且与温度有关。
(2 6)
又因为
/ E
(2 7)
λ-为压阻系数，与材质有关；
σ为试件的应力； E为试件材料的弹性模量。 R (1 2 E ) 所以 R
(2 8)
根据上述特点，测量应力或应变时，被测对象产生微小机械
变形，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发 生相应变化。 值。
● μ—电阻丝材料的泊松比；泊松比是指材料在单向受拉或受
压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横 向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。
● 一般金属μ=0.3-0.5，负号表示应变方向相反。
将式(2-3)、 (2-4)、 (2-5)代入式(2-2)，可得：
R (1 2 ) R
（9）固定导线：检查合格后，焊接引出导线。将引线加以固定、绝 缘，防止应变片线脚与被测工件接触，短路。应变片之间通过漆包线 或其他软线连接组成电桥。 最后检查焊接引线与组桥连线。这样就完成了整个粘贴过程。