电阻应变应变片式传感器—传感器

1.2应变电阻效应（重点）
•
电阻丝的电阻随着它所承受的机械变形（伸长 或缩短）的大小发生变化的一种物理现象称为金属
的应变电阻效应。
1.2.1 基本原理
金属丝受拉时，l 变长、r （截面积s）变小，导致R变大
设一根长为l，截面积为S，电阻系数为ρ的 电阻丝，其电阻值R为：
l R S
Δl F Δr r
• 1.4.1 应变片的主要特性参数：
• • • • • （1）应变片电阻值（未使用且不受力、室温） （2）绝缘电阻（敏感栅与基底间的阻值） （3）敏感系数K （4）机械滞后 （5）允许电流（是指应变片不因电流产生的热量 而影响测量准确度所允许通过的最大电流） • （6）线性度（一般要求在0.05%—1%内） • （7）应变极限（衡量应变计测量范围和过载能力 的指标） • （8）零漂和蠕变
（3）灵敏系数
• 1>物理意义：单位应变所引起的电阻相对变化量。 • 2>电阻丝的应变灵敏度系数表达式:
d dR R K 1 2


3>电阻应变片的灵敏度系数定义为：
K0
R

R 其中
x

x
为轴向应变。
实验证明，电阻丝的应变灵敏度系数不等 于电阻丝应变片的应变灵敏度系数，即 K K0 。 （电阻丝应变片存在横向效应）
100% 指示应变εi
产生原因：
应变片在承受机械应变后的残余 变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆
90%
1
变化；
在制造或粘贴应变片时，敏感栅
受到的不适当的变形或粘结剂固化不 εj 真实应变εg 充分等。
(8)零漂和蠕变
对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其 电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。 产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变 化；粘结剂固化不充分等。
泊松系数(0—0.5之间)
dl —表示电阻丝轴向的相对变化。 l
dR d dl dS R l S
dR d dl d (1 2 ) (1 2 ) R l
d
则 K (1 2 )
dR
令

RK


上式说明电阻丝受力发生应变时 应变片电阻变化率由两个因素引起： （1）受力后材料的几何尺寸变化所引起的；即 (1 2 ) dl/l项 （2）电阻丝材料的电阻率发生变化引起的；即


半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关：
d

E
式中： π——半导体材料的压阻系数; σ——半导体材料的所受应变力; E——半导体材料的弹性模量; ε——半导体材料的应变。
因此：
dR (1 2 E ) R
实验证明，在半导体材料中，πE比1+2μ大上百倍，
dp/p项
1.3应变片分类：
按应变片敏感栅 的材料分类
金属丝式应变片使用最早，但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，多用于应 变、应力的大批量、一次性试验。 箔式应变片与基底的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间 测量时的蠕变较小，一致性较好，能将温度影响减小到最小的程度， 适合于大批量生产。
第四章 电阻应变式传感器
制作人: 2016.03.18
第四章 电阻应变式传感器
第一节 第二节
第三节
• 电阻应变片
• 基本测量电路—电桥电路
• 电阻应变片传感器的应用
学习要求
1、掌握电阻应变片的工作原理 2、掌握电阻应变式传感器的温度补偿、零 点调整的方法 3、熟悉不同种类电桥检测电路的特点
41和R2的比例，使温度变化时产生的电
阻变化满足（大小相等、方向相反）
R1 R2
(R1 ) t (R2 ) t
2 K 2 ( g 2 ) R2t / R2 R1 R2 R1t / R1 1 K1 ( g 1 )
组合自补偿法
优点：通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，
所以1+2μ可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为
dR K R E

半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高50～80倍， 但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重， 使它的应用范围受到一定的限制。
• (4) 机械滞后
应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加 载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。
在选用应变片时，应从应变片的类型、材料、阻值和 尺寸等方面进行考虑 （1）选择类型：按使用目的、要求、对象和环境条件等选 择； （2）材料的考虑：根据使用温度、时间、最大应变量及精 度要求等选用合适的材料（包括敏感栅和基底材料）；
（3）选择阻值：根据测量线路和仪器选定应变片的标称阻 值;
（4）选择尺寸：根据试件表面粗糙度、应力分布状态和粘 贴面积的大小等选择应变片的尺寸。
按应变片基底材料和安装方法分为：
纸基 胶基 浸胶基 金属基 临时基 粘贴式 安装方式 非粘贴式 焊接式 喷涂式
基底材料
应变片
按应变片的工作温度分为：
常温应变片（-30℃～60 ℃ ） 中温应变片（60℃～300 ℃） 高温应变片（300℃以上） 低温应变片（低于-30℃）
各种金属应变片花
1.4 电阻应变片的选型
当R1上有应力产生，R1和RB上的温度影响一致时：
指 示 应 变 主要原因：敏感栅基底和粘合剂 Δε 在承受机械应变之后留下的残余变形 所致。 加载 Δε 1 通常在实验之前应将试件预先加、
卸载
εi
机械应变εR 卸载若干次，以减少因机械滞后所产
生的实验误差。
• (7) 应变极限
– 指在一定的温度下，指示应变值与真实应变的相对差值不 超过规定值（一般为10％）时的最大真实应变值。也就是 说，当指示应变值大于真实应变值的10%时的真实应变值， 即为应变片的应变极限
当被测试件的线膨胀系数βg已知时，通过选择敏感栅材料， 使下式成立
t K ( g e )
即可达到温度自补偿的目的。
αt敏感栅材料电阻温度系数
优点：易加工，成本低， 缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围较窄。
（2） 双金属敏感栅自补偿应变片
敏感栅丝由两种不同温度系数(一正一副)的金属丝串接组成 选用两种具有不同符号的电阻温度系数,
经推导得：
r n (n 1) 2l (1 ) R 0 R K K0 r x n (n 1) l0
n——直线部分栅丝的数目；
n-1——弯角部分的个数。
可见 K0 K，即应变片存在横向效应使应变片的灵敏 度系数小于电阻丝的应变灵敏度系数。
（4）镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片； （5）铂及铂合金：高温动态应变测量. 基
底：将被测构件的应变不失真的传递到敏感栅上的中间介质, 0.03 ～0.06mm，绝缘要好、抗潮、耐热、随外界温度变化的变形小； 覆盖层：粘贴在敏感栅上部的保护层； 引出线：与外电路连接的金属导线, 通常取直径约0.1～0.15mm的低阻镀锡铜线.
电阻应变片的应用特点
1.5 温度误差及其补偿
温度误差产生原因
（ 1 ）电阻的热效应。即敏感栅电阻随温度的变化引起的 误差，当环境温度变化△t 时，敏感栅材料电阻温度系数 为αt，则引起的电阻相对变化为
温度 误差
R t t R 1
（2）试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化△t时， 因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产 生附加应变（拉长或压缩），引起的电阻相对变化
l F
导线两端受到力F作用时
l dl S dS d
将上式取对数再微分，则引起电阻值变化dR：
dR d dl dS R l S
dS dr 因 S r ， S 2 r
2
dr dl l （在弹性限度范围内） r
式中
由材料力学可知：

4>半导体应变片的灵敏度系数
半导体应变片是用半导体材料制成的 , 其工作原理是基于半导体 材料的压阻效应。所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力 作用时,会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机构， 其电阻率ρ发生变化的现象。
半导体应变片受轴向力作用时, 其电阻相对变化为
d dR R (1 2 )
温度对应变片特性的影响还有（次要因素）： 影响粘合剂传递变形的能力； 过高的温度使粘合剂软化而使其完全丧失传递变形的能力
单丝自补偿法 自补偿法 温度补偿 方法 线路补偿法 热敏电阻补偿法
组合式自补偿法
电桥补偿法
（1）单丝自补偿应变片
由以上分析可知，要使应变片在温度变化时热输出值为零，则
t
Rt / R t t ( e g ) t 0 K K
应变片和半导体应变片。
1.1 电阻应变片的组成结构
金属电阻丝（敏感栅）：转换原件，由高电阻率的金属丝制成 直径为 0.01～0.05mm，排列成栅网状，面积一般3～10mm2，阻值60～150欧； 敏感栅常用下列材料制成： （1）康铜（铜镍合金）：最常用； （2）镍 鉻 合 金 ： 多用于动态；
（3）镍鉻铝合金：作中、高温应变片；
横向效应(transverse effect)
如图，若将应变片粘贴在单向拉伸试 件上，这时各直线段上的金属丝只感 受沿其轴向拉应变 εx ，故其各微段电 阻都将增加，但在圆弧段上，沿各微 段轴向 ( 即微段圆弧的切向 ) 的应变却 并非是 εx 。所产生的电阻变化与直线 段上同长微段的不一样，在θ=90°的 微弧段处最为明显。由于单向位伸时，除了沿轴向(水平方向)产生 拉应变外，按泊松关系同时在垂直方向上产生负的压应变εy（=－ μεx），因此该段上的电阻不仅不增加，反而是减少的。 而在圆弧的其他各微段上，其轴向感受的应变是由 +εx 变化到 εy的，因此圆弧段部分的电阻变化，显然将小于其同样长度沿轴向安 放的金属丝的电阻变化。 由此可见，将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变 状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，因此灵敏系数 有所降低，这种现象称为应变片的横向效应。