2.1 应变式传感器

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电阻式传感器精品PPT课件

6. 理解应变式传感器的结构设计及应用
2
3
概述
电阻应变式传感器——利用电阻应变片将应变转换为电阻变
化的传感器。主要用途——测量力、力矩、压力、加速度、重量等。
4
电阻应变式传感器的工作原理
将电阻应变片粘贴在弹性元件特定表面上，当力、扭矩、速度、加速度及流量等物理量作用于弹性元件时，会导致元件应力和应变的变化，进而引起电阻应变片电阻的变化。电阻的变化经电路处理后以电信号的方式输出。
6
设有一段长为L，截面积为A，电阻率为ρ的导体(如金属丝)，它具有的电阻为
L
2r 2(r-dr)
F
F
R l
A
L+dL
ρ:电阻系数 l:金属导线长度 A:金属导线截面积
当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其L、A和ρ
均发生变化。
7
R l
A
两边取对数：ln R ln L ln A ln
两边微分：dR d dA dl R Al
16
敏基粘感底结栅—剂——固— —定应用敏变粘感片结栅中剂，最分并重别使要把敏的盖感部层和栅分敏与，感弹由栅性某固种元结金件于属相基细互底丝绝；绕缘在成；栅应使形变用。计应应工变变作计计时时中，，实基用现底粘应起结变着剂把把-电试应阻件变转应计换变基的准底敏确再感地粘元传贴件递在。给试敏敏件感感表栅栅面合的的金作被材用测料，部的为位选此，择基因对底此所必粘制须结造很剂的薄也电，起阻一着应般传变为递计应0.0性变2～能的0的作.04好用m坏。m起。着常决定性的作用。
——为金属材料的泊松比
d/ —金属丝电阻率的相对变化量
代入

2.1 电阻应变式传感器

r r0
(a) 拉伸
(b) 压缩
绝对伸长 Δl 0
绝对压缩 Δl 0
Δr 0
Δr 0
传感器及检测技术
轴向应变径向应变泊松系数
y
Δl F l0 AE E
x
r r0 Δr F r0 r0 AE
y x
反映物质形变程度，反映物质弹性特征（0.2 ~ 0.4）， E是材料的弹性模量. E钢=2.0*1011N/m2 E铝=0.7*1011N/m2
在AB，BC两个臂上分别接上工作片，温度影响将互相抵消。
4
3
U
BD
E R1 4 R1
R R
3
3
EK 4

1 2
对臂测量
传感器及检测技术
在AB，CD两个臂上接工作片，BC，DA接温度补偿片。四个臂的电阻同处一个温度场，温度影响相互抵消。

传感器及检测技术
电阻相对变化量为：
l
dR dL d dA R L A
2r 2(r-dr)
F 若电阻丝是圆形的，则A=πr ²,对r 微分得dA=2πr dr，则： l+ dl
金属丝的应变效应
dA 2rdr dr 2 2 A r r
传感器及检测技术
令
dL y — —金属的轴向应变 L dr x — —金属的径向应变 r
E R1 R2 R3 R4 EK U DB （） U DB 4 1 2 3 4 4 R1 R2 R3 R4
读

1
2

3
4
式中： 1、 2、 3、 4分别代表四个应变片所感受的应变值，

应变式传感器实验报告

应变式传感器实验报告《应变式传感器实验报告》摘要：本实验旨在通过应变式传感器测量不同材料的应变变化，并分析其与外力的关系。

实验结果表明，应变式传感器具有良好的灵敏度和精度，可用于测量材料的应变变化，为工程应用提供了可靠的数据支持。

引言：应变式传感器是一种常用的传感器，可用于测量物体受力时的应变变化。

通过测量应变的变化，可以得到物体受力的情况，为工程设计和科学研究提供了重要的数据支持。

本实验通过使用应变式传感器，测量了不同材料在受力时的应变变化，并分析了应变与外力的关系。

实验方法：1. 准备实验材料：选取不同材料的样品，如金属、塑料、橡胶等。

2. 安装应变式传感器：将应变式传感器与数据采集系统连接，并将传感器安装在样品上。

3. 施加外力：在样品上施加不同大小的外力，记录应变式传感器的输出数据。

4. 数据分析：通过分析实验数据，得出不同材料的应变与外力的关系。

实验结果：通过实验数据的分析，我们得到了不同材料在受力时的应变变化曲线。

实验结果表明，不同材料的应变与外力的关系存在一定的差异，但总体上呈现出线性关系。

同时，应变式传感器的输出数据具有良好的稳定性和重复性，具有较高的测量精度。

讨论：应变式传感器在测量材料应变变化方面具有良好的性能，可以准确地反映材料受力时的应变情况。

通过本实验的结果，我们可以得出结论：应变式传感器可以用于测量不同材料的应变变化，并为工程应用提供可靠的数据支持。

结论：本实验通过测量不同材料在受力时的应变变化，验证了应变式传感器的性能优良，并得出了应变与外力的关系。

实验结果表明，应变式传感器可以用于测量材料的应变变化，为工程设计和科学研究提供了可靠的数据支持。

常用传感器及测量转换电路

应变式电阻传感器是借助于弹性元件，将力的变化转化为变形，然后利用导体的应变效应，将力转变成电阻的变化，最终利用测量电路得到被测量(力)的电信号。应变式电阻传感器主要包括弹性元件、电阻应变片及测量电路。
2.1.5 温度补偿
在实际应用中，除了应变能导致应变片电阻变化外，图25温度
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常用材料:康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。
2.金属箔式应变片箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度0.003~0.01mm
电阻箔材，利用照相制版或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。 3.金属薄膜应变片薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是采用真空蒸发或
真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在0. 1 m以
图2-8所示是筒式压力传感器。被测压力P作用于筒内腔，使筒发生变形，工作应变片1贴在空心的筒壁外感受应变，补偿应变片2贴在不发生变形的实心端作为温度补偿用。一般可用来测量机床液压系统压力和枪、炮筒腔内压力等。
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2.1电阻应变式传感器
3.加速度传感器加速度传感器实质上是一种测量力的装置，如图2-9所示。
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2.2 热电阻传感器
但温度高时易氧化，故用于温度较低的环境中。表2-1列出了热电阻的主要技术性能。
2.2.2热敏电阻
热敏电阻是近年来出现的一种新型半导体测温元件。一般按温度系数可分为负温度系数热敏电阻(NTC)、正温度系数热敏电阻( PTC)和临界温系数热敏电阻(CTR)。这三类热敏电阻的电阻率P与温度t的变化曲线如图2-10所示。从图中可以看出这些曲线都呈非线性。
2.3.1 热电偶传感器的工作原理
1.热电势效应将两种不同材料的导体构成一闭合回路，若两个接点处温

应变传感器原理

应变传感器原理
应变传感器是一种能够测量物体应变的装置。

它的原理基于材料的弹性变形特性。

当受到外力作用导致物体产生应变时，应变传感器可以将应变转化为电信号输出。

应变传感器的主要组成部分是一个弹性体，常用的材料如金属、塑料等。

当物体受到外力作用时，弹性体会发生形变，这种形变可以是拉伸、压缩或弯曲。

弹性体中的导电材料（如金属片）会随着形变而改变其电阻值。

这是因为弹性体的形变会对导电材料的几何尺寸和电流的途径造成影响，进而改变电阻。

应变传感器中通常会通过电桥或谐振电路来测量电阻值的变化。

当外力作用导致弹性体形变时，导电材料的电阻值也会改变，从而引起电桥不平衡或谐振频率的变化。

通过测量电桥输出信号或谐振频率的变化，可以得到与应变相关的电信号。

应变传感器的输出信号与应变的大小成正比，可以通过采集电路进行放大和滤波处理，最终得到精确的应变测量结果。

这些信号可以用于监测和控制应变相关的物理量，如力、压力、形状变化等。

总之，应变传感器利用材料的弹性变形特性，通过测量电阻值的变化来实现对物体应变的测量，具有广泛的应用领域，如工业生产、结构安全等。

传感器：第2章应变式传感器

如果电桥各臂都改变，则有
Ug
E
(R1 R1)(R4 R4 ) (R2 R2 )(R3 R3) (R1 R1 R2 R2 )(R3 R3 R4 R4 )
（一）等臂电桥
当 R1 R2 R3 R4 时，称为等臂电桥。此时
Ug
E
R(R1 R2 R3 R4 ) R1R4 R2R3 (2R R1 R2 )(2R R3 R4 )
应变式传感器包括两部份，一是弹性敏感元件，将被测量转换为应变；二是应变片，将应变转化为电阻的变化。
被测量
应变量
弹性元件
电阻
应变片
变化
（一）柱式压力传感器圆柱式压力传感器分为实心和空心两种。
柱式力传感器应变片的粘贴方式
对于柱式压力传感器其轴向应变和圆周方向应变与轴向受力成正比例关系。
轴向应变
下面分析横向效应产生的原因。设轴向应变为，横向应变为 r。
2006.9.11 JC204->
若敏感栅有 n 个纵栅，每根长为 l ，圆弧横栅的半
径为 r ，在轴向应变作用下，全部纵栅的形
变 L1 nl 。
在半圆弧上取一小微元 dl rd ，上面的应变为
1 2
(
r )
1 2
(
r ) cos 2
一、压阻效应单晶硅材料在受到应力后，其电阻率发生明显的变化，
这种现象被称为压阻效应。对于一条形的半导体材料，其电阻变化与应变的关系
d ( r 2 ) r2
2 dr r
2 r
根据泊松效应，有
r 上式中为泊松系数。
由实验结果有
通常 C 1
d C dV V
由于 V S l
dV V
dS S

四种压力传感器的基本工作原理及特点

四种压力传感器的基本工作原理及特点四种压力传感器的基本工作原理及特点一：电阻应变式传感器一：电阻应变式传感器1 1电阻应变式传感器定义被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它产生变形，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称按这种原理设计的传感器称为电阻应变式压力传感器。

为电阻应变式压力传感器。

1.2 电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片。

箔式应变片是以厚度为0.002——0.008mm 的金属箔片作为敏感栅材料，，箔栅宽度为0.003——0.008mm 。

丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝(直径0．015--0．05mm)，平行地排成栅形(一般2——40条)，电阻值60——200 Ω，通常为120 Ω，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即制成了纸基的电阻丝式应变片。

制成了纸基的电阻丝式应变片。

测量时，测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于待测的弹性敏感元件表面上，待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，电阻片电阻片也跟随变形。

如下图所示。

B 为栅宽，L 为基长。

为基长。

材料的电阻变化率由下式决定：材料的电阻变化率由下式决定：d d d R A R A r r=+ （1）式中；式中；R —材料电阻由材料力学知识得；由材料力学知识得； [(12)(12)]dRR C K m m e e =++-= (2) K —金属电阻应变片的敏感度系数式中K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分dR 、dL 改写成增量ΔR 、ΔL,可得可得 R L K K R Le D D == (3) 由式(2)可知，可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形ε,而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了ΔR 的变化，也就得到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。

第一章电阻式应变式传感器

上午2时13分
38
全桥差动
③ 全桥差动
R1、R4 受拉应变 R2、R3 受压应变
R1+ΔR1
为提高电桥电压灵敏度 n=1 R4-ΔR4
R1-ΔR1 + U0
R4+ΔR4-
R2 R4 1 R1 R3
E 图1.16 全桥差动电路
上午2时13分
39
全桥差动
结论：
Uo
E
R1 R1
KU E
✓Uo与ΔR1/R1成线性关系，无非线性误差， ✓而且电桥电压灵敏度KU=E，是单臂工作时的四倍。 ✓同时还具有温度补偿作用。
上午2时13分
18
温度误差四、电阻应变式传感器的温度误差及补偿
1、温度误差及产生原因
由于温度变化引起的应变输出
（1）敏感栅电阻值（T）
Rt=R0(1+αΔt)
Rt R0 R0t Rt R0t
附加应变
t
Rt / R0 K
R0t / R0
K
t
K
特点
T ；； t
上午2时13分
19
温度误差
电桥
桥臂关系
半等臂电桥
电源端对称 Z1 Z 4, Z 2 Z 3 输出端对称 Z1 Z 2, Z 3 Z 4
全等臂电桥 Z1 Z 2 Z 3 Z 4
负载电压输出桥：RL , I 0
功率输出桥：U、I
上午2时13分
28
平衡电桥
（一）
R1
R2
1 平衡电桥
RL U0
当RL→∞时，电桥输出电压为：
y x
上午2时13分
泊松比
6
一、工作原理
电阻丝的灵敏系数Ks：单位应变所引起的电阻相对变

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∆ R tβ = R 0 K 0 ε tβ = R 0 K 0 ( β g − β s ) ∆ t
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可得由于温度变化而引起的总电阻变化为
∆Rt = ∆Rtα + ∆Rtβ = R0α∆t + R0 K 0 ( β g − β s )∆t
相应的虚假应变输出
∆Rt / R0 α ∆t εt = = + ( β g − β s )∆t K0 K0
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金属箔式应变片
在绝缘基底上，将厚度在绝缘基底上，为0.003～0.01mm电阻～电阻箔材，箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状
箔式应变片
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优点：
（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求，）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求，（2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅）（3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。）与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。（4）横向效应可以忽略。）横向效应可以忽略。（5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。
电阻值大
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（一）灵敏系数
k= ∆R / R
ε
“标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试件材料为泊松系数µ=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5％的产品来测定，取平均值及允许公差值。电阻应变片的灵敏系数k < 电阻丝的灵敏系数k0 原因：粘结层传递变形失真还存在有横向效应
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金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略
∆R ≈ (1 + 2 µ )ε = K 0 ε R
应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比，应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比，并且对同一电阻材料，是常数。并且对同一电阻材料， K0=1+2µ是常数。是常数其灵敏度系数多在1.7～之间之间。其灵敏度系数多在～3.6之间。
UK (ε 1 − ε 2 − ε 3 + ε 4 ) U0 = 4
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上式表明：
① ∆Ri<< R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。时电桥的输出电压与应变成线性关系。若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时， ② 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。输出电压为两者之和。 ③ 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；之则为两者之差。之则为两者之差。电桥供电电压U越高输出电压U 越大。但是，越高，大时， ④ 电桥供电电压越高，输出电压 0越大。但是，当U大时，大时电阻应变片通过的电流也大，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。 ⑤ 增大电阻应变片的灵敏系数，可提高电桥的输出电压。
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（二）横向效应
敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段：沿轴向拉应变εx，电阻圆弧段：沿轴向压应度εy 电阻 εy εx K (箔式应变片)
εy
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横向效应
应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，阻变化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。愈短，则横向效应的影响愈小。
R(∆R1 − ∆R2 − ∆R3 + ∆R4 ) + ∆R1 ∆R4 − ∆R2 ∆R3 U0 = U (2 R + ∆R1 + ∆R2 )(2 R + ∆R3 + ∆R4 )
略去上式中的高阶微量，当∆Ri<< R ( i=1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，则
U U0 = 4 ∆R1 ∆R2 ∆R3 ∆R4 − − + R R R R
α = − K 0 ( β(2.1.21)s ) g − β
即可达到温度自补偿的目的。即可达到温度自补偿的目的。优点：容易加工，成本低，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。
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b. 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的金属丝串接组成选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足
∆ρ / ρ
ε
= 1 + 2µ +
∆ρ / ρ
ε
ε
材料的电阻率ρ随应变引起的（压阻效应）
金属材料：k0以前者为主，则k0≈1+2μ=1.7~3.6 半导体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定
∆R == k0ε R
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2. 应变片的基本结构与种类
敏感栅直径为 0.025mm左右的合金电阻丝左右的合金电阻丝丝绕式基底绝缘位移、力、力矩、加速度、压力覆盖层保护
∆R = (1 + 2 µ + λ E )ε R
ε为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量； µ为电阻丝材料的泊松比，一般金属µ=0.3~0.5； λ为压阻系数，与材质有关；σ为应力值；E为材料的弹性模量；
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金属电阻的灵敏系数
k0 = ∆R R
k0
1+ 2 µ 材料的几何尺寸变化引起的
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2.非线性误差及其补偿 2.非线性误差及其补偿
略去分母中的∆R1/R1项 ,假设∆R1/R1<<1 单臂电桥，即R1桥臂变化∆R，理想的线性关系
U ∆R U = ⋅ 4 R
' 0
实际输出电压
U0 = U
∆R U ∆R 1 ∆R = ⋅ 1 + ⋅ 4 R + 2∆R 4 R 2 R
l dR = dl − 2 dA + dρ A A A
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ρ
ρl
电阻的灵敏系数
∆R ∆A ∆ρ = − + R l A ρ ∆l
对于半径为r的圆导体，A=πr2，∆A/A=2∆r/r 又由材料力学可知，在弹性范围内，
∆l / l = ε , ∆r / r = − µ ε , ∆ρ / ρ = λ σ = λ E ε
应变片工作时，其电阻变化应变片工作时，其电阻变化∆R
( R1 + ∆R1 )( R4 + ∆R4 ) − ( R2 + ∆R2 )( R3 + ∆R3 ) U0 = U ( R1 + ∆R1 + R2 + ∆R2 )( R3 + ∆R3 + R4 + ∆R4 )
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采用等臂电桥，此时式(2.1.24)可写为采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R 。此时式可写为
（三）温度误差及其补偿
1、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，则引起的电阻相对变化为
温度误差
∆Rtα = Rt − R0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，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化
弹性敏感元件
应变
外力作用应变片被测对象表面产生微小机械变形应变片敏感栅随同变形电阻值发生相应变化
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应变片的类型和材料
金属丝式金属箔式金属薄膜式回线式短接式
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金属丝式应变片
金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线
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缺点：缺点：
电阻值的分散性大阻值调整
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金属薄膜应变片
采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1µm以下的金属电阻材基片上形成厚度在以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产工作范围广，问题：问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系
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2.1.2 金属应变片的主要特性
（一）灵敏系数（二）横向效应（三）温度误差及其补偿
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应变片的电阻值 R
应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值
电阻系列：、电阻系列：60、120、200、350、500、、、、、 1000 可以加大应变片承受电压，可以加大应变片承受电压，输出信号大，输出信号大，敏感栅尺寸也增大
a.选择式自补偿应变片 a.选择式自补偿应变片
由式(2.1.16)可知，实现温度补偿的条件为可知，由式可知 α ∆t εt = + ( β g − β s ) ∆t = 0