电阻应变片传感器
电阻应变式传感器.
电阻应变式传感器应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。
应用范围：可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。
应变式传感器特点①精度高，测量范围广；②使用寿命长，性能稳定可靠；③结构简单，体积小，重量轻；④频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；⑤价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。
1、应变式传感器的工作原理(1) 金属的电阻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，称为金属的电阻应变效应。
公式推导：若金属丝的长度为L，截面积为S，电阻率为ρ，其未受力时的电阻为R，则:(9.1)如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，其长度L变化dL，截面积S 变化dS，电阻率ρ变化，因而引起电阻R变化dR。
将式(9.1)微分，整理可得:(9.2)对于圆形截面有：(9.3)为金属丝轴向相对伸长，即轴向应变；而则为电阻丝径向相对伸长，即径向应变，两者之比即为金属丝材料的泊松系数μ，负号表示符号相反，有:(9.9)将式(9.9)代入(9.3)得:(9.5)将式(9.5)代入(9.2)，并整理得：(9.6)(9.7)或K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。
K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。
公式简化过程：由式可以明显看出，金属材料的灵敏系数受两个因素影响：一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，即项；另一个是受力后材料的电阻率变化所引起的，即项。
对于金属材料项比项小得多。
大量实验表明，在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的，即K0为常数，于是可以写成：(9.8) Array通常金属电阻丝的K0=1.7～4.6。
通常金属电阻丝的K0=1.7～4.6。
(2) 应变片的基本结构及测量原理距用面积。
应变片的规格一般以使用面积和电阻值表示，如2为的电阻丝制成的。
第2章 电阻应变式传感器
（ 2 2 ）
传感器原理与应用——第二章
电阻相对变化量为：
dR dL d dA R L A
若电阻丝是圆形的， 则A=πr ² 微分 ,对r
（ 3 2 ）
l
2r
2(r-dr)
F
l+ dl
得dA=2πr dr，则：
dA 2rdr dr 2 2 A r r
图2-1 金属丝的应变效应
• 应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、 压力、加速度、重量 等参数应用最广泛的传感器。
传感器原理与应用——第二章
2.1 电阻应变片的基本原理 应变式传感器的核心元件是电阻应变片，它可将试件 上的应力变化转换成电阻变化。 2.1.1 应变效应 当导体或半导体在受到外界力的作用而不能产生位移
时，则会产生机械变形（它的几何形状和尺寸将
指 示 应 变 卸载
Δε
εi
加载 机械应变εR 图2-6 应变片的机械滞后
传感器原理与应用——第二章
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充
分等。
机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载 时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常 在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机 械滞后所产生的实验误差。
很宽的范围内均为线性关系。
传感器原理与应用——第二章
即:
R
R
K 或
K
R
R
（ 14 2 ）
K为金属应变片的灵敏系数。
测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于线材的
灵敏系数KS。原因主要是胶层传递变形失真及横向效
电阻应变片式传感器
电阻应变片式传感器应变式传感器已成为目前非电量电测技术中非常重要的检测手段，广泛的应用于工程测量和科学实验中。
它具有以下几个特点。
（1）精度高，测量范围广。
对测力传感器而言，量程从零点几N 至几百kN ，精度可达0.05%F S ⋅（F S ⋅表示满量程）；对测压传感器，量程从几十Pa 至1110Pa ，精度为0.1%F S ⋅。
应变测量范围一般可由数με（微应变）至数千με（1με相当于长度为1m 的试件，其变形为1m μ时的相对变形量，即61110μεε-=⨯）。
（2）频率响应特性较好。
一般电阻应变式传感器的响应时间为710s -，半导体应变式传感器可达1110s -，若能在弹性元件设计上采取措施，则应变式传感器可测几十甚至上百kHz 的动态过程。
（3）结构简单，尺寸小，质量轻。
因此应变片粘贴在被测试件上对其工作状态和应力分布的影响很小。
同时使用维修方便。
（4）可在高（低）温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作。
（5）易于实现小型化、固态化。
随着大规模集成电路工艺的发展，目前已有将测量电路甚至A/D 转换器与传感器组成一个整体。
传感器可直接接入计算机进行数据处理。
（6）价格低廉，品种多样，便于选择。
但是应变式传感器也存在一定缺点：在大应变状态中具有较明显的非线性，半导体应变式传感器的非线性更为严重；应变式传感器输出信号微弱，故它的抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；应变式传感器测出的只是一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等。
尽管应变式传感器存在上述缺点，但可采取一定补偿措施，因此它仍不失为非电量电测技术中应用最广和最有效的敏感元件。
一、电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理是基于应变效应。
电阻应变效应是指金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。
其中半导体材料在受到外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象叫应变片的压阻效应。
电阻应变片式传感器及应用
S
L
L L 2 S S S
L 应变： L 引入两个概念 D D 泊松比： L L
R L S R L S
2DD S S 4 4 S D 2 S D
R1 U U R1 1 2 R R1 2 4 R 1 R1 2R
R R1 1 1 R1 1 2R R1 0 2R
U o
U R1 4 R
以上说明：单臂工作时，输出电压与应变片电阻变化率之间是近
似的线性关系，实际上是非线性关系。这会带来非线性误差。
压阻式固态压力传感器
利用扩散工艺制作的四个 半导体应变电阻处于同一硅片 上，工艺一致性好，灵敏度相 等，漂移抵消，迟滞、蠕变非 常小，动态响应快。
压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片
隔离、承压膜片 可以将腐蚀性的气体、 液体与硅膜片 隔离开 来。
p 压阻式固态 压力传感器
内部结构
信号处 理电路
导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象， 称为电阻应变效应
金属应变片有:丝式和箔式 优点:稳定性和温度特性好. 缺点:灵敏度系数小.
应变效应：
受外力F作用 应力 L，S， R
dR dL L d L dS 对R按应力 求全微分得： 2 d S d S d S d
r r t t 若半导体只沿纵向受应 力，则 r E 式中： r t 纵向、横向压阻系数 E 半导体弹性模数
R (1 2 r E ) r E R
r t 纵向、横向应力 纵向应变
' ' R1' R1 1，R2 R2 1，R3' R3 1，R4 R4 1，
《电阻应变式传感器》课件
03
电阻应变式传感器的测量电路
直流电桥测量电路
优点
简单、可靠、稳定性好。
缺点
对温度变化敏感，需要采取温度 补偿措施。
交流电桥测量电路
优点
对直流电源的稳定性要求较低，可以减小电源波动对测量结 果的影响。
在工业生产过程中，电阻应变式压力传感器被广泛应 用于压力控制、流量控制等场合，如气瓶压力监测、 管道压力监测等。
汽车行业
汽车发动机、气瓶、刹车系统等都需要用到压力传感 器，来监测和控制各种气体和液体的压力。
位移传感器的应用实例
自动化生产线
在自动化生产线上，位移传感器被用来检测和控制系 统中的物体位置，如机器人手臂的定位、传送带的物 体位置检测等。
电阻应变式传感器
目 录
• 电阻应变式传感器简介 • 电阻应变式传感器的类型与特性 • 电阻应变式传感器的测量电路 • 电阻应变式传感器的误差来源与补偿方法 • 电阻应变式传感器的应用实例
01
电阻应变式传感器简介
定义与工作原理
定义
电阻应变式传感器是一种将应变转换为电阻变化的传感器，通过测量电阻的变 化来测量受力状态。
总结词
半导体应变式传感器具有高灵敏度、 低温度系数和良好的线性等优点。
详细描述
半导体应变式传感器利用半导体的压 阻效应，即当半导体受到外力作用时 ，其电阻值会发生变化。这种传感器 常用于测量加速度、压力和振动等物 理量。
陶瓷电阻应变式传感器
总结词
陶瓷电阻应变式传感器具有耐高温、耐 腐蚀、高绝缘性和良好的稳定性等特点 。
电阻应变式传感器介绍
最低固化条件 室温10小时或
60℃2小时 室温1小时 室温24小时 室温2.5小时 200℃2小时 150℃3小时 150℃1小时 190℃3小时 200℃3小时 280℃2小时 400℃1小时 400℃3小时
固化压力 /104Pa 0.5~1
粘合时指压
0.3~0.5 粘合时指压 粘合时指压
2 1~2 — — 1~3
基底材料有纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等 制成胶膜, 厚度约0.03～0.05mm
3.黏合剂材料
用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用 金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方 向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和 敏感栅。
2.3应变片的主要参数
1.应变片电阻值（R0） 电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、350Ω，500Ω和1000Ω 等 多种规格，以120Ω最为常用。 应变片的电阻值越大，允许的工作电压就大，传感器的输出电压 也大，相应地应变片的尺寸也要增大，在条件许可的情况下，应 尽量选用高阻值应变片。
2.绝缘电阻(敏感栅与基底间电阻值: 要求>1010欧姆；
在金属丝的弹性范围内，灵敏系数KS 为常数，即 :
R R
Ks
线性关系
通常很小, 常用10-6表示之。例如, 当 为0.000001时, 在工程中 常表示为1 10-6或 m/m。在应变测量中, 也常将之称为微应变
(με)。对金属材料而言, 当它受力之后所产生的轴向应变最好不要 大于1 10-3, 即1000 m/m, 否则有可能超过材料的极限强度而 导致断裂。
合剂
化环已酮、萘酸钴干料
环氧树脂、聚硫酚铜胺、 固化剂
环氧树脂类 酚醛环氧、无机填料、
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
电阻应变式传感器
三、 电阻应变片的测量电路及温度补偿
（一） 测量电路
应变片把机械应变转化为有对应 关系的电阻变化后，需要将电阻的变 化转换为电压或电流的变化。由于应 变量非常小，通常采用测量电桥，将 微小的电阻变化转化为电压或电流的 变化。根据电源的不同，可将电桥分 为直流电桥和交流电桥。电桥的一般 形式如图1-7所示。
R
（1-5）
电阻应变式传感器
k0
1 2
/
，其中k0为电阻丝的灵敏系数，即单位应变所引
起的电阻的相对变化。通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝
的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量。
k0
1
2
/
可知，电阻丝的灵敏系数受两个因素的影响：
一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ，对某种材料来说
，它是一个常数；另一个是 / ，它是由电阻丝电阻率的改变而引
起的。
/
（1）对于金属材料， 是常数，并且比1+2μ小很多，往往可
以忽略不计，故 k0 1 2 。
电阻应变式传感器
（2）对于半导体材料，(dρ/ρ)/ε 的值比1+2μ大得多，电阻丝
的灵敏系数主要由电阻率相对变化所决定。 （3）大量实验也表明，在金属电阻丝拉伸比例极限内，电阻
相对变化与轴向应变成正比。通常，金属丝的灵敏系数k0为2左右， 不超过4~5，半导体应变片的灵敏系数为100~200。
半导体应变片的灵敏系数比金属电阻丝式应变片高几十倍，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。
电阻应变式传感器
二、 电阻应变片的结构和特性 1. 应变片的分类与结构
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电阻应变片传感器，对于外行人来说，或者不懂它具体指的是哪一款类型的传感器，其实弄懂其中关系就很简单，传感器代表的是一种产品，而电阻应变片实际是特指电阻应变式原理下的一款重要零部件。
所以说，电阻应变片传感器可以用一句话解释，即工作原理是电阻应变式原理的传感器。
电阻应变式传感器是基于这样一个原理：弹性体在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。
由此可见，电阻应变片是电阻应变式传感器中不可缺少一个部分。
电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。
他的一个重要参数是灵敏系数K。
我们来
介绍一下它的意义。
设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。
当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：
R=ρL/S（Ω）（2—1）
当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。
设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。
此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。
对式（2--1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。
我们有：
ΔR=ΔρL/S+ΔLρ/S–ΔSρL/S2（2—2）
用式（2--1）去除式（2--2）得到
ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L–ΔS/S（2—3）
另外，我们知道导线的横截面积S=πr2，则Δs=2πr*Δr，所以
ΔS/S=2Δr/r（2—4）
从材料力学我们知道
Δr/r=-μΔL/L（2—5）
其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。
μ是表示材料横向效应泊松系数。
把式（2—4）（2—5）代入（2--3），有
ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L+2μΔL/L
=（1+2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L
=K*ΔL/L（2--6）
其中
K=1+2μ+（Δρ/ρ）/（ΔL/L）（２--７）
式（2--6））说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。
需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。
在材料力学中ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便常常把它的百万分之一作为单位，记作με。
这样，式（２--６）常写作：
ΔR/R=Kε(2—8)。
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公司除大规模生产各种规格的高精度、高稳定性、高可靠性常规产品外,还可根据用户具体要求设计特殊的非标传感器,以满足用户的特殊要求。
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