电阻应变式传感器的工作原理PPT课件
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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，也被称为应变计，是一种常用的力、压力、应变等物理量测量的传感器。
其工作原理基于电阻在物体受力或受压变形过程中产生的应变效应，通过测量电阻值的变化来获得被测物理量的大小。
电阻应变式传感器的核心是电阻应变片。
电阻应变片是一种金属或半导体材料制成的薄片，具有良好的弹性和导电性能。
当被监测的物体受到外界力或压力作用时，电阻应变片发生形变，导致其长度、宽度和厚度的变化，从而引起导体横截面内电阻的变化。
根据应变片的布置方式，电阻应变式传感器可以分为单元式和桥式两种类型。
单元式电阻应变式传感器由一个单独的应变片组成。
该传感器在应变片上通过导线连接一个外部电路，通过测量电阻值的变化来间接反映物体受力或受压的大小。
当外界力或压力作用于物体，应变片发生形变，其电阻值变化，从而引起电路中的电压或电流变化。
通过测量电压或电流的变化，可以计算出物体所受力或受压的大小。
桥式电阻应变式传感器采用四个相互连接的应变片来组成一个电阻应变式桥。
四个应变片分为两个对称组，每个组内的应变片两两布置在物体上。
通过选择不同的应变片材料和布置方式，可以使得一组应变片在被测物体拉伸变形时电阻值增加，另一组应变片在被测物体压缩变形时电阻值增加。
这样，当物体受到外界力或压力作用时，会引起电阻值的变化，从而导致电桥的不平衡。
利用电桥供电电压一定的特性，可以通过测量电桥的输出信号来计算被测物体的力或压力大小。
为了提高传感器的灵敏度和准确度，通常会对应变片进行补偿和校准。
补偿方法主要包括温度补偿和应变片的附加电路设计。
温度补偿可通过在应变片上安装温度传感器来实现，以消除温度变化对测量结果的影响。
应变片的附加电路设计可通过配备稳压电源和电桥调零电路来提高传感器的准确度。
电阻应变式传感器具有结构简单、响应速度快、可进行在线测量等优点。
它广泛应用于测力仪器、压力传感器、称重仪器、位移测量仪器等各个领域。
然而，电阻应变式传感器也存在不足之处，如对温度敏感、易受外界干扰等问题，需要在实际应用中进行合理的设计和使用，以确保测量结果的准确性和可靠性。
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
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
第2章 电阻应变式传感器
2
F
3.2.2 位移传感器
R4 R3 U0 R1 E R2 R1 R2 F
图2.11 应变片式线位移传感器
U
3.2.4 压力传感器
0
= k U ε = kU
3l 4 Eb h
2
F
3.2.3 加速度传感器
作业: 作业:
1. 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 2. 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? 3. 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 以及不对称电桥的输出电压变化. 以及不对称电桥的输出电压变化.
3.2 应用
3.2.1 应变式测力与荷重传感器
kU F U 0 = 2 (1 + ) AE
图2.8 受力圆柱上应变片的粘贴
图2.9 受力薄臂环上应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
1 .092 R bδ E
2
F
图2.10 受力等强度梁应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
6l E b0 h
1
Z3 = Z 2Z 4
z1 z3 = z 2 z 4
φ1 + φ3 = φ2 + φ4
或
(R1 + jX1)(R3 + jX3 ) = (R2 + jX2 )(R4 + jX4 )
2.2 电桥的调平衡
在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节. 在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节.对于直流 电桥可采用串联或并联电位器法, 电桥可采用串联或并联电位器法,对于交流电桥一般采用阻 容调平衡法. 容调平衡法.
F
3.2.2 位移传感器
R4 R3 U0 R1 E R2 R1 R2 F
图2.11 应变片式线位移传感器
U
3.2.4 压力传感器
0
= k U ε = kU
3l 4 Eb h
2
F
3.2.3 加速度传感器
作业: 作业:
1. 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 2. 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? 3. 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 以及不对称电桥的输出电压变化. 以及不对称电桥的输出电压变化.
3.2 应用
3.2.1 应变式测力与荷重传感器
kU F U 0 = 2 (1 + ) AE
图2.8 受力圆柱上应变片的粘贴
图2.9 受力薄臂环上应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
1 .092 R bδ E
2
F
图2.10 受力等强度梁应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
6l E b0 h
1
Z3 = Z 2Z 4
z1 z3 = z 2 z 4
φ1 + φ3 = φ2 + φ4
或
(R1 + jX1)(R3 + jX3 ) = (R2 + jX2 )(R4 + jX4 )
2.2 电桥的调平衡
在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节. 在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节.对于直流 电桥可采用串联或并联电位器法, 电桥可采用串联或并联电位器法,对于交流电桥一般采用阻 容调平衡法. 容调平衡法.
电阻应变式传感器的工作原理PPT课件可编辑全文
图为 应变片敏感栅半
圆弧部分的形状。沿 轴向应变为ε，沿横向 应变为εr 。
θ
dθ
dl
20丝21绕式应变片敏感栅半圆弧形部分
若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴
向应变ε作用下，全部纵栅的变形视为ΔL1
ΔL1= n lε 半圆弧横栅同时受到ε和εr的作用，在任一微小段长度 d l = r dθ上的应变εθ可由材料力学公式求得
1 2r1 2rco 2s
每个圆弧形横栅的变形量Δl为
l 0 rd l0 rd 2 r r
纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅
的变形量为 L2n20 212 1rr
应变片敏感栅的总变形为
L L 1 L 2 2 n 2 n l 1 r n 2 1 rr
敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则 电阻相对变化为
2021
2.箔式应变片 它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.003～0.01mm的金
属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。 优点：①.可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长l可 做0.2mm，以适应不同的测量要求；②.与被测件粘贴结面积 大； ③.散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏 度； ④.横向效应小。
中给出了为1/10和1/20时δ的数值。
误差δ的计算结果
l
δ（%）
1/10
1.62
1/20
0.52
2021
由表可知，应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈
小，相对误差δ愈小。当选中的应变片栅长为应变波长
的（1/10~1/20）时，δ将小于2%。
因为
f
式中 υ——应变波在试件中的传播速度； f——应变片的可测频率。
第3章电阻应变片式传感器1-PPT讲义
bhfrbhfr测量bk2s产品详细介绍采用国际流行的双梁式或剪切s梁结构拉压输出对称性好测量精度高结构紧凑安装方便广泛用于机电结合秤料斗秤包装秤等各种测力称重系统中供桥电压12vdc输入阻抗38020输出阻抗35010绝缘电阻2000m工作温度1050bk采用轮辐式结构高度低抗偏抗侧能力强测量精度高性能稳定可靠安装方便是大中量程精度传感器中的最佳形式广泛用于各种电子衡器和各种力值测量如汽车衡轨道衡吊勾秤料斗秤技术参数量程t12510203050供桥电压12vdc灵敏度152mvv输入阻抗73020非线性fs00300501输出阻抗70010重复性fs00300501绝缘电阻2000m滞后fs00300501工作温度1050允许过负荷120fs热零点偏移fs10主要用来测量流动介质的动态或静态压力应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件
产生的原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏 感栅的应变量逐渐减少。
电阻应变片的选择、粘贴技术
1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等缺陷，有 缺陷的应变片不能粘贴。
2.用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一 电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆.
3.试件表面处理：贴片处用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。
应变传感器在承重梁上
➢电阻应变片品种繁多, 形式多样。 ➢常用的应变片可分为两类: 金属电阻应变片和半导体电 阻应变片。
应变效应分析
•电阻应变片的工作原理是基于应变效应 •应变效应：即导体或半导体材料在外界力的作
用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，
这种现象称为“应变效应”。
l
l
F
F
r
4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹 均匀，立即放在应变贴片位置。
产生的原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏 感栅的应变量逐渐减少。
电阻应变片的选择、粘贴技术
1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等缺陷，有 缺陷的应变片不能粘贴。
2.用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一 电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆.
3.试件表面处理：贴片处用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。
应变传感器在承重梁上
➢电阻应变片品种繁多, 形式多样。 ➢常用的应变片可分为两类: 金属电阻应变片和半导体电 阻应变片。
应变效应分析
•电阻应变片的工作原理是基于应变效应 •应变效应：即导体或半导体材料在外界力的作
用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，
这种现象称为“应变效应”。
l
l
F
F
r
4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹 均匀，立即放在应变贴片位置。
传感器与测试技术课件第五章电阻应变片
2、电阻应变片的种类及材料 电阻应变片的种类
常用有丝式、箔式、半导体式和薄膜式应变片等。
丝式应变片：金属电阻应变片的典型结构。将一根高 电阻率金属丝（0.025mm左右）绕成栅形，粘贴在绝缘 的基片和覆盖层之间并引出导线构成。
？栅状
结构
dR /R S x
为了获得大的 电阻变化量
丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。 分为丝绕式和短接式两种。
电桥的工作特性:
1）不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度，尽量采 用半桥双臂或全桥方式。
1 R 0 Uo UI 4 R 0
1 R 0 Uo UI 2 R 0
R0 Uo UI R0
•在R0<<R0条件下，电桥的输出与 R0/R0成正比；
•全桥接法可以获得最大的输出，其灵敏度为半桥单 臂接法的4倍 。
5）焊线：用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。
6）用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘电阻，应 大于1000M欧。
7）应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。
5.2 测量电路及温度补偿
电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路 将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被 测量的测量。 1、测量电桥 电桥按其电源性质的不同可 以分为直流电桥和交流电桥。 直流电桥只能测量电阻，而 交流电桥可用于测量电阻、 电感和电容的变化。
电阻应变片
电阻应变片的选择、粘贴技术 1）目测 Nhomakorabea阻应变片有无折痕、断丝 等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。 2）用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥 中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆。
3）试件表面处理：贴片处用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。
电阻应变式压力传感器的原理
电阻应变式压力传感器的原理
电阻应变式压力传感器是一种常见的压力测量装置，其工作原理基于电阻在受力作用下发生应变的特性。
该传感器通常由一个金属薄膜或金属箔片制成，被粘贴或固定在一个特殊的基座上。
金属薄膜上通常有细微的导电电阻线路，这些线路被连接到外部电路上。
当传感器受到压力时，薄膜或箔片发生弯曲或拉伸，导致电阻线路的长度、宽度或电阻值发生变化。
通过测量电阻值的变化，可以间接确定压力的大小。
传感器外部的电路会通过电流的流过测量电阻并采集电阻值，根据电阻值的变化可以计算出压力的数值。
为了提高传感器的灵敏度和精度，常常采用电桥的结构来测量电阻值。
电桥由四个电阻元件组成，其中一个是传感器本身，其余三个用作参考电阻。
传感器和参考电阻之间形成一个电路，应变导致电桥平衡被破坏，使电桥的电压输出不为零。
通过测量电桥的电压输出，可以将其转化为压力值。
电阻应变式压力传感器的工作原理基于电阻值的变化，因此其测量的精度和灵敏度受到传感器材料、结构和外界环境等因素的影响。
为了保证测量的准确性，需要对传感器进行校准，并选择合适的传感器类型和参数。
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一、 电阻应变片的种类
1.丝式应变片
金属丝式应变片有回线式和短接式二种，如图2.3所示。 但回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘 贴，但其应变横向效应较大。
短接式应变片两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝 短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复 杂
图中 应变片 a、c回线式 b、d短接式
对半导体， KS值主要由电阻率相对变化所决定。
实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与
轴向应变成正比。通常KS在1.8～3.6范围内。
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11
3）应变片测试原理 在外力作用下，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。当测得应变片电阻值变化量为ΔR时，便可得到被
R R x
同样，当ε=0时，可得横向灵敏度系数
Ky
R
R y
r
横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应
系数c。即
cKy Kx
2nn l n 1 1 rr
由上式可见，r愈小，l愈大，则c愈小。即敏感栅越
窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小
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16
4.3 电阻应变片的种类、材料和参数
2
概述
电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测 力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到 0.01—0.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲 式、剪切式。
应变式传感器特征： ➢不同材料类型；金属应变片、半导体应变片 ➢应用范围；应变力、压力、转矩、位移、加速度； ➢主要优点；使用简单、精度高、范围大、体积小。
比例关系。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。
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10
物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。
KS由两部分组成：
前一部分是（1+2μ），由材料的几何尺寸变化引起，一 般金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6； 后一部分为 / ，电阻率随应变而引起的（称“压 阻效应”）。 l / l
对金属材料，以前者为主，则KS≈ 1+2μ；
R R K S L L 2 n 2 ( n l L 1 )r K S ( n 2 1 L )r K Sr
令
Ky (n21L)rKS Kx2n l2 (nL1)rKS
则
RRKxKyr
可见，敏感栅电阻的相对变化分别是ε和εr作用的结
果。
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15
当εr=0时，可得轴向灵敏度系数
Kx
1 2r1 2rco2s
每个圆弧形横栅的变形量Δl为
l 0 rd l0 r d 2 r r
纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅
的变形量为
L2n20 212 1rr
14
应变片敏感栅的总变形为
L L 1 L 2 2 n 2 n l 1 r n 2 1 rr
敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则 电阻相对变化为
S=π r 2
dS /S=2·dr/r
dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr。
由材料力学知
εr= –με
d R R d d l(1 l2 )d (12 )
将微分dR、dρ改写成增量ΔR、Δρ，则
R R(12 l//l) llK S
金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在
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7
4.2 电阻应变片的工作原理
1、应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值
将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。 2、电阻应变片的结构和工作原理 1）应变片的结构
由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4等组成。这些 部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应 根据使用条件和要求合理地加以选择。
2021
3
概述
➢广泛应用于－ 各种电子秤
2021
4
概述
高 精 度 电 子 汽 车 衡
动态电子秤
电子天平
2021
5
概述
吊秤
机械秤包装机
2021
6
4.1 电阻应变式传感器的工作原理
电阻应变式传感器是利用电阻应变 片将应变转换为电阻变化的传感器, 传 感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感 元件构成。 当被测物理量作用在弹性 元件上时, 弹性元件的变形引起应变敏 感元件的阻值变化, 通过转换电路将其 转变成电量输出, 电量变化的大小反映 了被测物理量的大小。
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2.箔式应变片 它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.003～0.01mm的金
属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。 优点：①.可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长l可 做0.2mm，以适应不同的测量要求；②.与被测件粘贴结面积 大； ③.散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏 度； ④.横向效应小。
测对象的应变值， 根据应力与应变的关系，得到应力值
σ为
σ=E·ε
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3、横向效应
金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅， 测量应变时，构件的轴向应变ε使敏感栅电阻发生变化， 其横向应变εr也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化 (除了ε起作用外)，应变片的这种既受轴向应变影响， 又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效 应。
43
b
2
l
栅宽
栅长
1
电阻应变202片1 结构示意图
8
2）电阻-应变特性
设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，其
电阻R为
R l
两边取对数，得
S ln R ln ln lln S
等式两边取微分，得
dR d dldS Rl S
dll方dR—向R —上金的—属应—丝变电长或阻度轴的相向相对应对变变变化；化，；用d2d0SSε2表1—示——，截—ε面=电积阻的率d相ll 的对称相变为对化金变。属化丝；9长度
图为 应变片敏感栅半
圆弧部分的形状。沿 轴向应变为ε，沿横向 应变为εr 。
θ
dθ
dl
20丝21绕式应变片敏感栅半圆弧形部分13
若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴
向应变ε作用下，全部纵栅的变形视为ΔL1
ΔL1= n lε 半圆弧横栅同时受到ε和εr的作用，在任一微小段长度 d l = r dθ上的应变εθ可由材料力学公式求得
传 感 器 原理
设计及应用
第四章 电阻应变式传感器
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主要内容
电阻应变式传感器的工作原理 电阻应变片的工作原理 电阻应变片的种类、材料和参数 电阻应变片的动态响应特性 粘合剂和应变片的粘贴技术 电阻应变片传感器的温度误差及其补偿 电阻应变式传感器的信号调节电路及电阻应变仪 电阻应变式传感器
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1.丝式应变片
金属丝式应变片有回线式和短接式二种，如图2.3所示。 但回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘 贴，但其应变横向效应较大。
短接式应变片两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝 短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复 杂
图中 应变片 a、c回线式 b、d短接式
对半导体， KS值主要由电阻率相对变化所决定。
实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与
轴向应变成正比。通常KS在1.8～3.6范围内。
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3）应变片测试原理 在外力作用下，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。当测得应变片电阻值变化量为ΔR时，便可得到被
R R x
同样，当ε=0时，可得横向灵敏度系数
Ky
R
R y
r
横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应
系数c。即
cKy Kx
2nn l n 1 1 rr
由上式可见，r愈小，l愈大，则c愈小。即敏感栅越
窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小
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4.3 电阻应变片的种类、材料和参数
2
概述
电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测 力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到 0.01—0.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲 式、剪切式。
应变式传感器特征： ➢不同材料类型；金属应变片、半导体应变片 ➢应用范围；应变力、压力、转矩、位移、加速度； ➢主要优点；使用简单、精度高、范围大、体积小。
比例关系。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。
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物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。
KS由两部分组成：
前一部分是（1+2μ），由材料的几何尺寸变化引起，一 般金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6； 后一部分为 / ，电阻率随应变而引起的（称“压 阻效应”）。 l / l
对金属材料，以前者为主，则KS≈ 1+2μ；
R R K S L L 2 n 2 ( n l L 1 )r K S ( n 2 1 L )r K Sr
令
Ky (n21L)rKS Kx2n l2 (nL1)rKS
则
RRKxKyr
可见，敏感栅电阻的相对变化分别是ε和εr作用的结
果。
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当εr=0时，可得轴向灵敏度系数
Kx
1 2r1 2rco2s
每个圆弧形横栅的变形量Δl为
l 0 rd l0 r d 2 r r
纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅
的变形量为
L2n20 212 1rr
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应变片敏感栅的总变形为
L L 1 L 2 2 n 2 n l 1 r n 2 1 rr
敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则 电阻相对变化为
S=π r 2
dS /S=2·dr/r
dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr。
由材料力学知
εr= –με
d R R d d l(1 l2 )d (12 )
将微分dR、dρ改写成增量ΔR、Δρ，则
R R(12 l//l) llK S
金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在
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4.2 电阻应变片的工作原理
1、应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值
将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。 2、电阻应变片的结构和工作原理 1）应变片的结构
由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4等组成。这些 部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应 根据使用条件和要求合理地加以选择。
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概述
➢广泛应用于－ 各种电子秤
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概述
高 精 度 电 子 汽 车 衡
动态电子秤
电子天平
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概述
吊秤
机械秤包装机
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4.1 电阻应变式传感器的工作原理
电阻应变式传感器是利用电阻应变 片将应变转换为电阻变化的传感器, 传 感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感 元件构成。 当被测物理量作用在弹性 元件上时, 弹性元件的变形引起应变敏 感元件的阻值变化, 通过转换电路将其 转变成电量输出, 电量变化的大小反映 了被测物理量的大小。
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2.箔式应变片 它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.003～0.01mm的金
属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。 优点：①.可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长l可 做0.2mm，以适应不同的测量要求；②.与被测件粘贴结面积 大； ③.散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏 度； ④.横向效应小。
测对象的应变值， 根据应力与应变的关系，得到应力值
σ为
σ=E·ε
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3、横向效应
金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅， 测量应变时，构件的轴向应变ε使敏感栅电阻发生变化， 其横向应变εr也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化 (除了ε起作用外)，应变片的这种既受轴向应变影响， 又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效 应。
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b
2
l
栅宽
栅长
1
电阻应变202片1 结构示意图
8
2）电阻-应变特性
设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，其
电阻R为
R l
两边取对数，得
S ln R ln ln lln S
等式两边取微分，得
dR d dldS Rl S
dll方dR—向R —上金的—属应—丝变电长或阻度轴的相向相对应对变变变化；化，；用d2d0SSε2表1—示——，截—ε面=电积阻的率d相ll 的对称相变为对化金变。属化丝；9长度
图为 应变片敏感栅半
圆弧部分的形状。沿 轴向应变为ε，沿横向 应变为εr 。
θ
dθ
dl
20丝21绕式应变片敏感栅半圆弧形部分13
若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴
向应变ε作用下，全部纵栅的变形视为ΔL1
ΔL1= n lε 半圆弧横栅同时受到ε和εr的作用，在任一微小段长度 d l = r dθ上的应变εθ可由材料力学公式求得
传 感 器 原理
设计及应用
第四章 电阻应变式传感器
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主要内容
电阻应变式传感器的工作原理 电阻应变片的工作原理 电阻应变片的种类、材料和参数 电阻应变片的动态响应特性 粘合剂和应变片的粘贴技术 电阻应变片传感器的温度误差及其补偿 电阻应变式传感器的信号调节电路及电阻应变仪 电阻应变式传感器
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