电阻应变式传感器.
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。
电阻应变式传感器
当温度变化∆t时，电阻丝电阻的变化值为：
∆Rα=Rt-R0=R0α0∆t
2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时，不论环境温度如 何变化，电阻丝的变形仍阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于环境温度的 变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。 设电阻丝和试件在温度为0℃时的长度均为l0, 它们的线膨胀 系数分别为βs和βg，若两者不粘贴，则它们的长度分别为
当电桥平衡时, Uo=0, 则有 或 R1R4 = R2R3
R1 R3 = R2 R4
电桥平衡条件：相邻两臂 电桥平衡条件 电阻的比值应相等, 或相 对两臂电阻的乘积相等。
电桥接入的是电阻应变片时，即为应变桥。当一个 桥臂、两个桥臂乃至四个桥臂接入应变片时，相应 的电桥为单臂桥、半桥和全臂桥。 2．不平衡直流电桥的工作原理及电压灵敏度
R1 Z1 = R1 + jwR1C1
R2 Z2 = R2 + jwR2C2
Z 3 = R3
输出电压
⋅ ⋅
Z 4 = R4
U ( Z1Z 4 − Z 2 Z 3 ) U0 = ( Z1 + Z 2 )( Z 3 + Z 4 )
要满足电桥平衡条件, 即U0=0, 则有 Z1 Z4 = Z2 Z3
或
∆R ∆ρ = (1 + 2 µ )ε + R ρ
∆ρ ∆R R = (1 + 2 µ ) + ρ
ε
ε
通常把单位应变能引起的电阻值变化称为金属电 阻丝的灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引起的 电阻相对变化量, 其表达式为 ∆ρ ρ K 0 = 1 + 2µ + ε ∆R = k 0ε 因此 R 灵敏度系数受两个因素影响: ①受力后材料几何尺寸的变化, 即（1+2µ）; ②受力后材料的电阻率发生的变化, 即∆ρ/
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。
电阻应变式传感器
a) 丝式
b) 箔式
金属电阻应变片结构
1 2
3
12 3 体型半导体应变片
图3-1-5 电阻应变片的类型
3.1.1 应变片的工作原理
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应变电阻效应
（1）金属材料的应变电阻效应
dRRd(12u)
∵d CdV ∷dVdldA(12u)
V Vl A
金属丝材的
∴ d R R {1 (2)C (12)}K m
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3.1 电阻应变式传感器
3.1.1 应变片的工作原理 3.1.2 电阻应变传感器的测量电路 3.1.3 电阻应变传感器的温度误差及其补偿 3.1.4 电阻应变传感器的应用 3.1.5 电阻应变传感器实训
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3.1.1 应变片的工作原理
• 图3-1-4示出了电 阻应变片的基本 结构。
• 由材料力学知，经向收缩 和r 轴向伸长 的关系为：
•
r
drd，l称为泊松比
r
l
• 则 d R R d l(1 l2 ) d (1 2 ) d
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3.1.1 应变片的工作原理
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• 下面分导体和半导体两种情况对 上式进行讨论： – 金属电阻应变片（按结构形 式分） • 丝式 • 箔式 • 薄膜式 – 半导体应变片 • 体型半导体应变片 • 薄膜型半导体应变片 • 扩散型半导体应变片
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3.1.2 电阻应变传感器的测量电路
• 由于电阻应变片工作时其电阻变化很微小，例如，一
片 k、2初始电阻120Ω的应变片，受1333微应变（约2吨
重的力）时，其电阻变化仅0.36Ω。 • 测量电路的任务是把微弱的电阻变化转换成电压或电流的
变化，因此常用直流电桥和交流电桥作为测量电路。 • 目前应变片电桥大都采用交流电桥，但由于直流电桥比较
电阻应变式传感器
提出问题？
当Ui值确定后, n值取何值时使K最高？
解决办法：
当dK/dn=0 时，求K的最大值。
U0 n K Ui R1 ( 1 n )2 R1
dK 1 n 3 dn 1 n
Ui 求得n=1时, K为最大值 K 4 即： 在电桥电压确定后, 当R1=R2=R3=R4时, 电桥电 压灵敏度最高, 此时有
结论：
U i R1 U0 4 R
当电桥电压Ui和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时, 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值, 且与各桥臂电 阻阻值大小无关。
d.存在的不足
R1
B R2
Io
A
R3 D R4
C RL
Uo
放大器
（1）考虑：
＋
Ui －
应变片R1工作时, 其电阻值变化很小， 即：△R1很小 电桥相应输出电压也很小，即：Uo很小
Ui －
K
分析可知：
U0 n Ui R1 (1 n)2 R1
—— 电桥电压灵敏度
① 电桥电压灵敏度K正比于电桥供电电压Ui Ui↑→ K↑ 但供电电压Ui的提高受到应变片允许功耗的限 制，所以要作适当选择; ② 电桥电压灵敏度K=K(n) ， 恰当地选择桥臂比n 的 值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。
特点： （1）测量量程大；
（2）防爆；
（3）可靠； （4）成本低。
钢丝
煤气包
原理 直接将代表煤气包储量的高度 变化转换为钢丝的电阻变化
玩具机器人（广州中鸣数码）
原理
直接将关节驱动电机的转动角 度变化转换为电阻器阻值变化
电子称
原理 将物品重量通过悬臂梁转化结 构变形再通过应变片转化为电 量输出。
应变式电阻传感器
2.横向效应
图2.11 金属电阻应变片的结构
当图2.12所示的丝式应变片粘贴在被测试件上时，由于其 敏感栅是由n条长度为l1的直线段和（n-1）个半径为r的半圆组 成，若该应变片承受轴向应力F而产生轴向应变εx时，则各直 线段的电阻将增加，但在半圆弧段则受到从+εx到-μεx之间变化 的应变，圆弧段电阻的变化将小于沿轴向安放的同样长度电阻
1.1 工作原理
电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体在产
生机械形变时，它的电阻值会发生相应的变化。如图2.10所 示，一根圆形金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为
R L
S
式中，ρ——电阻丝的电阻率； L——电阻丝的长度； S——电阻丝的横截面积。
（2-25）
ΔL
L
F Δr
r
图 2.10 金属电阻丝应变效应
B
R2
R1
A R4
C RL
U0
R3 D
E
图 2.14 直流电桥
（2）电压灵敏度 当R1为电阻应变片，R2、R3、R4为固定电阻时就构成单 臂电桥。
应变片工作时，其电阻值变化很小，电桥输出电压也很 小，一般需要加入放大器放大，由于放大器的输入阻抗 比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况； 当产生应变时，若应变片电阻变化为△R，其他桥臂固 定不变，电桥输出电压U0≠0，此时电桥不平衡输出电压 为
（1）直流电桥平衡条件
电桥如图2.14所示，E为电源，R1、R2、R3及R4为桥臂
电阻，RL为负载电阻。
当RL→∞时，电桥输出电压为
U0
E( R1 R1 R2
R3 R3 R4
)
(2-48)
当电桥平衡时，U0=0，则有
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、
电阻式应变传感器
电阻式应变传感器是以电阻应变计为转换元件的传感器，其精确测量工作的原理是应变式原理。
这种应变计可以将变形能量转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。
弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成的电阻应变式传感器，可以根据具体测量要求，设计成多种结构的形式。
还有这样的事实存在，弹性敏感元件如果受到所测量的力会产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。
目前，在测量行业内，常用的电阻应变式传感器有应变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器、应变式位移传感器、应变式加速度传感器和测温应变计等。
电阻应变式传感器的优点是精
度高，测量范围广寿命长,结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。
电阻式应变传感器常见的特点有以下几点：
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。
蚌埠高灵传感系统工程有限公司在自主创新的基础上开发生产出力敏系列各类传感器上百个品种，各种应用仪器仪表和系统，以及各种起重机械超载保护装置，可以广泛应用于油田、化工、汽车、起重机械、建设、建材、机械加工、热电、军工、交通等领域。
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①线路补偿
应变片一般用电桥作为转换电路:
单臂电桥的补偿，通过不受力的试件上贴的应变片接入另一桥臂; 半桥、全桥的自补偿；
热敏电阻的补偿，增加或减小输入电压。
②自补偿
原理：应变片的电阻温度系数-o与应变栅材料、退火温度等有关，适当控制材料和工
艺使:
结果：应变片的灵敏度比电阻丝的灵敏度要小
变片的温度误差及补偿
1）.应变片的温度误差的产生
1电阻温度系数
R
当温度变化人t时，「R.二Rt -Ro=Ro>0说
2电阻丝和试件线膨胀系数不同
设：电阻丝和试件温度0C时的长度为L。，温度变化后的长度分别为:
L
R二KoRo—二KoRojg-飞）t
3 温度引起的总附加应变
教学内容：
本讲内容介绍：
电阻应变式传感器具有悠久的历史， 是应用最广泛的传感器之一， 本节着重介绍作为应 变式传感器核心元件的电阻应变片的工作原理、种类、材料和参数；讨论其温度误差及其补
偿。并讨论电阻应变式传感器的测量电路。要求掌握应变式传感器的原理及应用。
一、 应变式传感器的工作原理
本节要求：
掌握应变式传感器的工作原理。
阻值，电阻丝排列成栅网状，故称为敏感栅。
2.应变片的分类
金属应变片和半导体应变片
金属应变片分：丝式、箔式
3.应变片的横向效应
应变片的灵敏系数K恒小于同一材料金属丝的灵敏系数Ks,其原因是由于横向效应的
影响。所谓横向效应是指将直的金属丝绕成敏感栅之后，在圆弧的各微段上，其轴向感受的
应变在+；x和；y=-「；x之间变化，从而造成了圆弧段电阻变化将小于沿纵轴方向安放的 同样长度电阻丝电阻变化的现象。
二、电阻应变片的结构、分类及特性
本节要求：
1）一般了解应变片的结构和分类。
2）掌握电阻应变片产生温度误差的主要原因及线路补偿方法。
1.电阻应变片的结构和分类
结构：电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。其中，敏感栅是应变片 的核心部分，它是用直径约为0.025mm的具有高电阻率的电阻丝制成的，为了获得高的电
第二讲电阻应变式传感器
教学目的要求：
1.掌握应变片的结构、分类及基本应变特性；
2.
熟练掌握应变式传感器的粘贴方法和接线方法，并能做相应的计算应用;
3.
掌握应变式传感器的基本应用。
教学重点：应变式传感器的粘贴方法和接线方法，并能做相应的计算应用
教学难点：应变式传感器的粘贴方法及应变式传感器的基本应用
教学学时：共4学时（其中作业习题讲解1学时）
电阻应变片的工作原理是 应变效应一一机械变形时，应变片电阻变化
图2-6金属丝应变效应
电阻丝的电阻:
：
求R的全微分得:
式中L是长度相对变化，即应变 ■:。
金属丝的变形有：
S
2^-
S r
式中"：泊松比，对于钢"_°・285
故应变效应数学表达式：
=（1 2
灵敏度系数:
因此应变的应变效应原理
R
K
R
式中K——电阻应变片的灵敏系数