电阻应变式传感器介绍
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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》课件
1
电阻应变效应简介
深入了解电阻应变效应的基本原理和工作机制。
2
变形与电阻变化的关系
解释传感器受力变形时导致电阻变化的关系。
3
应变片的材料和制作工艺
探索应变片所使用的材料和制作工艺，以及其对传感器性能的影响。
电路设计
桥式电路的原理
了解桥式电路在电阻应变式传感 器中的作用和原理。
电阻应变式传感器的电路 设计要点
常见故障及排除方法
提供常见故障和ห้องสมุดไป่ตู้题的排除方法，确保传感器 的正常运行。
结论
1 优缺点和特点
总结电阻应变式传感器的优缺点和特点，了解其适用性和局限性。
2 市场前景和研究方向
展望电阻应变式传感器在未来的市场前景和可能的研究方向。
《电阻应变式传感器》 PPT课件
这是一份关于电阻应变式传感器的课件，将介绍该传感器的概述、原理、电 路设计和应用实例，帮助您理解其优缺点和市场前景。
传感器的概述
电阻应变式传感器
了解什么是电阻应变式传感器以及其在不同领 域的应用。
传感器的类型和特点
探索不同类型的传感器及其独特的特点和优势。
电阻应变式原理
探索设计电路时需要注意的关键 要点。
信号放大与滤波电路的设计
讲解信号放大和滤波电路在传感 器中的设计原则。
应用实例
1
工业自动化控制
展示电阻应变式传感器在工业领域中实
航空航天、汽车和建筑
2
际应用的案例。
探索电阻应变式传感器在航空航天、汽 车和建筑等领域的广泛应用。
维护与保养
维护周期和方法
讲解电阻应变式传感器的维护周期和适当的维 护方法。
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，
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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指 示 应 变 εi 卸载 Δε
加载 机械应变ε 应变片的机械滞后 Δε1
5.零漂和蠕变 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。 如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随 时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的 方向相反。 产生原因：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。 这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中 其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。
2.2.3 应变片的材料 1.敏感栅材料
对敏感栅的材料的要求： ①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数； ②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片； ③电阻温度系数要小； ④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强； ⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度； ⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材； ⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。 常用材料有：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、铂、 铂钨合金等，如下表。
0.45~0.52 1.0~1.1 1.24~1.42 1.24~1.42 1.3~1.5 0.74~0.76 0.09~0.11 0.35
±20 110~130 ±20 ±20 ±30~40 139~192 3900 90
2.0 2.1~2.3 2.4~2.6 2.4~2.6 2.6 3.0~3.2 4.6 1、压力、位移、应变、加速度等物理量；
力、压 力、位 移
弹性 敏感 元件
电阻 R 电桥 应变 电路 片
U
工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力 作用下电 阻值变化的效应——电阻应变效应 结构简单，使用方便 易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测； 灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；
类型 硝化纤维素 黏合剂 氰基丙烯酸 黏合剂
主要成分
牌号
适于黏合的基 底材料 纸 纸、胶膜、玻 璃纤维布
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
在金属丝的弹性范围内，灵敏系数KS 为常数，即 ：
R K s R
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110-6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110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导 致断裂。
7.允许电流：静态25mA,动态：75～100mA； 8.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。
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。 常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常 温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚 胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。
15 14 13.3 13.3 14 9 9 13
2.基底材料
基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持 敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称 为基底长，其宽度称为基底宽。 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
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
使用温度/℃
硝化纤维素溶剂 氰基丙烯酸酯
万能胶 501， 502
－50~80 －100~80 －50~150 －60~80 －100~250 －196~250 －60~150 －60~100 －60~350 －150~250 550
箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。 箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片 与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的 蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔 式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以 及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减 小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。 3.金属薄膜式应变片(vacuum-deposited thin-metal-film gage, sputter- deposited thin-metal-film gage) 厚度在0. 1μm以下的金属箔；
主要因素：粘结剂和基底材料 传递变形的性能及应变片的安 装质量。制造与安装应变片时， 应选用抗剪强度较高的粘结剂 和基底材料。基底和粘结剂的 厚度不宜过大，并应经过适当 的固化处理，才能获得较高的 应变极限。
疲劳寿命指对已粘贴好的应变片，在恒定幅值的交变力作用下， 可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。
康铜 镍铬合金 卡玛合金 6J22 伊文合金 6J23 铁铬铝合金 铂钨合金 铂 铂铱合金
Cu55 Ni45 Ni80 Cr20 Ni74,Cr20 Al3,Fe3 Ni75,Cr20 Al3,Cu2 Fe余量 Cr26,Al5.4 Pt90.5~91.5 W8.5~9.5 Pt Pt80,Ir20
聚酯树脂黏 合剂
不饱和聚酯树脂、过氧 化环已酮、萘酸钴干料
环氧树脂、聚硫酚铜胺、 固化剂 914 509 J06-2 JSF-2 1720 J-12 30-14 GJ-14 LN-3
胶膜、玻璃纤 维布
胶膜、玻璃纤 维布 胶膜、玻璃纤 维布 胶膜、玻璃纤 维布 胶膜、玻璃纤 维布 胶膜、玻璃纤 维布
环氧树脂类 黏合剂
2.绝缘电阻(敏感栅与基底间电阻值：要求>1010欧姆； 3.应变片的灵敏系数（K） 金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系， 用灵敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片后，其电阻—应变特性， 与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻—应变 特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变ε在 很宽的范围内均为线性关系。即
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。 应变片的横向效应表明，当实际使用应变片的条件与标定灵敏度 系数K时的条件不同时，由于横向效应的影响，实际K值要改变， 由此可能产生较大测量误差。为了减小横向效应的影响，一般多 采用箔式应变片。
P106
二氧化二铝
400℃3小时
700
800
4.引线材料
是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求： 电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数 敏感栅材料都可制作引线。
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。
R K R
R K R
K为金属应变片的灵敏系数。注意，K是在试件受一维应力作用，
应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的 钢材时测得的。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：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽 视的因素。
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。 产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形， 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，如果 敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。 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。
酚醛环氧、无机填料、 固化剂 环氧树脂、酚醛、甲苯 二酚、石棉粉等 酚醛树脂、聚乙烯醇缩 丁醛
酚醛树脂类 黏合剂
酚醛树脂、聚乙烯醇缩 甲乙醛 酚醛树脂、有机硅
胶膜、玻璃纤 维布
胶膜、玻璃纤 维布 金属薄片、临 时基底 金属薄片、临
聚酰亚胺黏 合剂 磷酸盐黏合 剂 氧化物喷涂
聚酰亚胺
磷酸二氢铝无机填料
应变片用于各种电子衡器
电子天平
磅秤
材料应变的测量
斜拉桥上的斜拉 绳应变测试
汽车衡称重系统
汽车衡
2.1 电阻应变片的工作原理 ——金属的电阻－应变效应
金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变 化的现象称为金属的电阻应变效应。
l R S
金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。
材料名称
化学成分%
电阻率 ρ/(Ω· mm² /m)
电阻温度系数 α/（10-6/℃）
加载 机械应变ε 应变片的机械滞后 Δε1
5.零漂和蠕变 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。 如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随 时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的 方向相反。 产生原因：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。 这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中 其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。
2.2.3 应变片的材料 1.敏感栅材料
对敏感栅的材料的要求： ①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数； ②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片； ③电阻温度系数要小； ④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强； ⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度； ⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材； ⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。 常用材料有：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、铂、 铂钨合金等，如下表。
0.45~0.52 1.0~1.1 1.24~1.42 1.24~1.42 1.3~1.5 0.74~0.76 0.09~0.11 0.35
±20 110~130 ±20 ±20 ±30~40 139~192 3900 90
2.0 2.1~2.3 2.4~2.6 2.4~2.6 2.6 3.0~3.2 4.6 1、压力、位移、应变、加速度等物理量；
力、压 力、位 移
弹性 敏感 元件
电阻 R 电桥 应变 电路 片
U
工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力 作用下电 阻值变化的效应——电阻应变效应 结构简单，使用方便 易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测； 灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；
类型 硝化纤维素 黏合剂 氰基丙烯酸 黏合剂
主要成分
牌号
适于黏合的基 底材料 纸 纸、胶膜、玻 璃纤维布
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
在金属丝的弹性范围内，灵敏系数KS 为常数，即 ：
R K s R
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110-6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110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导 致断裂。
7.允许电流：静态25mA,动态：75～100mA； 8.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。
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。 常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常 温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚 胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。
15 14 13.3 13.3 14 9 9 13
2.基底材料
基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持 敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称 为基底长，其宽度称为基底宽。 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
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
使用温度/℃
硝化纤维素溶剂 氰基丙烯酸酯
万能胶 501， 502
－50~80 －100~80 －50~150 －60~80 －100~250 －196~250 －60~150 －60~100 －60~350 －150~250 550
箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。 箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片 与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的 蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔 式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以 及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减 小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。 3.金属薄膜式应变片(vacuum-deposited thin-metal-film gage, sputter- deposited thin-metal-film gage) 厚度在0. 1μm以下的金属箔；
主要因素：粘结剂和基底材料 传递变形的性能及应变片的安 装质量。制造与安装应变片时， 应选用抗剪强度较高的粘结剂 和基底材料。基底和粘结剂的 厚度不宜过大，并应经过适当 的固化处理，才能获得较高的 应变极限。
疲劳寿命指对已粘贴好的应变片，在恒定幅值的交变力作用下， 可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。
康铜 镍铬合金 卡玛合金 6J22 伊文合金 6J23 铁铬铝合金 铂钨合金 铂 铂铱合金
Cu55 Ni45 Ni80 Cr20 Ni74,Cr20 Al3,Fe3 Ni75,Cr20 Al3,Cu2 Fe余量 Cr26,Al5.4 Pt90.5~91.5 W8.5~9.5 Pt Pt80,Ir20
聚酯树脂黏 合剂
不饱和聚酯树脂、过氧 化环已酮、萘酸钴干料
环氧树脂、聚硫酚铜胺、 固化剂 914 509 J06-2 JSF-2 1720 J-12 30-14 GJ-14 LN-3
胶膜、玻璃纤 维布
胶膜、玻璃纤 维布 胶膜、玻璃纤 维布 胶膜、玻璃纤 维布 胶膜、玻璃纤 维布 胶膜、玻璃纤 维布
环氧树脂类 黏合剂
2.绝缘电阻(敏感栅与基底间电阻值：要求>1010欧姆； 3.应变片的灵敏系数（K） 金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系， 用灵敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片后，其电阻—应变特性， 与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻—应变 特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变ε在 很宽的范围内均为线性关系。即
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。 应变片的横向效应表明，当实际使用应变片的条件与标定灵敏度 系数K时的条件不同时，由于横向效应的影响，实际K值要改变， 由此可能产生较大测量误差。为了减小横向效应的影响，一般多 采用箔式应变片。
P106
二氧化二铝
400℃3小时
700
800
4.引线材料
是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求： 电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数 敏感栅材料都可制作引线。
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。
R K R
R K R
K为金属应变片的灵敏系数。注意，K是在试件受一维应力作用，
应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的 钢材时测得的。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：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽 视的因素。
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。 产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形， 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，如果 敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。 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。
酚醛环氧、无机填料、 固化剂 环氧树脂、酚醛、甲苯 二酚、石棉粉等 酚醛树脂、聚乙烯醇缩 丁醛
酚醛树脂类 黏合剂
酚醛树脂、聚乙烯醇缩 甲乙醛 酚醛树脂、有机硅
胶膜、玻璃纤 维布
胶膜、玻璃纤 维布 金属薄片、临 时基底 金属薄片、临
聚酰亚胺黏 合剂 磷酸盐黏合 剂 氧化物喷涂
聚酰亚胺
磷酸二氢铝无机填料
应变片用于各种电子衡器
电子天平
磅秤
材料应变的测量
斜拉桥上的斜拉 绳应变测试
汽车衡称重系统
汽车衡
2.1 电阻应变片的工作原理 ——金属的电阻－应变效应
金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变 化的现象称为金属的电阻应变效应。
l R S
金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。
材料名称
化学成分%
电阻率 ρ/(Ω· mm² /m)
电阻温度系数 α/（10-6/℃）