力及压力测量-应变
压力(力)的测试
压力的分类
压力可分为: 静态压力和 压力可分为 静态压力和动态压力 静态压力：不随时间变化或变化非常缓慢的压力。 静态压力：不随时间变化或变化非常缓慢的压力。 动态压力：随时间变化的压力（如脉动压力、 动态压力：随时间变化的压力（如脉动压力、爆炸冲 击波压力等）。 击波压力等）。 压力测量方法 静态压力测量： 静态压力测量： 一般采用压力表、压力变送器进行测量。 一般采用压力表、压力变送器进行测量。
εp =
2−µ D p; n= E ( n 2 − 1) D0
P
D0
D
零应变用于 温度补偿
筒式压力传感器
空腔式应变测压传感器的固有频率要受填充在应变 筒空腔中的油柱的限制。 筒空腔中的油柱的限制。这种传感器的固有频率在 5至7kHz在的范围内。 在的范围内。 至 在的范围内
3)测压弹性元件是柱形圆筒，受轴向压力后，产生 测压弹性元件是柱形圆筒，受轴向压力后， 测压弹性元件是柱形圆筒 轴向变形。 轴向变形。
压电测压传感器的固有频率和以下的因素有关： 压电测压传感器的固有频率和以下的因素有关： 传感器的活动零件，如活塞等的质量越小， 1．传感器的活动零件，如活塞等的质量越小，刚 度越大，则传感器的固有频率越高。 度越大，则传感器的固有频率越高。 传感器壳体的刚度越大，零件的紧因性越好， 2．传感器壳体的刚度越大，零件的紧因性越好， 则固有频率越高。 则固有频率越高。 压电传感器的固有频率—般可达25～100kHz。 般可达25 压电传感器的固有频率 般可达25～100kHz。 压电测压传感器的低频特性不好， 压电测压传感器的低频特性不好，这是压电传感 器的一个缺点。 器的一个缺点。产生这个缺点的原因在于静电荷 泄漏。很明显， 泄漏。很明显，压电传感器的绝缘电阻也不可能 是无限大的；测试电路输入的阻抗也不可能是无 是无限大的； 限大的，这样就不可避免的要发生静电荷的泄漏， 限大的，这样就不可避免的要发生静电荷的泄漏， 破坏了压力和电量(电压)之间的正比关系。 破坏了压力和电量(电压)之间的正比关系。在测 试快速变化过程时，由于持续时间短， 试快速变化过程时，由于持续时间短，漏电的影 响不大；但是对于缓慢变化的过程， 响不大；但是对于缓慢变化的过程，漏电可能产 生较大的误差。 生较大的误差。
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。
电阻应变片
dA
l A
d)
dl l
dA A
d
应变效应——金属丝
电阻相对变化量:
dR dl dA d R l A
对于截面积变化量 转换为直径变化:
dA DdD dD A D2 / 2 2 D
根据材料力学横向收 缩和纵向伸长关系:
r
dD D
dl l
t
Rt / R0 K0
[
/ K0
(g
s )]t
上述结果表明：环境温度的变化一定会引起附加测量 应变的误差，是不能忽略的，温度变化越大，则所引 起的误差越大，有必要在设计中加以考虑补偿的方法。
温度补偿方法：
1.热敏元件法：在测量电路中增加负温度系数电阻。 2.补偿片法：利用电桥电路的差动特性，消除温度影响。 3.组合自补偿法：适当选择材料的温度系数和线胀系数， 满足下式：
电阻式传感器
利用敏感体受到某种物理状态的变化，其电阻也随之 变化的特性，把这种电阻变化通过测量电路的转换， 形成电能形式（电压，电流，频率等）的信号变化， 经传递、放大、处理，最终变成显示值。
常见的有：电位器式传感器，热电阻式传感器，热敏 电阻传感器，气敏传感器，湿敏传感器，应变片传感 器等。
（4） 粘结剂
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。
应变式传感器的分类
应变式传感器的分类
应变式传感器是一种常见的物理量传感器，可以通过测量应变来检测各种物理量，如力、压力、重量等。
根据不同的分类标准，应变式传感器有多种分类方式：
1. 根据用途分类：应变式传感器可以用于测量力、压力、重量等物理量，因此可以根据其用途分为测力传感器、称重传感器、压力传感器等。
2. 根据结构形式分类：应变式传感器可以根据其结构形式分为平膜片式、平行梁式、柱式、桥式、悬臂梁式、双梁式、轮辐式、压力环式、板环式等。
3. 根据敏感元件分类：应变式传感器主要由敏感元件和转换元件组成，因此也可以根据敏感元件的材料和结构分为金属电阻应变片和半导体应变片。
4. 根据测量范围分类：应变式传感器可以用于测量各种物理量，其测量范围也各不相同，因此可以根据测量范围分为微应变传感器和大量程传感器。
5. 根据输出信号分类：应变式传感器可以根据其输出信号的类型分为模拟输出和数字输出两种类型。
总之，应变式传感器的分类方式多种多样，可以根据不同的需求和标准进行选择。
应变片式压力传感器工作原理
应变片式压力传感器工作原理应变片式压力传感器是一种常用的压力测量设备，它通过检测物体受力而产生的应变来测量压力大小。
其工作原理基于材料力学中的应变-应力关系。
应变片式压力传感器的工作原理可以分为两个主要步骤：应变测量和压力计算。
首先，应变片感知物体受力后产生的应变。
应变片是一种特殊的电阻材料，通常由金属或半导体材料制成。
当物体受力时，应变片会发生微小的形变，从而产生应变。
应变片上的电阻值会随着应变的变化而发生相应的变化。
为了测量应变片上电阻的变化，常用的方法是采用电桥电路。
电桥电路由四个电阻组成，其中一个电阻是变化的应变片电阻，其余三个电阻是固定的。
当应变片受到应变时，电桥电路中的电阻差会导致电压差的产生。
这个电压差可以通过测量电桥电路的输出电压来得到。
接下来，根据应变和压力之间的线性关系，可以通过压力传感器的校准曲线来将输出电压转换为压力值。
校准曲线可以通过实验测量获得，将已知压力值与输出电压值进行对应，获得一个压力-电压的关系曲线。
当测量到的输出电压通过校准曲线转换后，就可以得到物体所受的压力值。
应变片式压力传感器的精度和灵敏度主要取决于应变片的材料和几何形状。
常用的应变片材料有金属（如钢、铜、铝）和半导体材料（如硅）。
不同的材料具有不同的力学性质，因此适用于不同范围的压力测量。
此外，应变片的形状和布局也会影响传感器的灵敏度和响应速度。
需要注意的是，应变片式压力传感器在使用过程中还需要考虑温度对其性能的影响。
由于材料的热膨胀性质，温度变化会导致应变片的形变，从而产生误差。
为了解决这个问题，常见的方法是在应变片上加热敏电阻，通过测量电阻值的变化来补偿温度的影响。
应变片式压力传感器通过检测物体受力而产生的应变来测量压力大小。
其工作原理基于应变测量和压力计算两个步骤。
通过测量应变片上电阻的变化，并将输出电压转换为压力值，可以实现对压力的准确测量。
在实际应用中，还需要考虑材料的选择和温度补偿等因素，以提高传感器的性能和精度。
说明应变式压力和力传感器的基本原理
说明应变式压力和力传感器的基本原理
应变式压力传感器是一种基于材料的应变效应来测量压力的装置。
其基本原理是根据压力的作用，使传感器内的感应元件（通常为金属片、铂阻、半导体晶体等）产生变形，通过测量这种变形来确定压力的大小。
具体原理如下：
1. 压力作用下的应变效应：当外力作用在物体上时，物体会发生应变，即形状和尺寸发生变化。
应变分为压缩应变和拉伸应变两种，其大小与施加在物体上的压力成正比。
2. 应变测量：应变式压力传感器内部通常有一个弹性敏感元件，例如弹性金属片或细丝。
当外力施加在传感器上时，敏感元件会发生弹性变形，形成压缩或拉伸的应变。
3. 应变电桥：应变式压力传感器通常采用应变电桥来测量应变的大小。
应变电桥是由多个电阻组成的电路，其中包括一个感应元件和额外的参考电阻。
当感应元件发生应变时，感应元件上的电阻值也会发生变化，从而引起电桥电路的不平衡。
4. 输出信号：当应变电桥发生不平衡时，输出信号将产生。
这个不平衡信号可以是电流或电压变化，其大小与应变量呈线性关系。
通过测量不平衡信号的大小，可以确定外加压力的值。
5. 校准和放大：为了提高传感器的灵敏度和精度，通常需要对传感器进行校准和放大。
校准过程将不平衡信号与已知压力值进行比较，以建立压力与信号之间的关系。
放大器可以将传感
器输出信号放大到可测范围内，以便进行后续处理或显示。
综上所述，应变式压力传感器通过测量感应元件的应变量来间接测量压力的大小。
根据感应元件的不同材料和结构，可以设计出不同类型的应变式压力传感器，如压电式、电阻应变式、半导体式等。
混凝土轴心抗压试验测得的应力-应变曲线
混凝土轴心抗压试验测得的应力-应变曲线
混凝土轴心抗压试验是评估混凝土材料强度和耐久性的常规方法之一。
在该试验中，混凝土试件沿着其轴心受到均匀的压力载荷，并测量试件的应变（变形）以及所产生的应力（力/面积）。
通过绘制应力-应变曲线，可以分析混凝土在受力过程中的力学性能，并确定其强度特性。
在混凝土轴心抗压试验中，试件通常为长方体或圆柱形。
试件通常从现场制备混凝土中获得，并进行处理和养护以保证试件达到规定的强度等级。
试件应放置在试验室中进行测量，并在试验前进行称重和尺寸测量。
在试验过程中，测试设备应按照规范进行校准和验证，以确保测量精度和可靠性。
试件应慢慢加压，以避免产生冲击载荷并破坏试件。
在试验中，应记录试件受到的载荷和试件内部应变的变化。
在试验完成后，应根据载荷和应变数据确定应力-应变曲线。
应力-应变曲线的形状通常可分为三个阶段：线性弹性区、非线性弹塑性区和极限挤压区。
线性弹性区是指应变增加时应力与应变成比例变化。
应变过大时，混凝土开始发生塑性变形。
在这个阶段，应力-应变曲线不再是直线，而是开始呈现出拐点。
该拐点称为塑性极限。
最后，当应力达到极限压缩应力时，混凝土会发生快速破坏，并且该应力被称为混凝土的抗压强度。
该应力的值通常以每平方米（MPa）为单位表示。
绘制应力-应变曲线是评估混凝土材料性质的关键部分。
该曲线的形状和特征可以用于确定混凝土的强度特性，如抗压强度和抗弯强度。
通过分析该曲线，可以确定混凝土的性质，如刚度、弹性模量和柔软性。
应力-应变曲线是混凝土工程设计和材料质量控制的重要工具。
应变片式压力传感器测量桥路原理
应变片式压力传感器测量桥路原理下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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• 用应变片测试应变时，将应变片粘 贴在试件表面。当试件受力变形后， 应变片上的电阻丝也随之变形，从 而使应变片电阻值发生变化，通过 测量转换电路最终转换成电压或电 流的变化。
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三、应变片的种类
1、金属应变片（应变式压力传感器） （1）金属丝式 （2）箔式 （3）薄膜式 2、半导体应变片（压阻式压力传感器）
1bar=105Pa
1 PSI=6.89×103Pa
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2、压力的表示
绝对压力PJ
大气压力PD
表压力PB 1 PB= PJ －PD
真空度PZ（负压）
PZ＝ PD－ PJ
0
表压
绝对 压力
大气压力线
1
负压
真空度
绝对压力的零线
绝对 压力
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二、应变式传感器
1、应变片的工ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ原理
我们可以做这样一个较简单的实验：取一根细电阻丝， 记下其初始阻值（图中为10.01）。当我们用力将该电 阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加（增加到为 10.05）。测量应力、应变、力的传感器就是利用类似 的原理制作的。
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其他压力单位：
“工程大气压力”（kgf/cm2）、“毫米汞柱”
（大m气m压Hg）”、（“a毫tm米）水、柱”“（巴mm”H2（O）ba、r“）标、准 “PSI” ）、“PSI”（“磅力每平方英寸 ）
1 kgf/cm2 = 0.9807×105Pa
1mmH2O = 0.9807×10Pa 1 mmHg = 1.332×102Pa 1atm = 1.01325×105Pa
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• 薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀 等方法在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的 金属电阻薄膜的敏感栅, 最后再加上保护层。 它的优点是应变灵敏度系数大, 允许电流密 度大, 工作范围广。
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金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应 变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但 其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。
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 。
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实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量R R与材料力学中 的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的，即
R R
K
x
K—电阻应变片的灵敏度
x — 称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变 x通常很小，在应变测
量中，也常将之称为微应变
对于不同的金属材料，K 略微不同，一般为2左右。而对半导体材
料而言，由于其感受到应变时，电阻率 会产生很大的变化，所以灵敏度
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一、压力及其单位
1.什么是压力
垂直作用在单位面积上的力称压力。 在国际单位制（SI）和我国法定计量单位 中，压力的单位是“帕斯卡”，简称 “帕”，符号为“Pa”。
1Pa1N /m 21m kg 2m s21kgm 1s2
即1N的力垂直均匀作用在1m2的面积上所 形成的压力值为1Pa。
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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。 对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。
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（2） 基底和盖片
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。
（3） 引线
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。
比金属材料大几十倍。
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二、应变片的结构
与材料
由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。 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。
43
b
2
l
栅宽
1 电阻应变片结构示意图 栅长
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10
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（1） 敏感栅
由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、 200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。
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• 丝式应变片
丝式电阻片是用0.003mm-0.01mm的合 金丝绕成栅状制成的；
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箔式应变片
箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种 很薄的金属箔栅, 其厚度一般在0.003～0.01mm。其优 点是散热条件好, 允许通过的电流较大, 可制成各种所 需的形状, 便于批量生产。
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设有一长度为、截面积为A、半径为r、电阻率为 的金属单丝，它的电阻值R可表示为
R
l l A r2
当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时
，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生
变化。
例如
（1）金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大； （2）某些半导体受拉时,将变大，导致R变大。
第三章 压力及 力 检测
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1
压力的概念 和单位
压力及力的 测量
应变效应
应变式压力计
应变片
应变片温度补偿 与粘贴
压电式、压磁式、 电容式、霍尔式
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转换电路
应变式 力与压力传感器
2
1、压力的表示 2、应变片测力的原理 3、各种类型的应变片及其特点 4、应变片的温度误差及其补偿 5、应变片的应用电路
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（4） 粘结剂
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。