第5章 电阻应变式传感器
《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。
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
电阻应变式传感器是一种常用的传感器，它可以将物体的应变转化为电阻的变化，从而实现对物体应变的测量。
其工作原理主要是利用电阻在受力作用下产生的应变效应，通过测量电阻值的变化来确定物体的应变情况。
首先，我们来了解一下电阻应变式传感器的基本结构。
它由电阻应变片、支撑件、固定件、连接线等部分组成。
其中，电阻应变片是传感器的核心部件，它通常由金属材料制成，具有一定的弹性。
当外力作用于物体表面时，电阻应变片会发生形变，从而导致其电阻值发生变化。
这种变化可以通过连接线传输到测量仪器中进行检测和分析。
其次，我们来看一下电阻应变式传感器的工作原理。
当外力作用于物体表面时，物体会产生应变，即单位长度内的形变量。
电阻应变片固定在物体表面上，随着物体的应变而产生相应的形变，从而使得电阻值发生变化。
这种变化可以通过连接线传输到测量仪器中，并经过放大、滤波等处理后，最终得到物体的应变情况。
在实际应用中，电阻应变式传感器通常被安装在需要测量应变的物体表面上。
当物体受到外力作用时，电阻应变片会产生相应的应变，从而使得电阻值发生变化。
通过测量仪器对电阻值的变化进行监测和分析，就可以得到物体的应变情况。
这种测量方法简单、灵敏，可以广泛应用于工程、科研等领域。
总的来说，电阻应变式传感器的工作原理是利用电阻在受力作用下产生的应变
效应，通过测量电阻值的变化来确定物体的应变情况。
它具有结构简单、测量精度高、响应速度快等优点，因此在工程、科研等领域得到了广泛的应用。
希望通过本文的介绍，能够让大家对电阻应变式传感器有更深入的了解。
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，
电阻应变式传感器实验报告
电阻应变式传感器实验报告
实验目的：
1. 了解电阻应变式传感器的工作原理
2. 掌握使用电阻应变式传感器进行力的测量的方法
3. 学习利用电阻应变式传感器测量应变和转换为电信号的过程
实验器材：
1. 电阻应变式传感器
2. 力传感器
3. 电源
4. 模数转换器
5. 电压计
实验步骤：
1. 搭建实验电路，将电源与电阻应变式传感器、模数转换器和电压计连接起来。
2. 将电阻应变式传感器安装在测量目标上，如测量弹簧的伸缩变化。
3. 通过调整电源的电压，使电阻应变式传感器的输出电压适合模数转换器的输入范围。
4. 通过读取电压计上的电压数值，记录下电阻应变式传感器输出的电压。
5. 通过改变测量目标的力大小，观察电阻应变式传感器输出电压的变化。
实验结果：
1. 根据实验数据计算出电阻应变式传感器的灵敏度。
2. 绘制出电阻应变式传感器输出电压与力大小的关系曲线。
3. 根据曲线上的数据点，计算出力与电阻应变式传感器输出电压之间的线性关系。
实验分析：
1. 分析电阻应变式传感器的工作原理，解释实验结果。
2. 探讨电阻应变式传感器的优缺点，以及其在实际应用中的使用场景。
结论：
通过实验，我们成功地使用电阻应变式传感器进行了力的测量，并了解了电阻应变式传感器的工作原理和应用。
我们还计算了电阻应变式传感器的灵敏度，并绘制了力和电压之间的关系曲线。
实验结果表明，电阻应变式传感器在测量力方面具有较高的精度和稳定性，适用于各种应用领域。
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是一种常用的传感器，它可以将被测物体的应变变化转化为电阻值的变化，从而实现对被测物体应变的测量。
其工作原理主要包括应变测量原理和电阻变化原理两个方面。
首先，我们来看看电阻应变式传感器的应变测量原理。
当外力作用于被测物体时，物体会产生应变，即单位长度或单位面积上的形变。
而电阻应变式传感器的测量原理就是利用被测物体在受力作用下产生的微小应变，使其表面上的电阻值发生相应的变化。
这种应变导致了电阻值的变化，进而实现了对应变的测量。
其次，电阻应变式传感器的电阻变化原理也是其工作原理的重要部分。
在电阻应变式传感器中，通常会使用一种特殊的材料制成弹性应变片，当被测物体产生应变时，这些应变片也会受到影响而发生微小的形变。
这种形变会导致应变片上的电阻值产生相应的变化，从而实现了对应变的测量。
总的来说，电阻应变式传感器的工作原理是利用被测物体在受力作用下产生的微小应变，使其表面上的电阻值发生相应的变化，从而实现了对应变的测量。
通过测量电阻值的变化，我们可以准确地了解被测物体所受到的应变情况，为工程实践和科学研究提供了重要的数据支持。
除此之外，电阻应变式传感器还具有灵敏度高、响应速度快、可靠性高等优点，因此在工业自动化控制、航空航天、汽车工业、建筑工程等领域得到了广泛的应用。
它不仅可以用于测量金属、非金属材料的应变，还可以用于测量温度、压力等物理量，因此在工程领域具有重要的地位和作用。
综上所述，电阻应变式传感器的工作原理是基于应变测量原理和电阻变化原理，通过对被测物体产生的微小应变和电阻值的变化进行测量，从而实现了对应变的准确测量。
它在工业领域有着广泛的应用前景，对于提高生产效率、保障产品质量具有重要的意义。
电阻应变式传感器的原理
电阻应变式传感器的原理电阻应变式传感器是一种常用的力量和力测量传感器，工作原理是基于材料的电阻变化与应变的线性关系。
当外力作用于电阻应变式传感器时，材料会发生应变，导致电阻值的变化。
通过测量电阻的变化量，可以间接获得外力的大小。
电阻应变式传感器通常由弹性体材料制成，如金属。
它的结构包括一个弹性体材料的梁或片状结构，上面固定有电阻应变片。
在正常情况下，电阻应变片是静止的，电阻值保持不变。
当外力作用于弹性体材料时，它会发生形变，导致电阻应变片的尺寸和形状发生变化，从而改变了电阻值。
电阻应变式传感器的电阻变化原理是基于电阻材料的几何形状改变和电阻率的变化。
当外力作用于电阻应变片时，它的长度、宽度和厚度等尺寸会发生微小的变化，导致电阻值的变化。
这是因为电阻应变片作为一个弹性体，其几何形状和尺寸改变会导致电阻率的变化。
电阻率是电阻与材料的几何形状和材料特性有关，当这些参数发生变化时，电阻率也会发生变化。
在电阻应变式传感器中，电阻率的变化主要是由于应变引起的。
应变是弹性体材料在受力下发生的形变。
它可以是拉伸应变、压缩应变或剪切应变。
不同的应变类型对应不同的电阻变化。
例如，当传感器受到拉伸应变时，电阻应变片的长度会增加，宽度和厚度会减小，导致电阻值的增加。
相反，当传感器受到压缩应变时，电阻应变片的长度会减小，宽度和厚度会增加，导致电阻值的减小。
为了测量电阻的变化，电阻应变式传感器通常采用电桥电路。
当传感器的电阻值发生变化时，电桥电路会产生电压输出。
这个输出信号可以被放大和处理，最终转换为可用的电信号，如电压或电流。
通过测量输出信号的大小，可以获取外力的大小，从而实现对力量和力的测量。
电阻应变式传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高等优点，广泛应用于工业自动化、结构健康监测、航空航天等领域。
在实际应用中，需要根据具体的测量要求选择合适的电阻应变式传感器，包括合适的材料、结构和测量范围等。
此外，还需要考虑温度对电阻值的影响，以及传感器的防护和保护措施，以确保测量的准确性和可靠性。
电阻式传感器
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金属应变片受轴向力作用时， 其灵敏系数为
K12d/12
R
半导体应变片的电阻率相对变化量与半导体敏感元件在 轴向所受的应变力有关，其关系为
dE
式中： π——半导体材料的压阻系数; σ——半导体材料的所受应变力; E——半导体材料的弹性模量;
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，所以灵敏度比金属材料大几十 倍。
在材料力学中， =/l称为电阻丝的轴向应变，也称纵 向应变，是量纲为1的数。 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
U g Ig R g R 1 R 2 R 3 R 4 E R 1 g R [ 1 R R 1 4 R 2 R R 2 3 R 3 R 4 R 3 R 4 R 1 R 2 ]
当R1R4=R2R3时，Ig=0，Ug=0，即电桥处于平衡状态。 若电桥的负载电阻Rg为无穷大，则B、D两点可视为开 路，上式可以化简为
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4.焊接： 将引线和端 子用烙铁焊 接起来，注 意不要把端 子扯断。
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5.固定： 焊接后用胶布 将引线和被测 对象固定在一 起，防止损坏 引线和应变片。
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3、应变片的温度误差及补偿
1. 应变片的温度误差
由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误 差， 称为应变片的温度误差。 产生应变片温度误差的主要 因素有下述两个方面。
此方法简单易行，能在较大温度范围内进行补偿。缺点 是三个条件不易满足，尤其是条件③。在某些测试条件 下201，9/11温/3 度场梯度较大，R1和R2很难处于相同温度点。27
电阻应变式传感器
U
o
2 ）对称电桥
对于电源左右两边对称，例如 产生纵向应变 ， 产生横向应 R2 R1 变 ， 、 为固定电阻。因此得：
r
R3
R4
U
U 4
R3
o
若
R1
和
o
均是产生纵向应变的应变片，
k
KU U
o
k (1 )
KU
U
o
U 4
R4
k (1 )
R2
和
是固定电阻，则
• 金属电阻应变片常用的三种。
金属电阻应变片
– 丝式:常用高电阻率的金属电阻丝制成，允许最大工作电流较小。 – 箔式:通过光刻、腐蚀等工序制成的一种很薄的金属箔栅，允许最 大工作电流较大，灵敏度高。 – 薄膜式:是采用真空蒸镀技术在薄的绝缘基片上蒸镀上金属电阻材 料薄膜，允许最大工作电流较大，灵敏度较高。
(1 2 ) k R
k • 式中， 1 2 称为应变灵敏度系数。由于大多数金属材料的 0.3 ~ 0.5 之间，所以 k 在1.6~2.0之间。 • 金属电阻应变片具有分辨率高，非线性误差小；温漂系数小；测量范 围大，可从弹性变形一直测至塑性变形（1％～2％），可超载达20％； 既能测量静态应变，又能测量动态应变；价格低廉，品种繁多，便于 选择和大量使用等优点，因此在各行各业都广泛应用。
U
o
U 2
k (1 )
2U
o2
2 40
2U
o
kU (1 )
kU (1 )
2 10 (1 0 . 5 )
2666 10
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三、应变片的温度误差及补偿
1. 应变片的温度误差
• 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应 变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有两个方面:
(1) 电阻温度系数的影响 Rt= R0（1+α 0Δ t）
阻丝的灵敏系数K0小，这种现象称为应变片的横向效应。
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应变片轴向受力及横向效应
(a) 应变片及轴向受力图
(b) 应变片的横向效应图
应变片轴向受力及横向效应
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S 式中：ρ——电阻丝的电阻率
L ——电阻丝的长度；
R
.L
mm2 / m；
S ——电阻丝的截面积。
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4
金属电阻丝的应变效应
金属电阻丝的应变效应
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3）覆盖层：作用，防潮、防蚀、防损等。
4）引线：通常取直径约为0.1～0.15mm的低阻镀锡铜线
b
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2.2
电阻应变片的种类及特性
1. 丝式金属应变片的敏感栅由直径 0.01mm~0.05mm 的电阻 丝平行排列而成。
dS 2dr S r
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6
应变效应：
由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴 向伸长，沿径向缩短，那么轴向应变和径向应变的关系可表
示为：
dr dL r L
dR d (1 2 ) R
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应力值σ←应变ε ←电阻值的变化ΔR ←输出电量U 这就是利用应变片测量应变的基本原理。
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电阻应变式传感器原理演示
电阻应变式传感器原理演示
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2. 半导体应变片
• •
压阻效应: 是指半导体材料在某一轴向受外力作用时，其 电阻率ρ 发生变化的现象。 半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为
dR d (1 2 ) R
式中， dρ/ρ 为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值 与半导体敏感元件在轴向所受的应力关系为 d : 压阻系数 E
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三、应变片测量应变的基本原理
•
当测得应变片电阻值变化量 ΔR时，便可得到被测对象 的应变值。根据应力与应变的关系，得到应力值σ为
σ=E·ε
•
式中 ：σ——试件的应力；
ε——试件的应变； E——试件材料的弹性模量。
• •
5
应变效应：
当电阻丝受到拉力 F作用时，将伸长 ΔL，横截面积相应 减小ΔS，电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ，故引起 电阻值相对变化量为
dR d dL dS R L S
式中：dL/L—长度相对变化量，用应变ε表示：
dL L
dS/D—圆形电阻丝的截面积相对变化量，即
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应变片的粘贴
（1）准备：试件，打磨→清洗净打磨面→划线→涂一薄层粘结剂作底；应变 计，外表和阻值检查→刻划轴向标记→清洗。 （2）涂胶：在准备好的试件表面和应变片基底上均匀涂一薄层粘结剂。 （3）贴片：按坐标线对准贴上→用手指顺轴向滚压→固化处理。 （4）复查：贴片偏差、阻值变化、引线和试件间的绝缘电阻。 （5）接线：通过中介接线片（柱）把应变片引线和导线焊接并加固。
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表5-1 常用金属电阻丝材料的性能
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康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于它有很多 优点：
1. 康铜的电阻温度系数较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，可使 电阻温度系数在±20×10-6/℃的范围内； 2. 灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数， 进入塑性
•
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（dρ/ρ）/ε。
•
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大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化 与应变成正比，即KS为常数。
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灵敏系数
• 定义K=(dR/R)/ε为应变片的灵敏系数。它表示安装在 被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时，引起的 电阻相对变化(dR/R)与其单向应力引起的试件表面轴 向应变(ε)之比。 • 注：应变片的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝 的灵敏系数，这是因为在单向应力产生应变时，应变 片的灵敏系数除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘 结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横 向效应的影响。
（6）防护：涂以中性凡士林油，石蜡（短期防潮）；或石蜡—松香 —黄油的 混合剂（长期防潮）；或环氧树脂，氯丁橡胶，清漆等（防机械划伤）。
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几种常用应变片的基本形式
(a) 箔式应变片
(b) 电阻丝式应变片
(c) 丝式应变片
几种常用应变片的基本形式
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金属电阻应变片的材料
对电阻丝材料应有如下要求： ① 灵敏系数大， 且在相当大的应变范围内保持常数； ②电阻率:ρ值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中 具有较大的电阻值； ③ 电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值； ④ 与铜线的焊接性能好， 与其它金属的接触电势小； ⑤ 机械强度高， 具有优良的机械加工性能。
2. 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。 3. 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，工作温度范 围较广 。
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2. 半导体应变片
dR (1 2 E ) R
实验证明，Eπ比（1+2μ）大上百倍，所以（ 1+2μ）可以 忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为
dR K R E
半导体应变片突出优点是灵敏度高，比金属丝式高50～ 80倍，尺寸小、横向效应小、动态响应好; 但它有温度系数 大、应变时非线性比较严重等缺点。
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5.1 电阻应变片工作原理 一、应变效应（电阻—应变特性）
应变效应：电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即在 导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，它的电 阻值相应发生变化。 一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为
若该应变片承受轴向应力而产生应变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丝电阻的变化。 综上所述，将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相 同，但由于应变片敏感栅的电阻变化较小，因而敏感栅的灵敏系数K, 较电
26
三、 应变片的温度误差及补偿
(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，电阻丝的变形仍和自由状态一样，不会产生附加变 形。当试件和电阻丝线膨胀系数不同时，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：
21
2. 半导体应变片
半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应 而制成的一种纯电阻性元件。当半导体材料某一轴向受 外力作用时，其电阻率会发生变化
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d dR R (1 2 )
式中：μ——电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。 可得
(1)
或
( 2)
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二、电阻丝的灵敏系数：
• 电阻丝的灵敏系数：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。 d dR K s R (1 2 ) 灵敏度系数受两个因素影响：
第5章
电阻应变式传感器
5.1工作原理