电阻式传感器(应变式)
电阻应变式传感器的构成
电阻应变式传感器的构成一、电阻应变式传感器的概述电阻应变式传感器是一种常见的力学量测量传感器，它利用材料的应变与电阻值之间的关系，将物理量转换为电信号输出。
由于其结构简单、灵敏度高、可靠性好等优点，在工业生产和科学研究中得到广泛应用。
二、电阻应变式传感器的原理电阻应变式传感器利用了材料在受力作用下会发生形变这一物理现象。
当一个金属或合金材料受到外力作用时，其形状和尺寸会发生改变，这种改变被称为应变。
而材料的电阻值与其长度、截面积及导体材料有关，当材料发生形变时，导体长度和截面积也会随之改变，进而影响其电阻值。
因此，通过测量材料在受力作用下发生的应变程度以及相应的电阻值改变大小，就可以确定外力的大小。
三、电阻应变式传感器的构成1. 应力臂：是指将外力作用于该部位，并将该部位产生的应力转移到敏感元件上。
通常采用弹性杆或弹性薄片作为应力臂。
2. 敏感元件：是指将应变转化为电信号的部分，通常采用金属或合金材料制成，其电阻值随外力的大小而发生变化。
3. 支撑结构：支撑敏感元件和应力臂，使其能够承受外力作用并保持稳定。
4. 引线：将敏感元件的电信号传输到测量仪器中。
五、电阻应变式传感器的分类根据敏感元件的不同，电阻应变式传感器可以分为：1. 金属片式电阻应变式传感器：由薄金属片组成，当外力作用于其上时，产生形变从而改变其电阻值。
2. 金属箔式电阻应变式传感器：与金属片式类似，但由多个叠加在一起的薄金属箔组成，并采用绝缘材料隔开。
3. 桥式电阻应变式传感器：由四个敏感元件组成一个桥路电路，在测量中可消除温度对测量结果的影响。
4. 液体电阻应变式传感器：利用液体在受压作用下的体积变化，改变电阻值从而测量压力。
六、电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器广泛应用于工业生产和科学研究中，例如：1. 材料力学性能测试：如金属、塑料、橡胶等材料的拉伸、压缩、弯曲等性能测试。
2. 结构安全监测：如桥梁、大型建筑物等结构的安全监测。
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/
电阻式传感器(应变式传感器
d E
（2-10）
8
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; ε——半导体材料的应变。
将式（2-10）代入式（2-9）中得
dR (1 2 E)
R
（2-11）
实验证明，πE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
14
表2-1 常用金属电阻丝材料的性能 15
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：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常 数， 进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；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±50×10-6/℃的范围内；康铜的加工性能好，易于 焊接， 因而国内外多以康铜作为应变丝材料。
量为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
.2.1 金属电阻应变片的种类
引线
覆盖层 基片
b
l 电 阻 丝式 敏 感 栅
图2-2 金属电阻应变片的结构
11
敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其 上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。金属电阻 应变片的敏感栅有丝式和箔式两种形式，如图2-3所示。丝式金 属电阻应变片的敏感栅由直径0.01～0.05mm的电阻丝平行排列 而成。箔式金属电阻应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一 种很薄的金属箔栅， 其厚度一般为0.003~0.01mm，可制成各种 形状的敏感栅（即应变花），其优点是表面积和截面积之比大， 散热性能好，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。覆盖层与基片将敏感栅紧密地粘贴在中间，对 敏感栅起几何形状固定和绝缘、保护作用，基片要将被测体的 应 变 准 确 地 传 递 到 敏 感 栅 上 ， 因 此 它 很 薄 ， 一 般 为 0.03 ～ 0.06mm, 使它与被测体及敏感栅能牢固地粘合在一起，此外它 还应有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性能。基片和覆盖层 的材料有胶膜、纸、玻璃纤维布等。
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。
《电阻应变式传感器》课件
03
电阻应变式传感器的测量电路
直流电桥测量电路
优点
简单、可靠、稳定性好。
缺点
对温度变化敏感，需要采取温度 补偿措施。
交流电桥测量电路
优点
对直流电源的稳定性要求较低，可以减小电源波动对测量结 果的影响。
在工业生产过程中，电阻应变式压力传感器被广泛应 用于压力控制、流量控制等场合，如气瓶压力监测、 管道压力监测等。
汽车行业
汽车发动机、气瓶、刹车系统等都需要用到压力传感 器，来监测和控制各种气体和液体的压力。
位移传感器的应用实例
自动化生产线
在自动化生产线上，位移传感器被用来检测和控制系 统中的物体位置，如机器人手臂的定位、传送带的物 体位置检测等。
电阻应变式传感器
目 录
• 电阻应变式传感器简介 • 电阻应变式传感器的类型与特性 • 电阻应变式传感器的测量电路 • 电阻应变式传感器的误差来源与补偿方法 • 电阻应变式传感器的应用实例
01
电阻应变式传感器简介
定义与工作原理
定义
电阻应变式传感器是一种将应变转换为电阻变化的传感器，通过测量电阻的变 化来测量受力状态。
总结词
半导体应变式传感器具有高灵敏度、 低温度系数和良好的线性等优点。
详细描述
半导体应变式传感器利用半导体的压 阻效应，即当半导体受到外力作用时 ，其电阻值会发生变化。这种传感器 常用于测量加速度、压力和振动等物 理量。
陶瓷电阻应变式传感器
总结词
陶瓷电阻应变式传感器具有耐高温、耐 腐蚀、高绝缘性和良好的稳定性等特点 。