第四章 力敏材料与力传感器,2012.10.26
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第四章力敏材料与力传感器,
实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量 RR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
Kx
2-1
K—电阻应变片的灵敏度
3. 测量电路——不平衡电桥
Uo
Ui 4
( R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 R4
)
2-3
由于 R R K
∴
力敏材料与力传感器
1. 弹性敏感元件 2. 应变式电阻传感器 3. 压阻式压力传感器 4. 压电式传感器 5. 电容式传感器 6. 电感式传感器 7. 转矩传感器
力是基本物理量之一，因此各种动态、静 态力的大小的测量是十分重要的。
力的测量需要通过力传感器间接完成，力 传感器是将各种力学量转换为电信号的器件。
Uo
Ui 4
K (1
2
3
4)
根据应用要求的不同，可接入不同数目的电阻 应变片，一般分为下面几种形式的电桥：
单臂电桥
全桥四臂工 作方式的灵敏度 最高，双臂半桥 次之，单臂半桥 灵敏度最低。
双臂电桥
R1、R2为应变片， R3、R4为固定电阻。应 变片R1、R2 感受到的应 变1~2以及产生的电 阻增量正负号相间， 可以使输出电压Uo成倍 地增大。
四臂全桥
全桥的四个桥臂都为应变片， 如果设法使试件受力后，应变
片R1 ~ R4产生的电阻增量（或 感受到的应变1~4）正负号相 间，就可以使输出电压Uo成倍
地增大。上述三种工作方式中， 全桥四臂工作方式的灵敏度最 高，双臂半桥次之，单臂半桥 灵敏度最低。采用全桥（或双 臂半桥）还能实现温度自补偿。
1
00 103 2 10
R R
Kx
2-1
K—电阻应变片的灵敏度
3. 测量电路——不平衡电桥
Uo
Ui 4
( R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 R4
)
2-3
由于 R R K
∴
力敏材料与力传感器
1. 弹性敏感元件 2. 应变式电阻传感器 3. 压阻式压力传感器 4. 压电式传感器 5. 电容式传感器 6. 电感式传感器 7. 转矩传感器
力是基本物理量之一，因此各种动态、静 态力的大小的测量是十分重要的。
力的测量需要通过力传感器间接完成，力 传感器是将各种力学量转换为电信号的器件。
Uo
Ui 4
K (1
2
3
4)
根据应用要求的不同，可接入不同数目的电阻 应变片，一般分为下面几种形式的电桥：
单臂电桥
全桥四臂工 作方式的灵敏度 最高，双臂半桥 次之，单臂半桥 灵敏度最低。
双臂电桥
R1、R2为应变片， R3、R4为固定电阻。应 变片R1、R2 感受到的应 变1~2以及产生的电 阻增量正负号相间， 可以使输出电压Uo成倍 地增大。
四臂全桥
全桥的四个桥臂都为应变片， 如果设法使试件受力后，应变
片R1 ~ R4产生的电阻增量（或 感受到的应变1~4）正负号相 间，就可以使输出电压Uo成倍
地增大。上述三种工作方式中， 全桥四臂工作方式的灵敏度最 高，双臂半桥次之，单臂半桥 灵敏度最低。采用全桥（或双 臂半桥）还能实现温度自补偿。
1
00 103 2 10
第四章力敏传感器B
）2 （
d d0
）4
略去高次项： C 2 d
C0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
d0
非线性误差为：
r
d 3 d0
d d0
100%
d d0
2 100%
（4 50）
（4 51）
（4 52）
灵敏度： S C 2 C0
d d 0
S
2 d02
②若传感器输入不为0，则C1≠C2, I1≠I2, 此时在一个周期内通过RL上的平
均电流不为零， 因此产生输出电压，输出 电压在一个周期内平均值为
1T
Uo I L RL T 0 [I1(t) I2 (t)]dtRL
R(R 2RL ) (R RL )2
RLUf
(C1
C2 )
当RL已知，式中
R(R 2RL (R RL )2
)
RL
M
(常数)
Uo UfM (C1 C2 )
电路特点：
①线路简单，可全部放在探头内，大大 缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；
②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要 求它们高度稳定；
③输出阻抗为RL，与电容无关，克服了 电容式传感器高内阻的缺点；
当其中一个极板发生x位移后，改变 了两极板间的遮盖面积S ，电容量C同样 随之变化。
Cx
C0 C
ba x
d
C0
1
x a
（4 55）
C x 线性 C0 a
二 电容式传感器的等效电路
力敏传感器(教学类别)
液体表面张力系数的测定液体的表面张力是表征液体性质的一个重要参数．测量液体的表面张力系数有多种方法，拉脱法是测量液体表面张力系数常用的方法之一．该方法的特点是，用秤量仪器直接测量液体的表面张力，测量方法直观，概念清楚．用拉脱法测量液体表面张力，对测量力的仪器要求较高，由于用拉脱法测量液体表面的张力约在1×10-3～1×10-2 N之间，因此需要有一种量程范围较小，灵敏度高，且稳定性好的测量力的仪器．近年来，新发展的硅压阻式力敏传感器张力测定仪正好能满足测量液体表面张力的需要，它比传统的焦利秤、扭秤等灵敏度高，稳定性好，且可数字信号显示，利于计算机实时测量，为了能对各类液体的表面张力系数的不同有深刻的理解，在对水进行测量以后，再对不同浓度的酒精溶液进行测量，这样可以明显观察到表面张力系数随液体浓度的变化而变化的现象，从而对这个概念加深理解。
[实验目的]1．用拉脱法测量室温下液体的表面张力系数2．学习力敏传感器的定标方法[实验原理]测量一个已知周长的金属片从待测液体表面脱离时需要的力，求得该液体表面张力系数的实验方法称为拉脱法．若金属片为环状吊片时，考虑一级近似，可以认为脱离力为表面张力系数乘上脱离表面的周长，即F=α·π(D1十D2) （1）式中，F为脱离力，D1，D2分别为圆环的外径和内径，α为液体的表面张力系数．硅压阻式力敏传感器由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成，其中芯片由四个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥，当外界压力作用于金属梁时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，输出电压大小与所加外力成正此，即△U=KF （2）式中，F为外力的大小，K为硅压阻式力敏传感器的灵敏度，△U为传感器输出电压的大小。
[实验装置]1.结构图图1 结构图1、水平调节螺丝2、升降螺丝3、玻璃器皿4、吊环5、力敏传感器6、支架7、固定螺丝8、航空插头9、底座 10、数字电压表 11、调零图2为实验装置图,其中,液体表面张力测定仪包括硅扩散电阻非平衡电桥的电源和测量电桥失去平衡时输出电压大小的数字电压表．其他装置包括铁架台,微调升降台,装有力敏传感器的固定杆,盛液体的玻璃皿和圆环形吊片,实验证明,当环的直径在3cm附近而液体和金属环接触的接触角近似为零时.运用公式(1)测量各种液体的表面张力系数的结果较为正确。
第四章 力敏传感器
2.分类 按材料分： 金属式体型——丝式、箔式、薄膜型； 半导体式体型——薄膜型、扩散型、 外延型、PN结型 按结构分：单
片、双片、特殊形状 按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下； 主要特点： 1、 部分应变片具有自补偿功能，不需要补偿片，自身就能抑制应变温 度漂移的功能。 2、 产品品种多、可以给客户在不同的测量场合，提供完善应变 测量选择，主要有：普通、低温、高温、超高温防水、复合材料、混 凝土、焊接式、焊接防水、半导体、测残余应力、等非常完善的产品 规格和型号。 3、 测量温度范围广：-269℃-800℃ 4、 产品稳定性好、长时间测量，产品测量结果稳定。 5、 产品的测量形状多样，可以测量多种力学信号，如：测量扭 矩、剪切应力、集中应力、等等。
4.1.2金属电阻应变片
1.结构 金属电阻应变片简称应变片，其结构大体相同，如图
所示。金属电阻应变片由敏感栅，基底，覆盖层，引 线和黏结剂等部分组成。 应变片有很多种类。一般的应变片 是在称为基底的塑料薄膜（15-16μm） 上贴上由薄金属箔材制成的敏感栅 （3-6μm），然后再覆盖上一层薄 膜做成迭层构造。
演讲人 ：机械设计制造15-2 李泽 制作人 ：机械设计制造15-2 王天 申立新
4.1应变式电阻传感器
简介：电阻应变式传感器（straingauge type transducer ）
是以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式 传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组 成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感 元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应 变计一起变形。电阻应变计再将变形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。
力敏传感器
3、主要特性
（1） 灵敏度系数 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
令 则
Ky
( n 1)r KS 2L
Kx
2nl (n 1)r KS 2L
R K x K y r R
可见，敏感栅电阻的相对变化分别是ε和εr作用的结果。 横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效 应系数H。 Ky n 1r H K x 2nl n 1r 由上式可见，r愈小，l愈大，则H愈小。即敏感栅越窄、 基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。
（3） 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。
丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分dl2横向效应金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅测量应变时构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化其横向应变也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化除了起作用外应变片的这种既受轴向应变影响又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应
第四章 力敏传感器
力敏传感器指对力学量敏感的虚假应变为
t R t K t e g t K R t
力敏传感器的概念
3.常用压强单位换算表
常用压强单位换算表
THANK YOU
2.压力、压强的概念
压强的概念
物体单位面积上受到的压力叫做压强。
1巴（bar）=1标准大气压（ATM）=1公斤/ 平方厘米 =100千帕（KPa)=0.1兆帕（MPa） 欧美等国家习惯使用psi（磅/平方英寸）作 单位： 1psi=6.895kPa
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3. 常用压强单位换算表
力敏传感器的概念
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压强单位换算表
课程内容 Course Contents
1 . 力敏传感器的概念
1.力敏传感器的概念
力敏传感器的概念
力敏传感器是用来检测气体、固体、液体等物质间相互作用力的传 感器。 可用于测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数，由于它们 都与机械应力有关，这类传感器常被称为力敏传感器。
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2. 压力、压强的概念
2.压力、压强的概念
压力的概念
压力在物理学方面指垂直作用在物体表 面上的力。受力物是物体的支持面，作用点 在接触面上，方向垂直于接触面，在受力物 体是水平面的情况下，压力（F）=物重 （G）。在这种情况下，压力单位为 牛顿 （简称 牛 字母为“N”）。 1牛顿(N)=0.225磅力(lbf)=0.102千克力(kgf). 1千克力(kgf)=9.8牛顿(N)
现代传感器-第四章(压力传感器)
压电式传感器的测量电路（7 压电式传感器的测量电路（7）
电荷放大器
Cr
－A
q
Ca
Ce
Ci
uo
电荷放大器的等效电路
压电式传感器的测量电路（8 压电式传感器的测量电路（8）
电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个 反馈电容C 反馈电容CF和高增益运算放大器构成。 运算放大器输入阻抗极高， 放大器输入端几乎没 有分流，故可略去R 有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻：
压电材料
石英晶体， 压电陶瓷， 压电薄膜等
石英晶体的压电效应（1）
用三条互相垂直的轴来表示石英晶体的各方向。 其中， 纵向轴称为光轴(z轴)； 经过棱线并垂直于光轴的称为电 轴(x轴)； 与光轴、 电轴同时垂直的称为机械轴(y轴)。 如图4-1（b）所示。按照与z轴的不同夹角，多种切片可 形成一个系列家族，切片长边平行于y轴的称为X切族，平 行于x轴的称为Y切族。
1 q′ = q；U ′ = 2U；C ′ = C 2
压电传感器的等效电路（1 压电传感器的等效电路（1）
当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上 出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传 感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生 器。 其电荷容量为：
ε S ε rε 0 S Ca = = δ δ
压电式压力传感器的应用（5 压电式压力传感器的应用（5）
压电声传感器在超声速测量实验中的应用
示波器 S2 l S1 频率计
游标卡尺 超声速测量实验装置
信号发生器
压电式压力传感器的应用（6 压电式压力传感器的应用（6）
当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷 片两端面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空 气中激发出声波。所以，换能器S1是声频信号发 生器。 当S发出的声波信号经过空气传播到达换能器S2 时，空气振动产生的压力作用在S2的压电陶瓷片 上使之出现充、放电现象，在示波器上就能检测 出该交变信号。所以，换能器S2是声频信号接收 器。
敏感材料与传感器论文
敏感材料与传感器论文第一篇：敏感材料与传感器论文红外感应材料作者：adverlouis 红外线是一类电磁波的统称，广泛用于指代波长从1mm到770nm之间的电磁波。
在自然界中，任何物体都能够发射红外线，任何物体都会吸收红外线。
红外线在自然界中主要起传播能量的作用，其在物体上的效应主要是热效应。
良好的红外线发射物体同时也是良好的红外线吸收物体。
由于红外线在自然界中的广泛存在，决定了它在自然界和人类社会中的广泛应用。
而对红外线的任何利用离不开对红外线的检测，或者说感应。
在自然界中，很多动物都能够利用红外线来获取信息，正如人类利用可见光来接收信息一样。
蛇类利用舌头上的热感器官来捕捉红外线，蚊子利用头部的红外线感应器来确定猎物位置。
这些是自然界历经千百年变化而衍生出来的生物红外感应器，其精巧型是超出人类解析范围的。
而进入二十世纪以来，自红外线被发现以来，人类也在寻找各种技术来检测红外线，设计了多种多样的红外线传感器。
红外传感器的先进与否由制造传感器采用的红外感应材料决定。
历经接近两百年的发展，红外感应技术也发生了翻天覆地的变化。
最初的时候，人们曾利用红外线的热效来检测红外线，由于当没有半导体材料，人们只好采用热电偶来检测红外线，由于热电偶较低的灵敏性和红外线微弱的热效应，当时的检测效果可想而知。
也有人采用感光胶片来对红外线进行检测，但是红外线的波长较长，光子能量较低，胶片的感光效果并不理想。
直到半导体材料出现，红外检测技术才真正的开始发展起来。
从工作机理上来分，红外感应材料可分为热探测仪和光子型探测仪。
热探测仪利用了红外线的热效应，当红外线照射到热探测仪的敏感材料时，敏感材料的温度就会发生变化，而温度的变化可以转化成一定的电信号输出出来，从而实现了红外信号到电信号的转化。
因为是利用红外线的热效应，热探测的响应时间较长。
但是对波长的要求，即对单光子能量的要求较低，因此热探测的响应范围较广，对于波长超过200um的红外线，热探测仪是唯一的选择。
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当KF 为常数时，桥路所加的激励源电压Ui 越高，满量程输出电压Uom也越高。
思考：综合考虑灵敏度与功耗发热，Ui 的 取值范围多少为好？
荷重传感器应用估算
K FU i F Uo U om F Fm Fm
例：现用铭牌指标为F= 100103N，KF= 2mV/V的荷重 传感器称重。当桥路电压 6V 时，测得桥路的输出电 压为24mV，求被测荷重为多少吨。
控制、油箱和电梯疲劳强度的测试以及电脑游戏控
制杆的倾角感应器中。
（3）波纹膜片和膜盒
平膜片在压力或力作用下位移量小，因而常把 平膜片加工制成具有环状同心波纹的圆形薄膜，这 就是波纹膜片。
波纹管膜片波纹的形状
（4）薄壁圆筒 薄壁圆筒的壁厚一般小于圆筒直径的二十分 之一。 薄壁圆筒弹性敏感元件的灵敏度取决于圆筒 的半径和壁厚，与圆筒长度无关。
薄壁圆筒弹性敏感元件的结构
注意不要把端子
扯断。
（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。
2. 实际应用中电桥电路的调零
调节RP，最终可以使 R1/R2=R4/R3（ R1、R2是 R1、R2并联RP后的等效电
阻），电桥趋于平衡，Uo
被预调到零位，这一过程
称为调零。
图中的R5是用于减小
5. 固有振荡频率 弹性敏感元件都有自己的固有振荡频率 f0，它将影响传感器的动态特性。 传感器的工作频率应避开弹性敏感元件 的固有振荡频率。 往往希望f0较高。
1.2
弹性敏感元件的分类
弹性敏感元件在形式上可分为两大类：
变换力的弹性敏感元件。
变换压力的弹性敏感元件。
1. 变换力的弹性敏感元件
(2) 贴片： 在应变片的表面 和处理过的粘贴表面 上，各涂一层均匀的 粘贴胶，用镊子将应 变片放上去，并调好 位置，然后盖上塑料 薄膜，用手指揉和滚 压，排出下面的气泡。
（3）测量： 从分开的端子 处，预先用万用表 测量应变片的电阻，
发现端子折断和坏
的应变片。
（4）焊接：
将引线和端子
用烙铁焊接起来，
调节范围的限流电阻。
3．传感器的温度补偿
当环境温度升高
时，桥臂上的应变片 温度同时升高，温度 引起的电阻值漂移数 值一致，可以相互抵
消，所以全桥的温漂
较小；半桥也同样能
克服温漂。
2.3 应变式电阻荷重传感器及其应用
应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应 力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应
吊钩秤
便携式
应变式数显扭矩扳手
可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机 械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺 纹的装配扭矩。量程2~500N.m，耗电量 ≤10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、 自动断电等功能。
2.4 应变式加速度传感器及其应用
图示应变式电阻加速度传感器由基座(用来固定在被测 物体上)、等截面悬臂梁、质量块和4个电阻应变片组成，以 等截面悬臂梁为弹性敏感元件。
R K x R
K—电阻应变片的灵敏度
2-1
3. 测量电路——不平衡电桥
U i R1 R2 R3 R4 Uo ( ) 4 R1 R2 R3 R4
2-3
由于
R
R
K
∴ Uo
Ui K (1 2 3 4 ) 4
根据应用要求的不同，可接入不同数目的电阻 应变片，一般分为下面几种形式的电桥：
解 由荷重传感器铭牌上得到，Uom=24mV。被测荷重
Fm U O 100 10 3 6 10 3 3 F 12.5 10 N 1.3t 3 KF Ui 2 10 24
荷重传感器应用估算
K FU i F Uo U om F Fm Fm
在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了4 个荷重传感器，量程Fm =20t， 灵敏度KF =2.5mV/V， 使用4个独立的桥路电源，每一个电源电压均相等， Ui =12V，四个荷重传感器的输出串联，总的输出电
单臂电桥
全桥四臂工 作方式的灵敏度 最高，双臂半桥 次之，单臂半桥 灵敏度最低。
双臂电桥
R1、R2为应变片， R3、R4为固定电阻。应 变片R1、R2 感受到的应 变1~2以及产生的电 阻增量正负号相间， 可以使输出电压Uo成倍
地增大。
四臂全桥
全桥的四个桥臂都为应变片， 如果设法使试件受力后，应变
有：
（1）等截面圆柱式
（3）等截面薄板式
（2）圆环式
（4）悬臂梁式
（5）扭转轴
一些变换力的弹性敏感元件形状
2. 变换压力的弹性敏感元件 （1）弹簧管
变换压力的弹性敏感元件
(a)弹簧管；(b)波纹管；(c)等截面薄板；(d)膜盒；(e)薄壁圆筒；(f)薄壁半球
（2）波纹管
波纹管是有许多同心环状皱纹的薄壁圆管。
应变片的工作原理
设有一长度为l、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：
l l R 2 A r
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。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均 导致R变大；又如，某些半导体受拉时，将变大，导 致R变大。 实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量 RR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
加速度传感器 l一基座； 2一质量块；3一应变片； 4一悬臂梁
测量时，根据所测振动体加速度的方向，把传
感器固定在被测部位。当被测点的加速度沿图中箭 头所示方向，
6(l l 0 ) 6(l l0 )m F a 2 2 Eb Eb
输出信号大小与加速度成正比。 应变式电阻加速度传感器具有灵敏度高、静态 和动态特性好等优点，广泛应用于汽车安全气囊的
力敏材料与力传感器
1. 弹性敏感元件
2. 应变式电阻传感器
3. 压阻式压力传感器
4. 压电式传感器
5. 电容式传感器
6. 电感式传感器
7. 转矩传感器
力是基本物理量之一，因此各种动态、静
态力的大小的测量是十分重要的。 力的测量需要通过力传感器间接完成，力 传感器是将各种力学量转换为电信号的器件。
F
应变片的工作原理
金属丝受拉时，L变长、r变小，导致R变大。
l l R 2 A r
金属电阻丝应变效应
2.1 电阻应变片的结构及工作原理
1.结构
电阻应变片（简称应变片）的作用是把导体的 机械应变转换成电阻应变，以便进一步电测。
电阻应变片的结构
2.应变效应
金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械 变形大小而发生变化的现象就称为“应变效应”。
压Uo =24mV， 请估算汽车的质量。
汽车在钢板上有少许的前、后、左、右偏位，
是否会影响测量结果？为什么？
荷重传感器用于构件 的称重 荷重传感器
（共 3个，120度分布，以 达到均衡目的，另两个 未拍出）
垫块
底座
电缆
电子秤
远距离 显示
磅秤
超市打印秤
电子天平
电子天平的精度 可达十万分之一
人体秤
2.
电阻应变片传感器
电阻应变片的分类
电阻应变片主要分为金属电阻应变片和半导体 应变片两类。 金属电阻应变片分体型和薄膜型。属于体型的 有电阻丝栅应变片、箔式应变片、应变花等。 半导体应变片是用锗或硅等半导体材料作为敏 感栅。
半导体应变片及金属丝 式应变片的结构
金属丝式应变片的 内部结构
半导体应变 片外形
应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置
F
R 4 R1 R 2
应变式荷重传感器外形及受力位置（续）
F
F
荷重传感器原理演示
荷重传感 器上的应变 片在重力作 用下产生变 形。轴向变 短，径向变 长。
汽车衡
汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 ）
汽车衡称重系统
荷重传感器计算公式
K FU i F Uo U om F Fm Fm
力敏感 元件
转换 元件
显示 设备
力传感器的测量示意图
1. 弹性敏感元件 弹性敏感元件把力或压力转换成了应变 或位移，然后再由传感器将应变或位移转换 成电信号。 弹性敏感元件是一个非常重要的传感器 部件，应具有：
良好的弹性； 足够的精度； 保证长期使用和温度变化时的稳定性。
1.1 弹性敏感元件的特性 1. 刚度 刚度是弹性元件在外力作用下变形大小的量度， 一般用k表示。
变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴
于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样 就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。 第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其 接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的 应变量。
应变式力传感器
F F
F
F
各种悬臂梁
F
固定点
F
固定点
电缆
应变片在悬臂梁上的粘贴及变形
箔式应变片的外 力的大小和方向，常需测量该点上两个或 三个方向的应变。 为此需要把两个或三个应变片逐个粘 结成应变花，或直接通过光刻技术制成。 应变花分互成45°的直角形应变花和 互成60°的等角形应变花两种基本形式。
应变花的基本形式
a—丝式应变花；b—箔式应变花
dF k dx
2. 灵敏度 灵敏度是指弹性敏感元件在单位力作用下产 生形变的大小，在弹性力学中称为弹性元件的柔 度。它是刚度的倒数，用K表示。
dx K dF
3. 弹性滞后
实际的弹性元件在加载/卸载的正向/反 向行程中形变曲线是不重合的，这种现象称 为弹性滞后现象，它会给测量带来误差。 4. 弹性后效 当载荷从某一数值变化到另一数值时, 弹性元件变形不是立即完成相应的变形，而 是经一定的时间间隔逐渐完成变形的，这种 现象称为弹性后效。
思考：综合考虑灵敏度与功耗发热，Ui 的 取值范围多少为好？
荷重传感器应用估算
K FU i F Uo U om F Fm Fm
例：现用铭牌指标为F= 100103N，KF= 2mV/V的荷重 传感器称重。当桥路电压 6V 时，测得桥路的输出电 压为24mV，求被测荷重为多少吨。
控制、油箱和电梯疲劳强度的测试以及电脑游戏控
制杆的倾角感应器中。
（3）波纹膜片和膜盒
平膜片在压力或力作用下位移量小，因而常把 平膜片加工制成具有环状同心波纹的圆形薄膜，这 就是波纹膜片。
波纹管膜片波纹的形状
（4）薄壁圆筒 薄壁圆筒的壁厚一般小于圆筒直径的二十分 之一。 薄壁圆筒弹性敏感元件的灵敏度取决于圆筒 的半径和壁厚，与圆筒长度无关。
薄壁圆筒弹性敏感元件的结构
注意不要把端子
扯断。
（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。
2. 实际应用中电桥电路的调零
调节RP，最终可以使 R1/R2=R4/R3（ R1、R2是 R1、R2并联RP后的等效电
阻），电桥趋于平衡，Uo
被预调到零位，这一过程
称为调零。
图中的R5是用于减小
5. 固有振荡频率 弹性敏感元件都有自己的固有振荡频率 f0，它将影响传感器的动态特性。 传感器的工作频率应避开弹性敏感元件 的固有振荡频率。 往往希望f0较高。
1.2
弹性敏感元件的分类
弹性敏感元件在形式上可分为两大类：
变换力的弹性敏感元件。
变换压力的弹性敏感元件。
1. 变换力的弹性敏感元件
(2) 贴片： 在应变片的表面 和处理过的粘贴表面 上，各涂一层均匀的 粘贴胶，用镊子将应 变片放上去，并调好 位置，然后盖上塑料 薄膜，用手指揉和滚 压，排出下面的气泡。
（3）测量： 从分开的端子 处，预先用万用表 测量应变片的电阻，
发现端子折断和坏
的应变片。
（4）焊接：
将引线和端子
用烙铁焊接起来，
调节范围的限流电阻。
3．传感器的温度补偿
当环境温度升高
时，桥臂上的应变片 温度同时升高，温度 引起的电阻值漂移数 值一致，可以相互抵
消，所以全桥的温漂
较小；半桥也同样能
克服温漂。
2.3 应变式电阻荷重传感器及其应用
应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应 力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应
吊钩秤
便携式
应变式数显扭矩扳手
可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机 械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺 纹的装配扭矩。量程2~500N.m，耗电量 ≤10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、 自动断电等功能。
2.4 应变式加速度传感器及其应用
图示应变式电阻加速度传感器由基座(用来固定在被测 物体上)、等截面悬臂梁、质量块和4个电阻应变片组成，以 等截面悬臂梁为弹性敏感元件。
R K x R
K—电阻应变片的灵敏度
2-1
3. 测量电路——不平衡电桥
U i R1 R2 R3 R4 Uo ( ) 4 R1 R2 R3 R4
2-3
由于
R
R
K
∴ Uo
Ui K (1 2 3 4 ) 4
根据应用要求的不同，可接入不同数目的电阻 应变片，一般分为下面几种形式的电桥：
解 由荷重传感器铭牌上得到，Uom=24mV。被测荷重
Fm U O 100 10 3 6 10 3 3 F 12.5 10 N 1.3t 3 KF Ui 2 10 24
荷重传感器应用估算
K FU i F Uo U om F Fm Fm
在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了4 个荷重传感器，量程Fm =20t， 灵敏度KF =2.5mV/V， 使用4个独立的桥路电源，每一个电源电压均相等， Ui =12V，四个荷重传感器的输出串联，总的输出电
单臂电桥
全桥四臂工 作方式的灵敏度 最高，双臂半桥 次之，单臂半桥 灵敏度最低。
双臂电桥
R1、R2为应变片， R3、R4为固定电阻。应 变片R1、R2 感受到的应 变1~2以及产生的电 阻增量正负号相间， 可以使输出电压Uo成倍
地增大。
四臂全桥
全桥的四个桥臂都为应变片， 如果设法使试件受力后，应变
有：
（1）等截面圆柱式
（3）等截面薄板式
（2）圆环式
（4）悬臂梁式
（5）扭转轴
一些变换力的弹性敏感元件形状
2. 变换压力的弹性敏感元件 （1）弹簧管
变换压力的弹性敏感元件
(a)弹簧管；(b)波纹管；(c)等截面薄板；(d)膜盒；(e)薄壁圆筒；(f)薄壁半球
（2）波纹管
波纹管是有许多同心环状皱纹的薄壁圆管。
应变片的工作原理
设有一长度为l、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：
l l R 2 A r
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。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均 导致R变大；又如，某些半导体受拉时，将变大，导 致R变大。 实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量 RR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
加速度传感器 l一基座； 2一质量块；3一应变片； 4一悬臂梁
测量时，根据所测振动体加速度的方向，把传
感器固定在被测部位。当被测点的加速度沿图中箭 头所示方向，
6(l l 0 ) 6(l l0 )m F a 2 2 Eb Eb
输出信号大小与加速度成正比。 应变式电阻加速度传感器具有灵敏度高、静态 和动态特性好等优点，广泛应用于汽车安全气囊的
力敏材料与力传感器
1. 弹性敏感元件
2. 应变式电阻传感器
3. 压阻式压力传感器
4. 压电式传感器
5. 电容式传感器
6. 电感式传感器
7. 转矩传感器
力是基本物理量之一，因此各种动态、静
态力的大小的测量是十分重要的。 力的测量需要通过力传感器间接完成，力 传感器是将各种力学量转换为电信号的器件。
F
应变片的工作原理
金属丝受拉时，L变长、r变小，导致R变大。
l l R 2 A r
金属电阻丝应变效应
2.1 电阻应变片的结构及工作原理
1.结构
电阻应变片（简称应变片）的作用是把导体的 机械应变转换成电阻应变，以便进一步电测。
电阻应变片的结构
2.应变效应
金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械 变形大小而发生变化的现象就称为“应变效应”。
压Uo =24mV， 请估算汽车的质量。
汽车在钢板上有少许的前、后、左、右偏位，
是否会影响测量结果？为什么？
荷重传感器用于构件 的称重 荷重传感器
（共 3个，120度分布，以 达到均衡目的，另两个 未拍出）
垫块
底座
电缆
电子秤
远距离 显示
磅秤
超市打印秤
电子天平
电子天平的精度 可达十万分之一
人体秤
2.
电阻应变片传感器
电阻应变片的分类
电阻应变片主要分为金属电阻应变片和半导体 应变片两类。 金属电阻应变片分体型和薄膜型。属于体型的 有电阻丝栅应变片、箔式应变片、应变花等。 半导体应变片是用锗或硅等半导体材料作为敏 感栅。
半导体应变片及金属丝 式应变片的结构
金属丝式应变片的 内部结构
半导体应变 片外形
应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置
F
R 4 R1 R 2
应变式荷重传感器外形及受力位置（续）
F
F
荷重传感器原理演示
荷重传感 器上的应变 片在重力作 用下产生变 形。轴向变 短，径向变 长。
汽车衡
汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 ）
汽车衡称重系统
荷重传感器计算公式
K FU i F Uo U om F Fm Fm
力敏感 元件
转换 元件
显示 设备
力传感器的测量示意图
1. 弹性敏感元件 弹性敏感元件把力或压力转换成了应变 或位移，然后再由传感器将应变或位移转换 成电信号。 弹性敏感元件是一个非常重要的传感器 部件，应具有：
良好的弹性； 足够的精度； 保证长期使用和温度变化时的稳定性。
1.1 弹性敏感元件的特性 1. 刚度 刚度是弹性元件在外力作用下变形大小的量度， 一般用k表示。
变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴
于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样 就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。 第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其 接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的 应变量。
应变式力传感器
F F
F
F
各种悬臂梁
F
固定点
F
固定点
电缆
应变片在悬臂梁上的粘贴及变形
箔式应变片的外 力的大小和方向，常需测量该点上两个或 三个方向的应变。 为此需要把两个或三个应变片逐个粘 结成应变花，或直接通过光刻技术制成。 应变花分互成45°的直角形应变花和 互成60°的等角形应变花两种基本形式。
应变花的基本形式
a—丝式应变花；b—箔式应变花
dF k dx
2. 灵敏度 灵敏度是指弹性敏感元件在单位力作用下产 生形变的大小，在弹性力学中称为弹性元件的柔 度。它是刚度的倒数，用K表示。
dx K dF
3. 弹性滞后
实际的弹性元件在加载/卸载的正向/反 向行程中形变曲线是不重合的，这种现象称 为弹性滞后现象，它会给测量带来误差。 4. 弹性后效 当载荷从某一数值变化到另一数值时, 弹性元件变形不是立即完成相应的变形，而 是经一定的时间间隔逐渐完成变形的，这种 现象称为弹性后效。