电阻应变式传感器的原理
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。
第2章 电阻应变式传感器
F
3.2.2 位移传感器
R4 R3 U0 R1 E R2 R1 R2 F
图2.11 应变片式线位移传感器
U
3.2.4 压力传感器
0
= k U ε = kU
3l 4 Eb h
2
F
3.2.3 加速度传感器
作业: 作业:
1. 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 2. 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? 3. 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 以及不对称电桥的输出电压变化. 以及不对称电桥的输出电压变化.
3.2 应用
3.2.1 应变式测力与荷重传感器
kU F U 0 = 2 (1 + ) AE
图2.8 受力圆柱上应变片的粘贴
图2.9 受力薄臂环上应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
1 .092 R bδ E
2
F
图2.10 受力等强度梁应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
6l E b0 h
1
Z3 = Z 2Z 4
z1 z3 = z 2 z 4
φ1 + φ3 = φ2 + φ4
或
(R1 + jX1)(R3 + jX3 ) = (R2 + jX2 )(R4 + jX4 )
2.2 电桥的调平衡
在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节. 在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节.对于直流 电桥可采用串联或并联电位器法, 电桥可采用串联或并联电位器法,对于交流电桥一般采用阻 容调平衡法. 容调平衡法.
电阻应变式传感器的工作原理及应用
成本较高
电阻应变式传感器的制造成本 较高，价格相对较贵。
对激励电源要求高
电阻应变式传感器需要稳定的 激励电源，对电源的要求较高
。
05 发展趋势与展望
技术创新与改进
微型化
随着微电子和纳米技术的发展， 电阻应变式传感器正朝着微型化 方向发展，以提高测量精度和灵
敏度。
智能化
集成化、智能化的传感器已成为趋 势，通过与微处理器和算法结合， 实现自校准、自补偿和自适应等功 能。
电阻应变片的结构与工作原理
01 基底
02 敏感栅
03 引线
04 盖片
05 工作原理
支撑电阻丝并传递应力的 介质。
由金属丝或金属箔制成的 敏感元件，用于感受形变 并产生电阻变化。
连接敏感栅与测量电路的 导线。
保护敏感栅和引线的覆盖 层。
当被测物体受到外力作用 时，粘贴在其上的电阻应 变片会随之产生形变，导 致敏感栅的电阻值发生变 化。通过测量电路可以测 量出电阻值的变化，从而 推算出受力的大小。
传感器简介
电阻应变式传感器由敏感元件、转换元件和测量电路组成， 其中敏感元件负责感知被测量的变化，转换元件将敏感元件 输出的应变信号转换为电信号，测量电路则对电信号进行测 量和输出。
电阻应变式传感器的敏感元件通常采用金属箔、金属丝等材 料，当受到外力作用时，这些材料会发生形变，导致其电阻 值发生变化，从而输出相应的电信号。
多功能化
为了满足复杂环境下的测量需求， 电阻应变式传感器正朝着多功能化 方向发展，如压力、温度、湿度等 多参数测量。
应用领域的拓展
医疗健康
01
用于监测生理参数，如血压、心电等，为医疗诊断和治疗提供
支持。
智能制造
电阻应变式传感器的工作原理PPT课件可编辑全文
图为 应变片敏感栅半
圆弧部分的形状。沿 轴向应变为ε，沿横向 应变为εr 。
θ
dθ
dl
20丝21绕式应变片敏感栅半圆弧形部分
若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴
向应变ε作用下，全部纵栅的变形视为ΔL1
ΔL1= n lε 半圆弧横栅同时受到ε和εr的作用，在任一微小段长度 d l = r dθ上的应变εθ可由材料力学公式求得
1 2r1 2rco 2s
每个圆弧形横栅的变形量Δl为
l 0 rd l0 rd 2 r r
纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅
的变形量为 L2n20 212 1rr
应变片敏感栅的总变形为
L L 1 L 2 2 n 2 n l 1 r n 2 1 rr
敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则 电阻相对变化为
2021
2.箔式应变片 它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.003～0.01mm的金
属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。 优点：①.可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长l可 做0.2mm，以适应不同的测量要求；②.与被测件粘贴结面积 大； ③.散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏 度； ④.横向效应小。
中给出了为1/10和1/20时δ的数值。
误差δ的计算结果
l
δ（%）
1/10
1.62
1/20
0.52
2021
由表可知，应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈
小，相对误差δ愈小。当选中的应变片栅长为应变波长
的（1/10~1/20）时，δ将小于2%。
因为
f
式中 υ——应变波在试件中的传播速度； f——应变片的可测频率。
应变式电阻传感器的工作原理
应变式电阻传感器的工作原理引言应变式电阻传感器是一种常用的传感器，广泛应用于测量物体的应变变化。
它的工作原理基于金属电阻的变化，通过测量电阻值的变化来获取物体的应变量。
本文将详细介绍应变式电阻传感器的工作原理及其应用。
一、应变式电阻传感器的结构应变式电阻传感器通常由弹性金属片和电阻片组成。
弹性金属片连接在被测物体上，当被测物体受到外力作用时，会发生形变，进而使弹性金属片产生应变。
应变会导致弹性金属片的长度和宽度发生微小的变化，从而改变金属电阻片的电阻值。
二、应变式电阻传感器的工作原理应变式电阻传感器的工作原理基于金属电阻与应变之间的关系。
当外力作用在被测物体上时，弹性金属片会发生微小的形变，从而引起金属电阻片的几何形状发生改变。
根据金属电阻的材料特性，电阻值随着几何形状的改变而发生变化。
应变式电阻传感器通常采用金属材料，如铜、钢等。
这些金属材料具有较小的电阻温度系数，能够提供稳定的电阻值。
当外力作用于被测物体时，弹性金属片产生应变，导致电阻值的变化。
这种电阻变化可以通过电路进行测量和记录。
三、应变式电阻传感器的应用1. 强度测量：应变式电阻传感器常用于测量材料的强度。
通过将传感器粘贴在被测物体上，当物体受到外力时，传感器测量所产生的应变，从而间接测量物体的强度。
2. 应力测量：应变式电阻传感器可用于测量材料的应力。
应力是单位面积上的力，通过测量物体的应变量，可以计算出物体的应力值。
3. 位移测量：应变式电阻传感器在位移测量中也有广泛应用。
通过将传感器安装在机械结构上，当结构发生位移时，传感器可以测量出位移的大小。
4. 压力测量：应变式电阻传感器可用于测量液体或气体的压力。
将传感器安装在压力容器中，当容器受到压力时，传感器测量所产生的应变，从而计算出压力值。
结论应变式电阻传感器通过测量金属电阻的变化，实现对物体应变量的测量。
其工作原理简单而有效，应用广泛。
无论是强度测量、应力测量、位移测量还是压力测量，应变式电阻传感器都发挥了重要作用。
电阻应变式传感器
电阻应变式传感器
三、 电阻应变片的测量电路及温度补偿
（一） 测量电路
应变片把机械应变转化为有对应 关系的电阻变化后，需要将电阻的变 化转换为电压或电流的变化。由于应 变量非常小，通常采用测量电桥，将 微小的电阻变化转化为电压或电流的 变化。根据电源的不同，可将电桥分 为直流电桥和交流电桥。电桥的一般 形式如图1-7所示。
R
（1-5）
电阻应变式传感器
k0
1 2
/
，其中k0为电阻丝的灵敏系数，即单位应变所引
起的电阻的相对变化。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，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量。
k0
1
2
/
可知，电阻丝的灵敏系数受两个因素的影响：
一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ，对某种材料来说
，它是一个常数；另一个是 / ，它是由电阻丝电阻率的改变而引
起的。
/
（1）对于金属材料， 是常数，并且比1+2μ小很多，往往可
以忽略不计，故 k0 1 2 。
电阻应变式传感器
（2）对于半导体材料，(dρ/ρ)/ε 的值比1+2μ大得多，电阻丝
的灵敏系数主要由电阻率相对变化所决定。 （3）大量实验也表明，在金属电阻丝拉伸比例极限内，电阻
相对变化与轴向应变成正比。通常，金属丝的灵敏系数k0为2左右， 不超过4~5，半导体应变片的灵敏系数为100~200。
半导体应变片的灵敏系数比金属电阻丝式应变片高几十倍，但 半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的应用范 围受到一定的限制。
电阻应变式传感器
二、 电阻应变片的结构和特性 1. 应变片的分类与结构
应变式电阻传感器的工作原理
应变式电阻传感器的工作原理引言应变式电阻传感器是一种常用的传感器，广泛应用于工程领域。
其工作原理是利用材料的应变特性来测量所受力的大小。
本文将详细介绍应变式电阻传感器的工作原理以及其在实际应用中的一些特点。
一、工作原理应变式电阻传感器是通过在感应材料中引入电阻应变来测量外力的。
当受力作用于材料时，材料会发生应变，即长度或形状发生变化。
这种应变会导致材料的电阻发生变化，进而改变电路中的电流和电压。
具体来说，应变式电阻传感器通常由一条细长的金属电阻丝或薄膜组成，该电阻丝或薄膜被粘合在一个弹性体基座上。
当外力作用于传感器时，弹性体基座会发生形变，从而使电阻丝或薄膜发生拉伸或压缩。
这些形变会导致电阻丝或薄膜的电阻值发生变化。
二、工作特点1. 高精度：应变式电阻传感器具有较高的测量精度，可达到微米级别。
这使得它在许多精密测量领域得到广泛应用，如机械工程、材料科学等。
2. 宽测量范围：应变式电阻传感器的测量范围较宽，可以覆盖从微小变形到大变形的范围。
这使得它适用于各种不同应变程度的测量需求。
3. 快速响应：应变式电阻传感器具有快速的响应速度，可以实时地测量外力的变化。
这使得它在需要实时监测的应用中非常有用，如结构健康监测、力学测试等。
4. 抗干扰性强：应变式电阻传感器对外界干扰具有一定的抗干扰性能。
它的结构设计使其能够有效屏蔽外界电磁干扰，提高测量的准确性。
5. 结构简单：应变式电阻传感器的结构相对简单，制造成本较低。
这使得它成为一种经济实用的传感器。
三、应用领域应变式电阻传感器在工程领域有广泛的应用，以下是一些常见的应用领域：1. 结构健康监测：应变式电阻传感器可以用于监测建筑物、桥梁、飞机等结构体的应变情况，及时发现并修复潜在的结构问题。
2. 材料力学测试：应变式电阻传感器可以用于测量材料的力学性能，如材料的强度、刚度等参数。
3. 汽车工程：应变式电阻传感器可以用于测量汽车零部件的应变情况，如发动机支架、悬挂系统等。
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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。