电阻应变式传感器
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
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。
电阻应变式传感器的原理
电阻应变式传感器的原理今天咱们来唠唠电阻应变式传感器这个超有趣的东西。
你看啊，这电阻应变式传感器啊，就像是一个超级敏感的小机灵鬼。
它的原理其实是基于一个特别简单又神奇的现象哦。
想象一下，有一根金属丝或者金属箔片，就像一个小小的金属条，这个小金属条啊，它要是受到了力的作用，不管是被拉伸了还是被压缩了，它内部的结构就会发生变化。
这就好比你拉一个橡皮筋，你一拉，橡皮筋就变长变细了，对不对？金属条也是这样，只不过它没有橡皮筋那么有弹性啦。
那这个电阻的变化怎么就能被用来做传感器呢？这就更有意思啦。
我们可以把这个应变的金属条接入到一个电路里面。
这个电路就像一个小社会，每个元件都有自己的角色。
当金属条的电阻发生变化的时候，整个电路的电流或者电压就会跟着变化。
就好像一个小团队里，有一个成员状态变了，整个团队的工作成果就会跟着改变一样。
比如说，我们想要测量一个物体的压力。
我们就可以把这个电阻应变式传感器放在物体下面。
当物体压在传感器上的时候，传感器里面的金属条就会被压缩或者拉伸，然后电阻就变了。
这个变化就会反映在电路的电流或者电压上。
我们只要测量这个电流或者电压的变化，就能知道物体对传感器施加了多大的力啦。
再比如说，在桥梁建筑里，这电阻应变式传感器可就像一个小小的健康监测员呢。
桥梁在承受车辆行驶、风吹雨打等各种外力的时候，它的结构会发生微小的变形。
把电阻应变式传感器安装在桥梁的关键部位，当桥梁的结构发生哪怕一点点的变形，传感器里的金属条电阻就会变化，工程师们通过检测这个变化，就能知道桥梁是不是安全啦，就像医生通过检查身体的各项指标来判断一个人健不健康一样。
而且啊，这种传感器还特别的灵活。
它可以被做成各种各样的形状和大小，就像变形金刚一样。
不管是测量小小的零件的应变，还是像桥梁这种大家伙的应力变化，它都能胜任。
它就像是一个隐藏在各种设备和结构里的小侦探，默默地感受着力的变化，然后把这个秘密通过电阻的变化告诉我们。
你看，这电阻应变式传感器是不是特别神奇又有趣呢？它虽然原理听起来有点复杂，但是只要你想象成是一群小电子在金属大道上的旅行受到了干扰，就很好理解啦。
《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 。
电阻应变式传感器介绍
最低固化条件 室温10小时或
60℃2小时 室温1小时 室温24小时 室温2.5小时 200℃2小时 150℃3小时 150℃1小时 190℃3小时 200℃3小时 280℃2小时 400℃1小时 400℃3小时
固化压力 /104Pa 0.5~1
粘合时指压
0.3~0.5 粘合时指压 粘合时指压
2 1~2 — — 1~3
基底材料有纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等 制成胶膜, 厚度约0.03～0.05mm
3.黏合剂材料
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。
2.3应变片的主要参数
1.应变片电阻值（R0） 电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、350Ω，500Ω和1000Ω 等 多种规格，以120Ω最为常用。 应变片的电阻值越大，允许的工作电压就大，传感器的输出电压 也大，相应地应变片的尺寸也要增大，在条件许可的情况下，应 尽量选用高阻值应变片。
2.绝缘电阻(敏感栅与基底间电阻值: 要求>1010欧姆；
在金属丝的弹性范围内，灵敏系数KS 为常数，即 :
R R
Ks
线性关系
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1 10-6或 m/m。在应变测量中, 也常将之称为微应变
(με)。对金属材料而言, 当它受力之后所产生的轴向应变最好不要 大于1 10-3, 即1000 m/m, 否则有可能超过材料的极限强度而 导致断裂。
合剂
化环已酮、萘酸钴干料
环氧树脂、聚硫酚铜胺、 固化剂
环氧树脂类 酚醛环氧、无机填料、
电阻式应变传感器
电阻式应变传感器是以电阻应变计为转换元件的传感器，其精确测量工作的原理是应变式原理。
这种应变计可以将变形能量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。
弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成的电阻应变式传感器，可以根据具体测量要求，设计成多种结构的形式。
还有这样的事实存在，弹性敏感元件如果受到所测量的力会产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。
目前，在测量行业内，常用的电阻应变式传感器有应变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器、应变式位移传感器、应变式加速度传感器和测温应变计等。
电阻应变式传感器的优点是精
度高，测量范围广寿命长,结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。
电阻式应变传感器常见的特点有以下几点：
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。
蚌埠高灵传感系统工程有限公司在自主创新的基础上开发生产出力敏系列各类传感器上百个品种，各种应用仪器仪表和系统，以及各种起重机械超载保护装置，可以广泛应用于油田、化工、汽车、起重机械、建设、建材、机械加工、热电、军工、交通等领域。
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应变电阻式传感器
tk
0.8
l0 v
(3-17)
式中： l0——应变片基长； v——应变波速。
若取l0=20mm， v=5000 m/s，则tk=3.2×10-6 s。
第3章 应变式传感器
3.4 电阻应变片的测量电路
电阻应变式传感器的测量电路常采用电桥电路 可以分为直流电桥或交流电桥。 桥的作用：将应变片产生的应变而引起的电阻变化量 △R转 换成电压变化量 △mV或电流变化量 △I 输出。
第3章 应变式传感器
3.3 电阻应变片的特性
弹性敏感元件 +电阻应变片⇒ 电阻应变式传感器 3.3.1
物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形， 而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种 变形称为弹性变形。 具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。
弹性元件在应变片测量技术中占有极其重要的地位。它首 先把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移，然后传递给粘 贴在弹性元件上的应变片，通过应变片将力、力矩或压力转换 成相应的电阻值。 弹性元件的基本特性有：
第3章 应变式传感器
3.4.1
1. 直流电桥平衡条件 电桥电路如图3-9所示，图中E为电源电压，R1、R2、R3及 R4为桥臂电阻，RL为负载电阻。 当RL→∞时，电桥输出电压为
Uo
E
R1 R1 R2
R3 R3 R4
（3-34）
第3章 应变式传感器
R1 A
R3
B
Io
R2
C
R4 D
＋
RL Uo －
对变化ΔR/R。理论和实验表明，在一定应变范围内ΔR/R与εt的
R R
Kt
式中， εt为应变片的轴向应变。
（3-16）
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1.一丝绕应变计的灵敏系数为2，初始阻值100Ω，试求当试件受力后的应变为1.8⨯103
时该应变计的电阻变化ΔR。
2.一试件受力后的应变为2⨯10-3；丝绕应变计的灵敏系数为2，初始阻值120Ω，温度
C0/，线膨胀系数为14⨯10-6C0/；试件的线膨胀系数为12⨯10-6C0/。
试系数-50⨯10-6
求：温度升高20℃时，应变计输出的相对误差和相对热输出。
3.在悬臂梁的上下方各贴一片电阻为120Ω的金属应变片R1和R2。
若应变片的灵敏系数
k=2，电源电压U=2V，当悬臂梁顶端受到向下的力F时，电阻R1和R2的变化值ΔR1=ΔR2 =0.48Ω，试求电桥的输出电压。
4.图为一直流应变电桥，图中U=4V，R1=R2=R3=R4=120Ω，试求：
①R1为金属应变片，其余为外接电阻，当R1的增量为ΔR1=1.2Ω时，电桥输出电压U O。
② R1、R2都是应变片，且批号相同，感应应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻，
电桥输出电压U O。
③题②中，如果R2与R1的感受应变的极性相反且ΔR1=ΔR2=1.2Ω，电桥输出电压U O。
5.图3-6为等强度梁测力系统，R1为电阻应变片，应变片灵敏
度系数K=2.05，未受应变时，R1=120Ω，当试件受力F时，
应变片承受平均应变ε=800μm/m，试求：
①应变片的电阻变化量R1和电阻相对变化量ΔR1/R
②将电阻应变片R1置于单臂测量电桥，电桥电流电压为直流3V，求电桥输出电压及
电桥非线性误差。
③若要减小非线性误差，应采取何种措施？分析其电桥输出电压及非线性误差的大小。
6.利用悬臂梁结构可以构成称重传感器。
试就在悬臂梁的上下方各贴一片金属应变片组成
差动半桥和各贴二片金属应变片组成差动全桥时的应变电阻片的布贴方式、电桥连接方法和相应的输出电压大小做出说明, 并说明其差动和温度补偿的原理。
7.一个初始阻值为120Ω的应变片，灵敏度为K=2.0，如果将该应变片用
总阻值为12Ω的导线连接到测量系统，求此时应变片的灵敏度K’。
8.采用四片相同的金属丝应变片（K=2），将其粘贴在如图所示的实心圆柱形测力
弹性元件上。
已知力F=10kN，圆柱横截面半径r=1cm，材料的弹性模量2 10-7
N/cm2，泊松比μ=0.3。
（1）画出应变片在圆柱上的粘贴位置及相应的测量桥路原理图。
（2）求各应变片得应变及电阻相对变化量。
（3）若电桥供电电压U=6V，求桥路输出电压U o。
（4）此种测量方法能否补偿环境温度对测量的影响，说明理由。