电阻应变式传感器.ppt
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《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。
电阻应变式传感器实例(ppt)
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
应变式荷重传感器外形
F
F
各种悬臂梁
桥式传感器
悬臂梁式传感器
铝合金传感器
S型拉压传感器
电阻式传感器
案例：重量的自动检测--配料设备
原材料
原理：弹簧->力->位移 ->电位器->电阻
比较
重量设定
3.2 电阻式传感器 案例：煤气包储量检测
钢丝
煤气包
原理：钢丝->收线圈数
->电位器
->电阻
电阻应变式传感器 实例(ppt)
电阻应变式传感器实例
• 分类： 光电传感器、热电传感器、 电阻传感器、电感传感器、 压电传感器、霍尔传感器、 声敏传感器、湿敏传感器等等。
电阻应变式传感器： 众多的传感器中，有一大类是通过电阻
参数的变化来实现非电量电测目的的，它们 统称为电阻式传感器。
分为：金属箔式和半导体电Βιβλιοθήκη 应变片3.2 电阻式传感器
案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）
原理：电机->转角 ->电位器 ->电阻
电阻式传感器
电阻应变式传感器的应用：测力
应变片在悬臂梁上的粘贴及变形
汽车衡称重系统
4.2 应变片的种类、材料及粘贴
4.2.1 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
人体秤
电阻式传感器精品PPT课件
6. 理解应变式传感器的结构设计及应用
2
3
概述
电阻应变式传感器——利用电阻应变片将应变转换为电阻变
化的传感器。 主要用途——测量力、力矩、压力、加速度、重量等。
4
电阻应变式传感器的工作原理
将电阻应变片粘贴在弹性元件特 定表面上，当力、扭矩、速度、加速度 及流量等物理量作用于弹性元件时，会 导致元件应力和应变的变化，进而引起 电阻应变片电阻的变化。电阻的变化经 电路处理后以电信号的方式输出。
6
设有一段长为L，截面积为A，电阻率为ρ的导 体(如金属丝)，它具有的电阻为
L
2r 2(r-dr)
F
F
R l
A
L+dL
ρ:电阻系数 l:金属导线长度 A:金属导线截面积
当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其L、A和ρ
均发生变化。
7
R l
A
两边取对数：ln R ln L ln A ln
两边微分：dR d dA dl R Al
16
敏基粘感底结栅—剂——固— —定应 用敏变 粘感片 结栅中剂，最分并重别使要把敏的盖感部层和栅分敏与，感弹由栅性某固种 元结金 件于属 相基细 互底丝 绝；绕 缘在成 ； 栅应使形变用。计应应工变变作计计 时 时中 ， ，实 基 用现底粘应起结变着剂把把-电试应阻件变转应计换变基的准底敏确 再感地 粘元传 贴件递 在。给 试敏敏 件感感 表栅栅 面 合的的金作被材用测料，部的为位选 此 ，择 基 因对 底 此所必粘制须结造很剂的薄也电，起阻一着应般传变为递计应0.0性 变2～能 的0的 作.04好 用m坏 。m起。着常决 定性的作用。
——为金属材料的泊松比
d/ —金属丝电阻率的相对变化量
代入
2
3
概述
电阻应变式传感器——利用电阻应变片将应变转换为电阻变
化的传感器。 主要用途——测量力、力矩、压力、加速度、重量等。
4
电阻应变式传感器的工作原理
将电阻应变片粘贴在弹性元件特 定表面上，当力、扭矩、速度、加速度 及流量等物理量作用于弹性元件时，会 导致元件应力和应变的变化，进而引起 电阻应变片电阻的变化。电阻的变化经 电路处理后以电信号的方式输出。
6
设有一段长为L，截面积为A，电阻率为ρ的导 体(如金属丝)，它具有的电阻为
L
2r 2(r-dr)
F
F
R l
A
L+dL
ρ:电阻系数 l:金属导线长度 A:金属导线截面积
当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其L、A和ρ
均发生变化。
7
R l
A
两边取对数：ln R ln L ln A ln
两边微分：dR d dA dl R Al
16
敏基粘感底结栅—剂——固— —定应 用敏变 粘感片 结栅中剂，最分并重别使要把敏的盖感部层和栅分敏与，感弹由栅性某固种 元结金 件于属 相基细 互底丝 绝；绕 缘在成 ； 栅应使形变用。计应应工变变作计计 时 时中 ， ，实 基 用现底粘应起结变着剂把把-电试应阻件变转应计换变基的准底敏确 再感地 粘元传 贴件递 在。给 试敏敏 件感感 表栅栅 面 合的的金作被材用测料，部的为位选 此 ，择 基 因对 底 此所必粘制须结造很剂的薄也电，起阻一着应般传变为递计应0.0性 变2～能 的0的 作.04好 用m坏 。m起。着常决 定性的作用。
——为金属材料的泊松比
d/ —金属丝电阻率的相对变化量
代入
电阻应变式传感器PPT课件
R R
KS x
（2-9）
2.2.4 应变片的测试原理
用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于对 象上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械 变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的 变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。
第6页/共53页
2.3 电阻应变片的种类、材料和参数
2.3.1 电阻应变片的种类 1. 丝式应变片
令
KS dR/ R (1 2) d /
x
x
（2-8）
K S 称为金属丝的灵敏系数 。表示金属丝产生单位变
形时，电阻相对变化的大小。
第5页/共53页
2.2.3 应变片的特性
实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相
对变化 dR / R 与应变x 成正比，因而 KS 为一常数。
式（2-8）以增量表示为
2.5 电阻应变式传感器的温度误差及其补偿
2. 应变片自补偿法 粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变
化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种特殊应
变片称为应变片自补偿法。下面介绍两种自补偿应变
片。
（1）选择式自补偿应变片
由式(2-23)可知，实现温度补偿的条件为
t
at K
(m
g )t
0
则
K(m g )
பைடு நூலகம்
t1
0 (m g )t
（2-19）
折算为应变，则
第22页/共53页
2. 试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产 生附加应变
l
t
t (m g )t
l0
t 引起的电阻变化为
R R t 0 K(m g)t
（2-20） （2-21）
《电阻应变式传感器》课件
薄膜电阻应变式传感器利用薄膜材料制作，具有高灵敏度、低热误差等特点；微型电阻应变式传感器则具有体积 小、重量轻、易于集成等优点，常用于微机电系统等领域。
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 。
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。
第3章电阻应变片式传感器1-PPT讲义
bhfrbhfr测量bk2s产品详细介绍采用国际流行的双梁式或剪切s梁结构拉压输出对称性好测量精度高结构紧凑安装方便广泛用于机电结合秤料斗秤包装秤等各种测力称重系统中供桥电压12vdc输入阻抗38020输出阻抗35010绝缘电阻2000m工作温度1050bk采用轮辐式结构高度低抗偏抗侧能力强测量精度高性能稳定可靠安装方便是大中量程精度传感器中的最佳形式广泛用于各种电子衡器和各种力值测量如汽车衡轨道衡吊勾秤料斗秤技术参数量程t12510203050供桥电压12vdc灵敏度152mvv输入阻抗73020非线性fs00300501输出阻抗70010重复性fs00300501绝缘电阻2000m滞后fs00300501工作温度1050允许过负荷120fs热零点偏移fs10主要用来测量流动介质的动态或静态压力应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件
产生的原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏 感栅的应变量逐渐减少。
电阻应变片的选择、粘贴技术
1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等缺陷，有 缺陷的应变片不能粘贴。
2.用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一 电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆.
3.试件表面处理：贴片处用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。
应变传感器在承重梁上
➢电阻应变片品种繁多, 形式多样。 ➢常用的应变片可分为两类: 金属电阻应变片和半导体电 阻应变片。
应变效应分析
•电阻应变片的工作原理是基于应变效应 •应变效应：即导体或半导体材料在外界力的作
用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，
这种现象称为“应变效应”。
l
l
F
F
r
4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹 均匀，立即放在应变贴片位置。
产生的原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏 感栅的应变量逐渐减少。
电阻应变片的选择、粘贴技术
1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等缺陷，有 缺陷的应变片不能粘贴。
2.用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一 电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆.
3.试件表面处理：贴片处用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。
应变传感器在承重梁上
➢电阻应变片品种繁多, 形式多样。 ➢常用的应变片可分为两类: 金属电阻应变片和半导体电 阻应变片。
应变效应分析
•电阻应变片的工作原理是基于应变效应 •应变效应：即导体或半导体材料在外界力的作
用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，
这种现象称为“应变效应”。
l
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F
F
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4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹 均匀，立即放在应变贴片位置。
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14
（2） 电阻式传感器的测量电路
由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻
值的变化测量出来，同时，要把电阻相对变化
R R
转换
为电压或电流的变化，因此，需要设计专用的测量电路，
压电式、光电式、光纤、磁敏式、激光、超声波等传感器。
4
（3）按信号变换特征分类 结构型：主要是通过传感器结构参量的变化实
现信号变换的。例如:电容式和电感式传感器. 物性型：利用敏感元件材料本身物理属性的变
化来实现信号变换。例如:水银温度计,压电测力计. （4）按能量关系分类
能量转换型：传感器直接由被测对象输入能量 使其工作。例如:热电偶温度计,压电式加速度计.也称 有源传感器。
利用半导体电阻率变化引起电 阻的变化。用半导体应变片制 成的传感器亦称为压阻传感器。 半导体应变片具有很高的灵敏 度（是金属丝应变片灵敏度大 50～70倍 ），但其最大的特 点是温度灵敏度高，非线性严 重及安装困难。
当测量较小应变时，一般选用压阻 效应工作的应变片，而测量大应变时，一般选 用应变效应工作的应变片
从半导体物理可知，半导体在压力、温度及 光辐射作用下，能使电阻率发生很大变化。
优点：灵敏度高，机械滞后小，横向效应小，体积小. 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。
目前，国产半导体应变片大都采用P型硅单晶制成。
13
金属电阻应变片
半导体应变片
利用金属导体形变引起电 阻的变化 。一般制作应变 片的金属丝的灵敏度K0在 1.7～3.6之间，有些工程 书上，直接将金属丝应变 片的灵敏度K0定义为2。
第四章 敏感元件及与传感器技术
4.1 传感器概论
1）传感器的定义 传感器（Transducer/sensor）的定义为：“能感受（或响应） 规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或 装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲， 传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。
3
3） 传感器分类
（1）按被测量分类 机械量：位移、力、力矩、扭矩、速度、加速度、振
动、噪声 … … 热工量：温度、热量、流量（速）、风速、压力
（差）、液位 … … 物性参量：浓度、粘度、比重、酸碱度 … … 状态参量：裂纹、缺陷、泄漏、磨损、表面质
量… … ……
（2）按测量原理分类 按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、
传感元件为 电阻元件
其结构简单、易于制造、价格便宜、性能稳
定、输出功率大，是目前在非电量检测技术 中应用最广、最成熟和最重要的传感器之一.
可用于测量应变、位移、力、压力和加速度等参数。
6
❖ 电阻应变式
导体或半导体 材料在外界力 的作用下产生 机械变形时， 其电阻值相应 发生变化。
转换元件
应变片电阻改变
能量控制型：传感器从外部获得能量使其工作， 由被测量的变化控制外部供给能量的变化。例如:电阻 式、电容式、电感式.也称无源传感器。
5
4.2 电阻式传感器
把被测量转换为电阻变化的一种传感器，是一种能量控制型 传感器
被测信息
敏感元电件阻元电转件阻换元件
信号调理电路 输出信息
辅助电源
❖ 电位器式 ❖ 电阻应变式 ❖ 热敏效应式
通常静态测量时，允许 的电流一般规定为 25mA，动态测量时可 达75~100mA，箔式应 变片则可更大些。
12
半导体应变片： dR E
R
灵敏度： K E
工作原理是基于半导体材料的压阻效应。因此，有时也称为压
阻传感器。
｛压阻效应｝指某些半导体材料在沿某一轴向 受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。
敏感元件
膜片形变（应变）
压力作用
按应变片所用的材料可分为：
❖ 金属电阻应变片 ❖ 半导体应变片
主要作用是敏感元 件实现应变—电阻 的变换。7Leabharlann （1）电阻应变片工作原理：
工作原理：
电阻值： R l
A
A r2
对上式进行全微分，并用相对变化量来表示：
dR dl dA d R l A
dl 2 dr d l r
2）传感器的组成
2
转换元件 应变片电阻改变
敏感元件 膜片形变（应变）
压力作用
敏感元件(Sensing element) 是指传感器中能直接感受被测量的部分
转换元件(Transition element) 是指传感器中能将敏感元件输出量转 换为适于传输和测量的电信号部分。 信号调理电路：能把转换输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的 有用信号的电路。常用电桥、放大器、阻抗变换器等
的变化而发生变化的现象。
常用的电阻材料：康铜、镍铬合金、镍铬铝合金 常用的结构形式：丝式、箔式、薄膜式
敏感元件是金属丝栅。
电阻丝应变片
10
敏感元件是通过光照相制版或光刻腐蚀等工 艺制成的薄金属箔栅。
箔式应变片
优点：
1. 金属箔栅很薄，感受的应力状态与试件表面 应力状态更接近 2. 箔材表面积大，散热条件好，所以允许通过 较大电流，因而可以输出较大信号，提高了测 量灵敏度 3. 箔栅的尺寸准确、均匀，能制成任意形状， 扩大了应变片的使用范围
缺点：
1. 生产工序较复杂； 2. 引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量。 3. 价格较贵
11
选用应变片时，要考虑 应变片的性能参数，主 要是应变片的电阻值、 灵敏度、允许电流、应 变极限等。
一般市售电阻应变片的 标准阻值有60、120、 350、600、1000欧等， 其中120欧应用最多。
纵向应变
dl
l
横向应变：
当电阻丝沿轴 向伸长时，必 沿径向缩小
电阻丝电阻率相对变化，与电阻
丝轴向所受正应力 有关。
d E
纵向压阻系数 弹性模量
dr dl
r
l
泊松比
8
因此：
dR dl 2dr d Rl r dR (1 2 E) (1 2) E K
R
分析： (1 2) 是由电阻丝几何尺寸改变引起的。 E 是由电阻丝的电阻率随应变的改变引起的。
注意：对金属电阻丝来说，E 是很小的，可忽略；对半导 体应变片来说，(1 2) 是很小的，可忽略。
这正是两类电阻应变式传感器原理的主要区别。
9
金属电阻应变片：dR (1 2)
R
灵敏度： S (1 2)
工作原理是基于金属导体的应变效应，即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)
（2） 电阻式传感器的测量电路
由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻
值的变化测量出来，同时，要把电阻相对变化
R R
转换
为电压或电流的变化，因此，需要设计专用的测量电路，
压电式、光电式、光纤、磁敏式、激光、超声波等传感器。
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（3）按信号变换特征分类 结构型：主要是通过传感器结构参量的变化实
现信号变换的。例如:电容式和电感式传感器. 物性型：利用敏感元件材料本身物理属性的变
化来实现信号变换。例如:水银温度计,压电测力计. （4）按能量关系分类
能量转换型：传感器直接由被测对象输入能量 使其工作。例如:热电偶温度计,压电式加速度计.也称 有源传感器。
利用半导体电阻率变化引起电 阻的变化。用半导体应变片制 成的传感器亦称为压阻传感器。 半导体应变片具有很高的灵敏 度（是金属丝应变片灵敏度大 50～70倍 ），但其最大的特 点是温度灵敏度高，非线性严 重及安装困难。
当测量较小应变时，一般选用压阻 效应工作的应变片，而测量大应变时，一般选 用应变效应工作的应变片
从半导体物理可知，半导体在压力、温度及 光辐射作用下，能使电阻率发生很大变化。
优点：灵敏度高，机械滞后小，横向效应小，体积小. 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。
目前，国产半导体应变片大都采用P型硅单晶制成。
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金属电阻应变片
半导体应变片
利用金属导体形变引起电 阻的变化 。一般制作应变 片的金属丝的灵敏度K0在 1.7～3.6之间，有些工程 书上，直接将金属丝应变 片的灵敏度K0定义为2。
第四章 敏感元件及与传感器技术
4.1 传感器概论
1）传感器的定义 传感器（Transducer/sensor）的定义为：“能感受（或响应） 规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或 装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲， 传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。
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3） 传感器分类
（1）按被测量分类 机械量：位移、力、力矩、扭矩、速度、加速度、振
动、噪声 … … 热工量：温度、热量、流量（速）、风速、压力
（差）、液位 … … 物性参量：浓度、粘度、比重、酸碱度 … … 状态参量：裂纹、缺陷、泄漏、磨损、表面质
量… … ……
（2）按测量原理分类 按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、
传感元件为 电阻元件
其结构简单、易于制造、价格便宜、性能稳
定、输出功率大，是目前在非电量检测技术 中应用最广、最成熟和最重要的传感器之一.
可用于测量应变、位移、力、压力和加速度等参数。
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❖ 电阻应变式
导体或半导体 材料在外界力 的作用下产生 机械变形时， 其电阻值相应 发生变化。
转换元件
应变片电阻改变
能量控制型：传感器从外部获得能量使其工作， 由被测量的变化控制外部供给能量的变化。例如:电阻 式、电容式、电感式.也称无源传感器。
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4.2 电阻式传感器
把被测量转换为电阻变化的一种传感器，是一种能量控制型 传感器
被测信息
敏感元电件阻元电转件阻换元件
信号调理电路 输出信息
辅助电源
❖ 电位器式 ❖ 电阻应变式 ❖ 热敏效应式
通常静态测量时，允许 的电流一般规定为 25mA，动态测量时可 达75~100mA，箔式应 变片则可更大些。
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半导体应变片： dR E
R
灵敏度： K E
工作原理是基于半导体材料的压阻效应。因此，有时也称为压
阻传感器。
｛压阻效应｝指某些半导体材料在沿某一轴向 受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。
敏感元件
膜片形变（应变）
压力作用
按应变片所用的材料可分为：
❖ 金属电阻应变片 ❖ 半导体应变片
主要作用是敏感元 件实现应变—电阻 的变换。7Leabharlann （1）电阻应变片工作原理：
工作原理：
电阻值： R l
A
A r2
对上式进行全微分，并用相对变化量来表示：
dR dl dA d R l A
dl 2 dr d l r
2）传感器的组成
2
转换元件 应变片电阻改变
敏感元件 膜片形变（应变）
压力作用
敏感元件(Sensing element) 是指传感器中能直接感受被测量的部分
转换元件(Transition element) 是指传感器中能将敏感元件输出量转 换为适于传输和测量的电信号部分。 信号调理电路：能把转换输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的 有用信号的电路。常用电桥、放大器、阻抗变换器等
的变化而发生变化的现象。
常用的电阻材料：康铜、镍铬合金、镍铬铝合金 常用的结构形式：丝式、箔式、薄膜式
敏感元件是金属丝栅。
电阻丝应变片
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敏感元件是通过光照相制版或光刻腐蚀等工 艺制成的薄金属箔栅。
箔式应变片
优点：
1. 金属箔栅很薄，感受的应力状态与试件表面 应力状态更接近 2. 箔材表面积大，散热条件好，所以允许通过 较大电流，因而可以输出较大信号，提高了测 量灵敏度 3. 箔栅的尺寸准确、均匀，能制成任意形状， 扩大了应变片的使用范围
缺点：
1. 生产工序较复杂； 2. 引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量。 3. 价格较贵
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选用应变片时，要考虑 应变片的性能参数，主 要是应变片的电阻值、 灵敏度、允许电流、应 变极限等。
一般市售电阻应变片的 标准阻值有60、120、 350、600、1000欧等， 其中120欧应用最多。
纵向应变
dl
l
横向应变：
当电阻丝沿轴 向伸长时，必 沿径向缩小
电阻丝电阻率相对变化，与电阻
丝轴向所受正应力 有关。
d E
纵向压阻系数 弹性模量
dr dl
r
l
泊松比
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因此：
dR dl 2dr d Rl r dR (1 2 E) (1 2) E K
R
分析： (1 2) 是由电阻丝几何尺寸改变引起的。 E 是由电阻丝的电阻率随应变的改变引起的。
注意：对金属电阻丝来说，E 是很小的，可忽略；对半导 体应变片来说，(1 2) 是很小的，可忽略。
这正是两类电阻应变式传感器原理的主要区别。
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金属电阻应变片：dR (1 2)
R
灵敏度： S (1 2)
工作原理是基于金属导体的应变效应，即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)