电阻应变式传感器课件

粘合剂粘贴在传感器弹性元件或
1－敏感栅；2－基底；3－引线；试件上的应变片通过基底把应变
4－盖层；5－粘结剂 传递到敏感栅上，同时基底起绝
缘作用。盖层起绝缘保护作用。
焊接于敏感栅两端的引线作连接
测量导线之用。
1、金属丝式应变片 •金属丝式应变片的敏感 栅由金属丝绕制而成。金 属丝材料为电阻率ρ大而 电阻温度系数小的材料。 丝式应变片的规格一般以 使用面积(L*b)和敏感栅 的电阻值来表示。阻值一 般在50～10OOΩ范围内， 常用的为12OΩ。
➢另外须注意的事项：应变极限，疲劳寿命，绝缘 电阻，最大电流。
5.5 分类
➢应变计有很多品种系列: 从尺寸上讲, 长的有几百 mm, 短的仅0.2 mm; 由结构形式上看, 有单片、 双片、应变花和各种特殊形状的图案; 就使用环境 上说, 有高温、低温、水、核辐射、 高压、磁场等; 而安装形式, 有粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂等。 ➢主要的分类方法是根据敏感元件材料的不同, 将 应变计分为金属式和半导体式两大类。从敏感元 件的形态又可进一步分类如下:
第五章 电阻应变式传感器
5.1 概述 5.2 金属电阻应变片的结构和类型 5.3 金属电阻应变片工作原理 5.4 误差分析 5.5 分类 5.6 应变片命名规则 5.7 应变片的主要特性及参数 5.8 电阻应变片的选用和粘贴 5.9 应变片测量电路 5.10 半导体应变片 5.11 电阻应变片式传感器的应用
(a)
(b)
(c)
➢箔式应变计的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很 薄的金属薄栅（厚度一般在0.003～0.01mm）。与 丝式应变计相比有如下优点:
(1)工艺上能保证线栅的尺寸正确、 线条均匀, 大批 量生产时, 阻值离散程度小。
(2)可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型小 基长（如基长为0.1 mm）的应变计。
体形 金属属性
丝式 箔式
纸基 胶基
应变计 半导体式
薄膜型 体型
薄模型
扩散型
外延型
Pn结及其它形式
➢半导体式体型薄膜型、扩散型、外延型、PN结及 其他形式 金属电阻应变计常见的形式有丝式、 箔式、 薄膜式等。 丝式应变计是最早应用的品种。 ➢金属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角, 如图所 示。 简单但横向效应较大。 直角（H）形两端用 较粗的镀银铜线焊接, 横向效应相对较小, 但制作工艺 复杂, 将逐渐被横向效应小、 其他方面性能更优越的 箔式应变计所代替。
(3) 敏感栅截面积为矩形, 表面积大, 散热好, 在相同 截面情况下能通过较大电流。
2
4
dS dr 2 rdr
4
2
S S
r r 2 r4
2 r r
2
l l
4
R l 2 l
R
l
l
R (1 2 ) l k
R
l
泊松系数
太小，可忽略
μ=0.3～0.5 K =1.6 ～ 2
ε =10-6 ～ 10-3
•灵敏度系数K的意义：单位应变所引起的电阻相对 变化，主要是受力后材料的几何尺寸变化引起。 3、结论 •金属电阻丝的电阻相对变化率与轴向应变成正比。 4、特点 优点: 稳定性和温度特性好. 缺点: 灵敏度系数小.
2、金属箔式应变片 •箔式应变片的敏感 栅通过光刻、腐蚀等 工艺制成，可根据需 要制成任意形状，具 有表面积大、散热性 好、允许电流大、便 于成批生产等优点。
3、金属薄膜应变片 •金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积的方法 制成，它将可产生形变的金属或合金直接沉积在弹性 元件上而不用粘合剂。这样应变片的性能更好，灵敏 度高。所谓薄膜指厚度在0.1µm以下的金属膜。厚度 在25µm左右的称厚膜箔式应变片即属厚膜。
5.2 金属电阻应变片的结构和类型
•常用金属应变片有:金属丝式应
变片、箔式应变片以及金属薄膜
应变片等。
•金属电阻应变片的基本结构如图
5-1所示，它由盖层、敏感栅、基
底及引线四部分组成。敏感栅可
由金属丝、金属箔制成，它是转
图5－1 应变计的结构及构成 换元件，它被粘贴在基底上。用
(a)丝式；(b)箔式
4
3
b
2
l
1
电阻应变计构造简图
2、工作原理:应变效应 • 设有一根圆截面的金属电阻丝如图5-2所示。其
原始电阻为：
R l S
图5－2 金属电阻丝受拉变形
受力后各部分的变化引起电阻的变化
dR Sd l S l2dSS l d
dRRdl ldSSd 或 RRllSS
对于直径为d的圆形截面电阻丝：
S ( r )2 r 4
5.4 误差分析
1、横向效应 横向缩短作用引起的电阻值的减小对于轴向伸长
作用引起的电阻值的增加量起着抵消的作用，它使 所测应变数值偏小，或说使应变片灵敏系数减小。 弯曲半径越大，横向效应也越大 •通过改变电阻丝排列的形状可减小之。 2、温度影响 ➢由于环境温度改变引起电阻值变化，由电阻丝温 度系数α引起；由电阻丝与被测件材料的线膨胀系
数α1、α2的不同引起的。
当温度变化Δt, 应变片电阻的增量ΔRt可用下式表
示：
ΔRt=RοαΔt+RοK(α1- α2)Δt = Rο[α+K(α1- α2]Δt
令 αt= α+K(α1- α2) 则： ΔRt= RοαtΔt 3、蠕变
➢与粘贴相关，基片、粘合剂、被测件材料需相适 应。否则不能将被测件表面变形准确地传递给应变 片。
5.3 金属电阻应变片工作原理
1、电阻应变效应 ➢金属电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应。导体 的电阻随着机械变形而发生变化的现象称为电阻应变效应。 ➢电阻丝较细, 一般在0.015~0.06 mm, 其两端焊有较粗 的低阻镀锡铜丝（0.1~0.2mm）4作为引线, 以便与测量 电路连接。图中, l称为应变计的标距, 也称（基）栅长, b 称为（基）栅宽, l×b称为应变计的使用面积。
5.1 概述
•电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各 种力学量（压力、荷重、扭力等）转换为电信号的 结构型传感器。 •分类：电阻丝应变片、半导体应变片 •组成:电阻应变片和测量电路。电阻应变片(计)是电 阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材 料的电阻应变效应，电阻应变片既可单独作为传感 器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学 量传感器。