应变传感器
应变式传感器
E x
电阻应变片的工作原理
—轴向应力
E x
—纵向压阻系数，(40～80) 10－11m 2 / N
E —电阻丝材料弹性模量，1.67 1011 N / m 2
E 66 ~ 133
R 所以 E x R
特点：比金属 丝式灵敏度高， 输出电流大， 但非线性严重， 温度稳定性较 差。
电阻应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变 的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。
电阻式传感器
两大常用类型
应变式传感器是基于测量导体或者半导体受力变形所产生应变 而导致电阻变化的一类传感器，最常用的传感元件为电阻应变 片。 其中半导体的应变效应又称为半导体的压阻效应。 基于半导体压阻效应的电阻式传感器是现代固态压力，加速度 等力学传感器的基础。
应变片的布置与桥接方式
R1、R3串接，R2、R4串接并置 于相对臂，减小弯矩影响；横 向贴片作温度补偿。
应变片的布置与桥接方式
电阻应变式传感器的特点和应用
电阻应变式传感器特点： 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。
电阻应变片的静态特性
应变极限
应变计的线性（灵敏系数为常数）特性，只有 在一定的应变限度范围内才能保持。当试件输 入的真实应变超过某一极限值时，应变计的输 出特性将呈现非线性。在恒温条件下，使非线 性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限。
6. 绝缘电阻和最大工作电流 电阻应变片的静态特性
绝缘电阻和最大工作电流
电阻应变片的基本结构
应变式传感器
图2-2-6 交流电桥的调幅特性
2、二极管相敏检波电路 T1的一次侧 输入调幅波ui，T2 的一次侧输入参 考电压ur，ur可直 接取自载波，它 与ui频率相同， 相位相同或相反， 比ui幅度大3～5 倍。变压器的极 性标定如图所示。
图2-2-7 二极管相敏检波电路
具体分析： A.当调制信号为正时，ui与载波相位相同，故ur 与ui相位也相同。 1)在ui的正半周时， ur给二极管VD3、 VD4正向偏置使之 导通，给VD1、VD2 反向偏置使之截止。 信号路径如→所示。
汽 车 衡
2、应变式压力传感器
应变式压力传感器主要用来测量流动介质的 动态或静态压力。如动力管道设备的进出口气体 或液体的压力、发动机内部的压力变化, 枪管及 炮管内部的压力、内燃机管道压力等。应变片压 力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。应变 4～107Pa之间。 式压力传感器的测量范围在10图 2-2-8 所示为膜片式压力传感器, 应变片 贴在膜片内壁, 在压力p作用下, 膜片产生径向应 变εr和切向应变ετ。
25
25 25 15 25
4、应变片主要技术指标（续）
1）几何参数：表距 l 和丝栅宽度b，制造厂常用 b× l 表示。
2）电阻值：应变计的原始电阻值。
3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。
4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。
5、金属电阻应变片的材料
2)在ui的负半周时， ur为正，VD3、VD4 导通，VD1、VD2截 止。信号路径如→ 所示。
电流仍为上负下正
相敏检波的特点：
1）相敏检波输出信号的极性与调制信号极性相同，即能
识别方向； 2）相敏检波输出信号的幅值与调制信号的幅值相同，即
应变传感器原理
应变传感器原理
应变传感器是一种能够测量物体应变的装置。
它的原理基于材料的弹性变形特性。
当受到外力作用导致物体产生应变时，应变传感器可以将应变转化为电信号输出。
应变传感器的主要组成部分是一个弹性体，常用的材料如金属、塑料等。
当物体受到外力作用时，弹性体会发生形变，这种形变可以是拉伸、压缩或弯曲。
弹性体中的导电材料（如金属片）会随着形变而改变其电阻值。
这是因为弹性体的形变会对导电材料的几何尺寸和电流的途径造成影响，进而改变电阻。
应变传感器中通常会通过电桥或谐振电路来测量电阻值的变化。
当外力作用导致弹性体形变时，导电材料的电阻值也会改变，从而引起电桥不平衡或谐振频率的变化。
通过测量电桥输出信号或谐振频率的变化，可以得到与应变相关的电信号。
应变传感器的输出信号与应变的大小成正比，可以通过采集电路进行放大和滤波处理，最终得到精确的应变测量结果。
这些信号可以用于监测和控制应变相关的物理量，如力、压力、形状变化等。
总之，应变传感器利用材料的弹性变形特性，通过测量电阻值的变化来实现对物体应变的测量，具有广泛的应用领域，如工业生产、结构安全等。
应变式传感器的分类
应变式传感器的分类
应变式传感器是一种常见的物理量传感器，可以通过测量应变来检测各种物理量，如力、压力、重量等。
根据不同的分类标准，应变式传感器有多种分类方式：
1. 根据用途分类：应变式传感器可以用于测量力、压力、重量等物理量，因此可以根据其用途分为测力传感器、称重传感器、压力传感器等。
2. 根据结构形式分类：应变式传感器可以根据其结构形式分为平膜片式、平行梁式、柱式、桥式、悬臂梁式、双梁式、轮辐式、压力环式、板环式等。
3. 根据敏感元件分类：应变式传感器主要由敏感元件和转换元件组成，因此也可以根据敏感元件的材料和结构分为金属电阻应变片和半导体应变片。
4. 根据测量范围分类：应变式传感器可以用于测量各种物理量，其测量范围也各不相同，因此可以根据测量范围分为微应变传感器和大量程传感器。
5. 根据输出信号分类：应变式传感器可以根据其输出信号的类型分为模拟输出和数字输出两种类型。
总之，应变式传感器的分类方式多种多样，可以根据不同的需求和标准进行选择。
应变式传感器
2.2 电阻应变片特性
2．应变极限和疲劳寿命
应变计的线性(灵敏系数为常数)特性， 应变计的线性(灵敏系数为常数)特性，只有在一 定的应变限度范围内才能保持。 定的应变限度范围内才能保持。 当试件输入的真实应变超过某一限值时， 当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变 计的输出特性将出现非线性。在恒温条件下， 计的输出特性将出现非线性。在恒温条件下， 使非线性误差达到10%时的真实应变值， 10%时的真实应变值 使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应 应变极限图如下所示: 变极限 ε lim 。应变极限图如下所示:
2.2 电阻应变片特性
3．最大工作电流和绝缘电阻
最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其 工作特性的最大电流。 工作特性的最大电流。 工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高， 工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高， 但过大的电流会使应变片过热， 但过大的电流会使应变片过热，灵敏系数产生 变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。 变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。
当被测物体产生位移时， 当被测物体产生位移时，悬臂梁随 之产生于位移相等的挠度， 之产生于位移相等的挠度，因而应变片 产生相应的应变。在小挠度情况下， 产生相应的应变。在小挠度情况下，挠 度与应变情况成正比。将应变片接入桥 度与应变情况成正比。 输出与位移成正比的电压信号。 路，输出与位移成正比的电压信号。
半导体应变片是用半导体材料制成的， 半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作 原理是基于半导体材料的压阻效应。 原理是基于半导体材料的压阻效应。 所谓压阻效应， 所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受 外力作用时，其电阻率fl发生变化的现象 发生变化的现象。 外力作用时，其电阻率 发生变化的现象。 半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变 半导体应变片受轴向力作用时， 化为式： 化为式： ∆R ∆ρ = (1 + 2 µ )ε + R ρ
应变式、压阻式、压电式传感器特性比较
应变式、压阻式、压电式传感器特性比较1．应变式传感器应变式传感器是把力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的，应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随力所产生的应变而变化。
应变效应是导体受机械变形时，其电阻值发生变化的现象。
2．压阻式传感器压阻式传感器的灵敏度比金属丝式应变片的灵敏度高，其精度好，而且响应频率好，工作可靠。
缺点是受温度影响较大，应进行温度补偿压阻效应是物质受外力作用发生变形时，其电阻率发生变化的现象。
3．压电式传感器压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应，目前广泛使用的压电材料有石英和钛酸钡等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷，这种现象称为“压电效应”。
压电式压力传感器不能用作静态测量，一般用于测量脉动压力，不能测量静压力；压电传感器产生的信号很弱而输出阻抗很高，必须根据压电传感器的输出要求，将微弱的信号经过电压放大或电荷放大（一般是电荷放大），同时把高输出阻抗变换成低输出阻抗，此信号才能被示波器或其他二次仪表接受。
压电式传感器与压阻式传感器的区别及其优缺点前边的那个受电场的干扰，后边那个受温度的干扰，看你用在那个场合。
前者的原理是压电效应，后者原理是受力后的应变。
前者的缺点是电荷泄露，优点是结构简单，灵敏度和信噪比高。
后者的缺点是信噪比不高，而且结构比前者复杂，优点是便宜，耐用，频率响应好。
压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。
其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。
当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。
用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。
压电式传感器：基于压电效应的传感器。
是一种自发电式和机电转换式传感器。
应变式传感器工作原理
应变式传感器工作原理应变式传感器是一种常用的传感器，可以用来测量物体的应变或变形。
它们通常用于工程、建筑、汽车和航空航天等领域，用于监测结构的变形、应变和应力。
在本文中，我们将探讨应变式传感器的工作原理，以及它们在实际应用中的一些常见用途。
应变式传感器的工作原理基于材料的电阻率随应变变化的特性。
当一个材料受到外部力的作用时，它会发生应变，导致材料的电阻发生变化。
应变式传感器利用这种原理，将材料的电阻变化转化为电信号，从而实现对应变的测量。
应变式传感器通常由敏感材料、电路和输出接口组成。
敏感材料是传感器的核心部件，它可以是金属、半导体或者陶瓷等材料。
当敏感材料受到应变时，它的电阻会发生变化。
电路部分则负责将敏感材料的电阻变化转化为电压或电流信号，输出接口则将信号传输给外部设备进行处理或显示。
应变式传感器可以分为多种类型，包括电阻应变式传感器、电容应变式传感器和电感应变式传感器等。
其中，电阻应变式传感器是最常见的一种类型。
它们通常由敏感材料组成的电桥电路和信号处理电路组成，可以实现对应变的高精度测量。
在实际应用中，应变式传感器有着广泛的用途。
在工程领域，它们可以用于监测建筑结构的变形和应变，以及汽车和飞机的结构健康监测。
在制造业中，应变式传感器可以用于监测机械设备的应变和应力，从而实现对设备状态的实时监测和预警。
此外，应变式传感器还可以用于医疗设备、体育器材和安全防护设备等领域。
总的来说，应变式传感器是一种非常重要的传感器，它可以实现对物体应变和变形的高精度测量。
通过了解其工作原理和实际应用，我们可以更好地理解和应用这一技术，为各种领域的工程和科学研究提供支持和帮助。
应变传感器的工作原理
应变传感器的工作原理应变传感器是一种常见的传感器，它可以测量物体的应变变化，从而得出物体的变形情况。
应变传感器广泛应用于各种领域，如工业自动化、机器人、航空航天、医疗设备等。
本文将介绍应变传感器的工作原理及其应用。
一、应变传感器的基本原理应变传感器是一种基于电阻变化的传感器。
当物体受力变形时，物体内部的应变会导致电阻的变化。
应变传感器利用这种电阻变化来测量物体的应变变化。
应变传感器的基本构造包括弹性体、导电材料、电极和导线。
弹性体是应变传感器的核心部件，它可以感应到物体的应变变化。
导电材料涂覆在弹性体的表面上，用于传递应变信号。
电极连接在导电材料的两端，用于测量电阻变化。
导线连接在电极上，用于将电阻变化转化为电信号。
应变传感器的工作原理可以用以下公式描述：ε = ΔL/L其中，ε表示应变，ΔL表示物体的长度变化，L表示物体的初始长度。
应变传感器通过测量物体的应变来得出物体的长度变化。
二、应变传感器的应用应变传感器广泛应用于各种领域，如工业自动化、机器人、航空航天、医疗设备等。
以下是应变传感器的几种常见应用。
1. 工业自动化应变传感器可以用于测量机械设备的变形情况，从而判断设备是否正常运行。
例如，应变传感器可以用于测量机械臂的变形情况，从而控制机械臂的运动轨迹。
2. 机器人应变传感器可以用于测量机器人的变形情况，从而调整机器人的姿态和运动轨迹。
例如，应变传感器可以用于测量机器人手臂的变形情况，从而控制机器人手臂的运动轨迹和力度。
3. 航空航天应变传感器可以用于测量航空航天器的变形情况，从而判断航空航天器是否正常运行。
例如，应变传感器可以用于测量飞机机翼的变形情况，从而调整飞机的姿态和飞行速度。
4. 医疗设备应变传感器可以用于测量人体的变形情况，从而判断人体是否正常运行。
例如，应变传感器可以用于测量人体骨骼的变形情况，从而诊断骨折和关节疾病。
三、应变传感器的优缺点应变传感器具有以下优点：1. 测量精度高应变传感器可以测量微小的应变变化，从而得出高精度的测量结果。
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第3章 应变传感器
3.2.2 薄膜的工作原理
薄膜的工作原理是基于材料的压电阻特性(即应力的变 化会引起电阻的变化)。电阻变化的原因是当材料受到应力 (或力)作用之后，电阻元件尺寸和材料电阻率发生了变化。 材料电阻率发生变化是由于应力对电子自由程的影响。一般 应力测量是采用金属线和金属片作为电阻元件，并将其接入 惠斯顿电桥的某一臂来测量电阻变化，从而得知应力的大小。 但金属片必须贴在需要测量的表面上，这样就限制了测量的 精度(因为应力不可能完全传送至金属片)，同时也限制了这 种传感器的最大工作温度。薄膜应力传感器可克服这些缺点。 因为薄膜应力传感器是由直接沉积在需要测量的表面上的压
第3章 应变传感器
2) 箔式应变片
箔式应变片的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成的； 其箔栅厚度一般为0.003～0.01 mm；箔金属材料为康铜或合 金(卡玛合金、镍镕锰硅合金等)；基底可用环氧树脂、酚醛 或酚醛树脂等制成。 箔式应变片有较多优点，可根据需要制成任意形状的敏 感栅；表面积大，散热性能好，允许通过比较大的电流；蠕 变小，疲劳寿命高；便于成批生产且生产效率比较高。
电阻丝与基底粘贴在一起；引出线4，用来连接测量导线。
第3章 应变传感器
图3.1 应变片的结构
第3章 应变传感器
2. 电阻应变片的分类
电阻应变片的分类方法很多，常用的方法是按照制造应 变片时所用的材料、工作温度范围以及用途不同来进行分类。 (1) 按应变片敏感栅的材料不同，应变片可分成金属应 变片和半导体应变片两大类。其中，金属应变片又分为体型 (箔式、丝式)和薄膜型；半导体应变片又分为体型、薄膜型、 扩散型、PN结型及其他型。 (2) 按应变片的工作温度不同，应变片可分为常温应变 片(－30 ℃～60 ℃)、中温应变片(60 ℃～300 ℃)、高温应 变片(300 ℃以上)和低温应变片(低于－30 ℃)等。
度也很高，但性能极不稳定。
第3章 应变传感器
(2) 半连续膜。这种膜的厚度在10－8～2×10－8 m之间，
膜面呈不连续的岛状，各岛之间有若干通道。 (3) 连续膜。这种膜的厚度一般大于2×10－8 m，膜面上 基本看不到岛状结构。这种膜的稳定性远远高于前两种，力 敏元件均采用这种膜。 2. 按薄膜结构形式分类 (1) 多晶体薄膜。用于敏感元件的半导体(如Ge、Si)和 化合物半导体(如锑化铟(InSb)、砷化镓(GnAs))通常都制成 多晶体薄膜。这种膜是由微小的晶粒无规则排列构成的，其 晶核形成晶粒的大小取决于基底温度、淀积速度等工艺条件。 若再经过退火处理，则还可使该膜的晶粒增大。用各种方法
获得的金属薄膜一般都是多晶体薄膜。
第3章 应变传感器
(2) 单晶体薄膜。用外延生长方法获得的半导体薄膜均
属单晶体薄膜。外延生长法已广泛应用于制造各种半导体器 件和集成电路。该方法已十分成熟。用该方法获得的硅薄膜， 因为基片是单晶，所以生长出的薄膜也是单晶。 (3) 无定形薄膜。用各种方法获得的金属氧化物介质薄 膜一般都是非晶态，这就是所谓的无定形薄膜。在一定条件 下(如基底温度很低)，也可形成半导体的无定形薄膜，如无 定形硅薄膜等。目前用于制造敏感元件和传感器的薄膜大都 是金属(包括合金)或半导体薄膜，而氧化物介质薄膜通常用 作绝缘层。
第3章 应变传感器
4) 金属薄膜应变片
所谓金属薄膜，是指厚度在0.1 mm以下的金属膜。习 惯上也把厚度在25 μm左右的膜称为厚膜，故上面介绍的箔 式应变片即属于厚膜类型。 金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积的方法制成 的。它可以将产生应变的金属或合金直接沉积在弹性元件上 而不用粘合剂，这样应变片的滞后和蠕变均很小，灵敏度高。 5) 高温及低温应变片 按工作温度来分类的高、低温应变片，其性能取决于应 变片的应变电阻合金、基底、粘合剂的耐热性能及引出线的 性能等。
第3章 应变传感器
电电阻薄膜组成的，所以通过对应力相对不敏感材料(如Au
或Al等)的厚膜电阻电极，可以实现对应力敏感电阻器的接 触。 对于长为L，横截面为S的均匀材料(金属或半导体)，两 端的电阻值为
第3章 应变传感器
(3) 按应变片的用途不同，应变片可分为一般用途应变
片和特殊用途应变片(水下、疲劳寿命、抗磁感应、裂缝扩 展等)。 3.1.2 常用的应变片 1) 丝式应变片 丝式应变片的基底材料可分为纸基、胶基、纸浸胶基和 金属基等。丝式应变片的电阻丝直径为0.02～0.05 mm，常 用的为0.025 mm；电流安全允许值为10～12 mA和40～50 mA；电阻值一般应在50～1000 Ω范围内，常用的为120 Ω; 引出线使用直径为0.15～0.30 mm的镀银或镀锡铜带或铜丝。
第3章 应变传感器
3.1 电阻应变传感器
3.1.1 应变片的结构和类型 1. 应变片的结构和类型 应变片的结构和形式是多种多样的。图3.1所示的应变 片结构主要由四部分组成：电阻丝(敏感栅)1，它是应变片
的转换元件；基底和面胶(覆盖层)2，基底是将传感器弹性
体的应变传递到敏感栅1的中间介质，它起电阻丝和弹性体 间的绝缘作用，面胶起保护电阻丝的作用；粘合剂3半导体应变片
半导体应变片是利用半导体的压阻效应制成的一种转换 元件。它与金属丝式应变片和箔式应变片比较，具有灵敏系 数高(比金属应变片的灵敏系数大50～100倍)、机械滞后小、 体积小以及耗电量少等优点。 半导体应变片的电阻温度系数大，非线性也大。这些缺 点不同程度地制约了它的应用发展。不过，随着近年来半导 体集成电路工艺的迅速发展，相继出现了扩散型、外延型和 薄膜型半导体应变片，使其缺陷得到了一些改善。
第3章 应变传感器
3.2
3.2.1
薄膜应变电阻及传感器
薄膜分类 薄膜有两种分类方法：按薄膜厚度分类和按薄膜结构形
式分类。 1. 按薄膜厚度分类
(1) 非连续金属膜。这种膜的厚度小于10－8 m，膜面呈
一个个相互孤立的小岛，它们之间没有通道，其导电作用是 由隧道效应所实现的。这种膜形成的应变片阻值很高，灵敏