应变式传感器的基本知识
应变式压力传感器的原理及应用
应变式压力传感器的原理及应用
一、应变式压力传感器的工作原理
应变式压力传感器是通过应变测量物体受力大小的一种传感器。
其工作原理是：在物体内部或表面放置应变片，当外部施加压力时，应变片就会发生形变并沿着其敏感方向产生感应电阻的变化。
传感器接收感应电阻的信号，并将其转化为电信号输出。
因此，当外界的压力改变时，应变感应电阻的值也随之改变，进而实现对压力变化的检测与测量。
二、应变式压力传感器在电子秤中的应用
电子秤是应变式压力传感器的主要应用领域之一。
在电子秤中，传感器被安装在秤盘下面，在物品放在秤盘上时，其所承受的重力会被传感器感知并转化为电信号，进而计算出物品的重量。
目前，市面上电子秤的类型繁多，其中最为流行的是称重范围较小（数百克至数千克）的电子秤。
这类秤采用应变式压力传感器作为其核心部件，具有灵敏度高、精度高、反应迅速的特点。
同时，由于应变式压应力传感器具有结构简单，易于维护等优点，因此在电子秤中的应用也较为广泛。
电阻应变式称重传感器基础知识
电阻应变式称重传感器基础知识电阻应变式称重传感器1 .电阻应变式称重传感器等工作原理2.称重传感器常用技术参数3. 称重传感器选用的一般规则4. 使用称重传感器注意事项1.电阻应变式称重传感器等工作原理电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。
由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。
下面就这三方面简要论述。
一、电阻应变片电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。
他的一个重要参数是灵敏系数K。
我们来介绍一下它的意义。
设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。
当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：R = ρL/S（Ω）（2—1）当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。
设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。
此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。
对式（2--1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。
我们有：ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 （2—2）用式（2--1）去除式（2--2）得到ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L –ΔS/S （2—3）另外，我们知道导线的横截面积S = πr2，则Δs = 2πr*Δr，所以ΔS/S = 2Δr/r （2—4）从材料力学我们知道Δr/r = -μΔL/L （2—5）其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。
μ是表示材料横向效应泊松系数。
把式（2—4）（2—5）代入（2--3），有ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L=（1 + 2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L= K *ΔL/L （2--6）其中K = 1 + 2μ +（Δρ/ρ）/（ΔL/L）（２--７）式（2--6））说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。
第2章 应变式传感器1
2.6金属丝式应变传感器的应用
1、柱式力传感器
弹性元件可分为实心和空心两种在轴向布置一个或几个应变，在圆 周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，从而构成 差动对。
1
2
[(1 ) (1 ) cos 2 ]
F SE
1
F 2 1 SE
2.6金属丝式应变传感器的应用
3、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、 枪管及炮管内部的 压力、内燃机管道的压力等。 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。 下图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εt，表达式分别为
1、测量原理
R1 R4 R2 R3 Ig E Rg ( R1 R2 )( R3 R4 ) R1 R2 ( R3 R4 ) R3 R4 (R1 R2 )
U g I g Rg E ( R1 R4 R2 R 3 ) 1 ( R1 R2 )(R 3 R4 ) [ R1 R2 (R 3 R4 ) R 3 R4 ( R1 R2 )] Rg
E R1 Uo 2 R1
2.5电阻应变片的温度误差及其补偿
1、温度误差产生的原因
（1）温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变
(
（2）敏感栅材料与被测试件的线膨胀系数不同引起的电阻变化 R ( ) 2 K ( e g )t R
温度变化引起的总电阻变化为 R R R ( )t ( )1 ( ) 2 t t K ( e g )t R R R 相应的虚假应变为
力、压力传感器 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器基础知识
课程内容
1 . 电阻的应变效应 2. 电阻应变片的结构 3. 应变片测量原理 4. 电阻应变片的分类
电阻应变式传感器是一种利用电阻材料的应变效应，将工程结构 件的内部变形转换为电阻变化的传感器。
此类传感器主要是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。 通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变
13
3.应变片测量原理
测试时，将应变片用粘接剂牢固的粘贴在被测试件的表面上，随着试件受力变形，应变 片的敏感栅也获得同样的变形，从而使其电阻值随之发生变化，而此电阻值的变化是与 试件应变成比例的，因此如果通过一定的测量线路将这种电阻的变化转换为电压或电流 变化，然后再用显示记录仪表将其显示记录下来，就能知道被测试件应变量的大小。
2.电阻应变片的结构
引线作用：连接敏感栅和测量电路。
2.电阻应变片的结构
黏合剂作用：将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。用于使 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。
课程内容
1 . 电阻的应变效应 2. 电阻应变片的结构 3. 应变片测量原理 4. 电阻应变片的分类
受
受
压
拉
课程内容
1 . 电阻的应变效应 2. 电阻应变片的结构 3. 应变片测量原理 4. 电阻应变片的分类
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4.电阻应变片的分类
丝式
ห้องสมุดไป่ตู้
按其敏感栅不同
箔式 半导体应变片
应
低温
变 片
按使用温度不同
常温 中温
分
高温应变片
类
单向力测量应变片
按用途不同 平面应力分析应变片（应变花） 特殊用途应变片等
简析电阻应变式传感器电桥测量电路
电阻应变式传感器是一种常用的测量物体受力或变形情况的传感器，通过测量物体的应变来获取所需的物理量。
而电桥测量电路则是用来测量电阻变化的一种常见电路，结合两者可以实现对物体受力或变形情况的准确测量。
一、电阻应变式传感器的基本原理和特点电阻应变式传感器是一种将物理量（如力、压力等）转化为电信号的传感器。
它的基本原理是通过应变片（或称为应变贴片）来感知物体的受力或变形情况，进而将其转化为电阻值的变化。
当物体受到外力作用时，应变片会产生应变，从而导致其电阻值发生变化，通过测量电阻的变化可以间接得到受力或变形的大小。
电阻应变式传感器的特点包括灵敏度高、响应速度快、结构简单、成本低廉等，因此在工业控制和自动化领域得到了广泛的应用。
二、电桥测量电路的基本原理和特点电桥测量电路是一种常见的用于测量电阻变化的电路，它利用电桥平衡原理来测量电阻的变化。
电桥由四个电阻组成，当电桥中的电阻发生变化时，会导致电桥的电平发生变化，通过测量这种变化可以得到电阻的大小。
电桥测量电路的特点包括精度高、稳定性好、适用范围广等，因此被广泛应用于各种电阻测量场合。
三、电阻应变式传感器与电桥测量电路的结合将电阻应变式传感器与电桥测量电路结合起来，可以实现对物体受力或变形情况的准确测量。
具体而言，可以通过将电阻应变式传感器的应变片接入电桥测量电路中来实现对电阻变化的测量，从而间接得到物体受力或变形的大小。
结合两者的特点，可以实现对物体受力或变形情况的高精度、高稳定性测量，适用于各种工业控制和自动化领域。
四、电阻应变式传感器电桥测量电路的优化和应用在实际应用中，为了提高测量的精度和稳定性，可以对电阻应变式传感器电桥测量电路进行优化。
可以根据具体的应用场景选择合适的电阻应变式传感器和电桥测量电路，进行匹配和调试，以实现最佳的测量效果。
电阻应变式传感器电桥测量电路在工业控制和自动化领域有着广泛的应用，例如在机械设备的负载检测、结构件的变形监测、地质勘探等领域都有着重要的作用。
应变式力传感器原理
应变式力传感器原理
应变式力传感器利用材料的弹性变形特性来测量力的大小。
其工作原理如下：
1. 工作原理简述：
应变式力传感器由弹性材料制成，通常是金属或合金材料。
当外部施加力作用于传感器时，传感器内部的弹性材料会发生变形，而该变形会导致材料内部的应变产生变化。
2. 弹性材料的工作原理：
弹性材料具有弹性恢复能力，即当外力去除后能够恢复到初始状态。
在施加力之前，弹性材料的晶体结构处于初始状态，其晶体格子之间的距离是稳定的。
而当外力作用于材料时，晶格结构会发生略微的变化，晶体格子之间的距离会发生微小的变化。
3. 应变的产生：
当外力作用于弹性材料时，晶格结构的微小变化会导致材料内部产生应变。
应变是指单位长度的变形量，通常用应变率（单位长度的变形比例）来表示。
弹性材料的应变率与外力的大小成正比。
4. 电桥测量原理：
为了测量应变的变化，应变式力传感器通常采用了电桥测量原理。
电桥由四个电阻组成，其中一个电阻位于弹性材料上。
当材料受到外力作用时，其内部的应变发生变化，导致电阻值发生微小变化。
这会导致电桥的输出电压发生变化，从而可以通
过测量输出电压的变化来确定外界施加的力的大小。
总结：
应变式力传感器通过利用弹性材料的应变特性，测量外界施加的力的大小。
其工作原理主要包括弹性材料的应变产生和电桥测量原理。
通过测量电桥输出电压的变化，可以确定外界施加的力的大小。
应变式传感器的基本知识(2)
p52 第8题
课堂作业：
WHY？？？
➢应变符号相同的接入相对桥臂上。 ➢应变符号相反的接入相邻桥臂上。
2.4.2 交流电桥
引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都 要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变 电桥多采用交流电桥。
由于供桥电源为交流电源 U，引线分布电容使得二
桥臂应变片呈现复 阻抗特性，即相当于两只应变片 各并联了一个电容。
？ 当E值确定后，n取何值时才能使KU最高？
分析思路：dKU/dn = 0求KU的最大值
dKU dn
1 (1
n2 n)4
0
当n=1时，KU为最大值。即在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4 时，电桥电压灵敏度最高，此时有
Uo
E 4
R1 R1
KU
E 4
结论：当电源电压E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。
当受应变时：若应变片电阻变化为ΔR，电桥输出电压
Uo≠0，则电桥不平衡，输出电压为
Uo
E
R1 R1 R1 R1 R2
R3 R3 R4
R1R4
( R1 R1 R2 )(R3 R4 )
R4 R1
E
R3 R1
1
R1 R1
R2 R1
1
R4 R3
设桥臂比n=R2/R1，由于ΔR1<<R1，分母中ΔR1/R1可忽略， 并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3， 则上式可写为
单臂电桥 ：电桥中一桥臂为电阻应变片，其阻值变化为
ΔR，其他桥臂为固定阻值。
若ΔRi<<Ri，R1=R2＝R3=R4＝R，则得
应变式压力传感器工作原理
应变式压力传感器工作原理
应变式压力传感器是一种将物理量转换为电信号输出的传感器。
它的工作原理是利用应变效应，将物体在受力后产生的应变转换为电信号输出。
应变效应是指物体在受力后发生微小的形变，这种形变随着力的大小和方向的变化而变化。
应变式压力传感器利用这种应变效应来实现压力的测量。
具体而言，应变式压力传感器通常由一个弹性体和一些电阻片组成。
当弹性体受到压力时，会发生微小的应变，使得电阻片的电阻值发生变化。
这种变化可以通过电路进行测量，并转换为电信号输出，从而实现压力的测量。
这里需要注意的是，弹性体的形状和材料都会对传感器的灵敏度和精度产生影响。
因此，设计和选择弹性体时需要考虑实际应用的要求，以达到较好的测量效果。
应变式压力传感器还需要进行校准，以保证测量结果的准确性。
校准的方法通常是在已知压力下进行比较测量，然后根据测量结果进行调整。
应变式压力传感器是一种常用的压力传感器，可以实现高精度的压力测量。
它的工作原理是利用应变效应，将物体在受力后产生的微
小应变转换为电信号输出。
在实际应用中，需要根据要求进行弹性体的选择和设计，并进行校准以保证测量结果的准确性。
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• 应用： –广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的
测量
应变效应分析
•电阻应变片的工作原理是基于应变效
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
r
一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：
对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时， 其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点 漂移。
的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线
性关系。
即:
R K 或 K R （2 14）
R
R
K为金属应变片的灵敏系数。
测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于
线材的灵敏系数KS。原因主要是胶层传递变形 失真及横向效应。
2.3.2 横向效应
金属丝式应变片由于敏感栅的两端为半圆弧 形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变ε使敏感 栅电阻发生变化，而其横向应变εr也使敏感栅半 圆弧部分的电阻发生变化。
应变式电阻传感器
2.1 2.2 电阻应变片的重要特性 2.3 2.4 电阻应变片的测量电路 2.5 应变式传感器的应用
应变效应
R导原体理在：受金到属外导力体作或用半时，
会产生相应的应变，其 电阻也将随之发生变化。
电阻：大—>小 施加力F
让我们来做个应变效
?
的因电为阻：与金其属电应导阻的体率或实及半几验导何体尺DCGo!电!流!:
思考
• 应变力传感器：它能够把机械变形转换成电阻变 化．
2.2 电阻应变片的重要特性
灵敏度系数. 物理意义：单位应变所引起的电阻相对变化. 横向效应.（图2-2） 机械滞后. 零点漂移和蠕变. 应变极限. 动态响应特性.（图2-3）
2.2.1 灵敏度系数
金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变 之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示。当金 属丝做成应变片后，其电阻—应变特性与金属单 丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电 阻—应变特性重新测定。实验表明，金属应变片
R R
（1
2
) x
（2 10）
半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高 50～80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。
半导体应变片的突出优点是体积小，灵敏度高， 频率响应范围宽，输出幅值大，不需要放大器， 可直接与记录仪连接，使测量系统简单。但其 温度系数大，应变时非线性较严重。
2.1 工作原理
• 应变 –物体在外部压力或拉力作用下发生形变的
• 现象 弹性应变 –当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸 和形状的应变
• 弹性元件 –具有弹性应变特性的物体
应变式传感器概述
• 是利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器 • 工作原理：
–当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、 力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变 或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变 片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输 出的电量大小反映被测量的大小。
单位应变ε所引起的电阻相对变化量。其表达
式为
R K
R
课堂作业： p52 第3题
灵敏系数K受两个因素影响
• 一是应变片受力后材料几何尺寸的变化 • 二是应变片受力后材料的电阻率发生的
变化 • 大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，
电阻的相对变化与应变成正比，即K为常
数。
应变片的基本结构
引线--连接测量导线之用
产生原因：应变片在承受机械应变后的残余 变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化； 在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的不适 当的变形或粘结剂固化不充分等。
机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关， 加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。 所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若 干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。
R l
A
当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长Δl，横截面 积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素 影响而改变了Δρ，从而引起电阻值变化量为
dR＝ l A
d ＋ dl
A
l
A2
dA
电阻相对变化量： dR dl dA d R l A
式中：dl/l——长度相对变化量
定义：应变片的灵敏系数（物理意义）：
应变片的这种既受 轴向应变影响，又 受横向应变影响而 引起电阻变化的现 象称为横向效应。
θ
dθ
dl
图2-5 敏感栅半圆弧形部分
2.2.3 机械滞后、零漂及蠕变
应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加 载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。
指
卸载
示
应
Δε
变εi
加载
机械应变εR
Δε1
图2-6 应变片的机械滞后
略； ▪ 可通过较大的电流； ▪ 散热性好，寿命长； ▪ 生产效率高；
常用应变片一
常用应变片二
常用应变片三
金属应变计
2．半导体应变片Βιβλιοθήκη 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料 的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件 。当 半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻 率会发生变化。
当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相 对变化为 :
思考
• 应变式力传感器的工作原理：弹簧钢制成的梁形元件 右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的 自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面 压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面的电阻变 小．F越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化就越 大．如果让应变片中通过的电流保持恒定，则上面应 变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变 小．因此可得，外力越大，输出的电压差值也就越 大．
盖层
基底与面胶—中间介质和绝缘作用 电阻丝(敏感栅)—转换元件
电阻应变片式传感器是 目前用于测量力、力矩、压 力、加速度、质量等参数最 广泛的传感器之一。
箔式应变片
➢ 原理： 它是利用照相制版或光刻
腐蚀法将电阻箔材在绝缘基 底上制成各种图形的应变片； ➢ 优点： ▪ 敏感栅尺寸准确，线条
均匀； ▪ 其弯头横向效应可以忽
寸（长度、面积）有关，当6V +
小
其受到外力作用时，这些参
A
数发生变化，因而引起其+的
+-
电阻的变化，进而引 起电安培表指示 流的变化。
实验一
R K接通时
大
K
安培表变化
§4.3 电阻应荷变重式传传感感器器原理演示
荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴 向变短，径向变长。
例2-2 梁式力传感器