应变式传感器
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
应变式传感器的组成
应变式传感器的组成
哎呀呀，我一个小学生哪懂什么应变式传感器的组成呀！不过既然要写，那我就努力想想吧。
你知道吗？应变式传感器就像是我们身体里的小侦探，默默地工作着，帮我们测量各种各样的东西。
它主要由几个部分组成。
首先是弹性元件，这就好像是传感器的“骨架”，得够结实，才能撑得住后面的工作。
比如说，它就像我们盖房子的大梁，要是大梁不结实，房子不就容易塌啦？弹性元件得能承受住外界的力量，还不能变形得太厉害。
然后呢，还有电阻应变片。
这电阻应变片呀，就像是传感器的“眼睛”，能敏锐地感受到变化。
你想想，要是没有这双“眼睛”，传感器不就啥都看不见，啥都测不出来啦？它能把那些微小的变化转化成电信号，是不是很神奇？
再有就是测量电路啦。
这测量电路就像是传感器的“大脑”，得聪明，得能处理电阻应变片传来的电信号。
它得把这些信号整理清楚，让我们能看懂，能明白到底测量出来的是啥。
这就好比我们做数学题，得有个聪明的脑袋才能算出正确答案呀！
还有一些其他的小零件，虽然它们可能不那么起眼，但也都有自己的重要作用呢！
你说，这应变式传感器是不是很厉害？它的每个组成部分都像是一个小战士，各自坚守岗位，共同完成测量的大任务！
我觉得呀，科技真的太神奇啦，能发明出这么厉害的东西来帮助我们！。
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
(1)差动电桥
B R1＋R1
＋
R2－R2
A
C
Uo
R3
R4
－
D
B
R1＋R1
＋
R2－R2
A
C
Uo
R3－R3 D
R4＋R4
－
E
E
(a)
(b)
图2-9 差动电桥
半桥差动：在试件上安装两个工作应变片，一种受拉应变，一种受 压应变， 接入电桥相邻桥臂。
Uo
U R1
R1 R1 R1 R2 R2
R3 R3 R4
Uo
U R1
R1 R1 R1 R2 R2
R3
R3 R3 R3 R4 R4
若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4 ， R1=R2=R3=R4，则得
Uo
U
R1 R1
R R
B R R
A
C
Uo
R R R R D
U
可知：Uo 与ΔR1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电 桥电压敏捷度Su=U，是单臂工作时旳4倍。
U R 1
Uo
4
R1
1
R1 2R1
U
' 0
U 4
R1 R1
U Su 4
应用：根据上式，假如已知应变，就能够求出输出电压；反之依然。
2.非线性误差及其补偿措施
实际情况（保存分母中旳ΔR1/R1项）：
n R1
U0
U
1 n
R1 R1 R1
(1
n)
若n=1：
理想情况（略去分母中旳ΔR1/R1项）：
/
2)
2
内贴取“＋”
式中： h——圆环厚度； b——圆环宽度； E——材料弹性模量。