《检测技术》-01-2-电阻应变片-修订

RT 1 T R Sg Sg
f T
(1.2.12)
2.
金属丝与衬底材料的线膨胀系数不同，从而在 温度变化时引起附加的应变。 金属丝因温度变化引起的应变：
g g T
(1.2.13) (1.2.14)

衬底材料因温度变化而引起的应变
s s T
式中αg和αs分别为金属丝和衬底材料的线膨 胀系数。当时αg ≠αs
R 1 2 E (1.2.11) dl l Ss为应变片系数或灵敏度,金属电阻丝的灵敏度常 Ss dR
在1.7~4.0之中，常用的金属材料有银、铬镍合金、 或铁镍合金等。

应变片的分类： 非粘贴式 ：几乎都被用于传感器应用。 图1.2.3示出一种非粘贴式应变仪，它采用一组连接成 电桥形式的预加载电阻丝。 其中电桥的每根电桥臂的电阻值约为120~1000Ω，最大 激励电压为5~10V，满量程输出为20~50mV。
1.1 传感器的分类

按被测物理量进行分类 ：

力传感器、速度传感器、温度传感器等。

按传感器的工作原理或传感过程中信号转换的 原理分类：


结构型传感器：根据传感器的结构变化来实现信 号的传感，如电容传感器。 物性型传感器：根据传感器敏感元件材料本身物 理特性的变化来实现信号的转换。如压力加速度 计是利用了传感器中石英晶体的压电效应；光敏 电阻则是利用材料在受光照作用下改变其电阻的 效应，等等。
金属箔式应变片：
a）、b）、c）敏感单方向上的应变
d）膜片应变片 e）三片式应变花，60°箔式平面型 f）双片式应变花，90°箔式叠合型 g）三片式应变花，45°电阻丝式叠 合型 h）双片式应变花，90°剪切式平面 型
图1.2.6 不同的箔式应变片结构形式
• 金属薄膜应变片 ： • 采用汽相淀积法和离子溅射法直接在衬底材料上 形成，常用作传感器。 • 薄膜应变片的阻值和应变片系数与粘贴式金属箔 应变片的相似，但其时间和温度稳定性较好。
g s ( g s )T
f T
Sg
(1.2.15)
总附加应变则为
a t
( g s )T
(1.2.16)
3. 应变片的灵敏度系数随温度变化产生的变化较 小，可以予以忽略。

补偿途径：


应变片温度补偿 （如图 1.2.9所示）； 采用专门的、具有固有 温度补偿功能的应变片。 这种应变片采用特别的 材料，这种材料能使线 膨胀系数和电阻变化造 成的效应差不多相互抵 消，可得
应变片
应变方向
试件
应变片与试件的粘结
注：当试件的应变方向不单一时，要使用多片。 三、电阻应变片应变电阻的测量 实际使用中均用电测法，即
图1.2.9 应变片温度补偿
g s
f
(1.2.17)
Sg

应变片测量的另一误差来源则涉 及到应变片的大小与被测点的位 置关系。 目前最小的应变片长可做到 0.38mm。 应变片也可被贴到曲面上，对 某些应变片来说，曲面的最小 安全弯曲半径可小到1.5mm。
1.2.6 应变片的粘贴

半导体膜片式绝对压力传感 器 ：
图1.2.8 半导体膜片式绝 对压力传感器
1.2.5 应变片的误差及其补偿（简介）

温度是影响应变片精度的主要因素
1.
温度变化引起应变片本身电阻的变化
RT R f T
式中ΔRT－温度变化引起的电阻变化值； γf－金属应变片电阻温度系数 ； ΔT－温度变化度数。 由该电阻值的变化折算成应变值为

图1.2.10 粘贴应变计的力和力矩传感器 （a）拉力杆 （c）弯曲悬臂 （b）压力杆 （d）扭矩轴
其它：电阻应变片的结构及工作方式 1．基本结构
dR K x R
1-5
2．分类 (按敏感栅的结构特点和构成材料进行分类)
⑴．丝式 ⑵．箔式 ⑶．半导体式
3．工作方式 (工作原理) 应变片在使用时，用粘合剂粘在 试件表面，用来测量试件表面的应变 的。粘贴时需使栅丝的轴线沿应变方 向。
式中， (1.2.7) dl/l=ε为单位应变； dr/r为电阻丝径向相对变化，它与dl/l之间的关 系为 dr dl
式中ν－电阻丝材料的泊松比。 dρ/ρ反映了电阻丝的电阻率的相对变化，它与 电阻丝纵向所受的应力σ有关：
r

(1.2.8)
l
d

式中，
E
(1.2.9)
λ－纵向压阻系数 ； E－材料的弹性模量。

根据传感器与被测对象之间的能量转换 关系分类：
能量转换型传感器（亦称无源传 感器）：直接由被测对象输入能 量来使传感器工作的。如热电偶 温度计、弹性压力计等等。 能量控制型传感器（亦称有源传 感器）：依靠外部提供辅助能源 来工作，由被测量来控制该能量 的变化。如电桥电阻应变仪。

1.2 电阻式传感器

特点：具有很高的应变片系数，一般可高达150左 右。
图1.2.4 不同类型的半导体应变仪
1—硅棒 2—引线带 3—塑料载体 4—P型硅 5—N型硅
半导体应变片

半导体应变片的电阻变化主 要由公式（1.2.10）右边的

dR (E ) 项决定；R
缺点：



温度灵敏度高； 非线性； 安装困难。
1.2.3 半导体应变片

工作原理：半导体材料的压阻效应 。
压阻效应：单晶半导体材料在沿某一轴向受外力作用时， 其电阻率ρ随之发生变化。从半导体物理可知，单晶半 导体在外力作用下，原子点阵排列规律会发生变化，导 致载流子迁移率及载流子浓度产生变化，从而引起电阻 率的变化。

分类：

P型应变片：在施加有效应变时会增加其电阻值； N型应变片：在施加有效应变时会减少其阻值。

–
变阻器的分辨率




取决于电阻元件的结构型式。 为在小范围空间中得到足够高的电阻值，常采 用线绕式电阻元件 。 当滑臂触点从一圈导线移动至下一圈时，电阻 值的变化是台阶形的，由此则限制了器件的分 辨率。 实际中能做到绕线间的密度为25圈/mm，对直线 移动式装置来说，分辨率最小为40μm，而对一 个单线圈5cm直径的转动式电位计来说，其最好 的角分辨率为约0.1o。 为改善分辨率，也可采用碳膜或导电塑料电阻 元件。
传感器构成框图
被测信息
敏感元件
转换元件
信号调理电路
输出信息
辅助电路 传感器构成框图
1.1 被测量获取的基本概念


传感：将被测的量或被观察地量通过一个被 测量传感器或敏感元件转换成一个电的、液 压的、气动的、或其它形式的物理输出量。 用来完成这种转换的装置则称为传感器或敏 感元件。



敏感元件：直接感受被测物理量并对其进行转换 的元件或单元。 传感器：敏感元件及其相关的辅助元件和电路组 成的整个装置。 敏感元件是传感器的核心部件。
第一章 电阻应变传感器
传感器的基本概念
传感器的定义及构成
传感器(Transducer/Sensor)的定义是：能感 受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。 通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其 中敏感元件(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。
电阻式传感器：将被测的量转变为电阻变化的一种 传感器。 一、工作原理：

一个电导体的电阻值：
R
l
A
()
(1.2.1)

式中：R－电阻（Ω）； ρ－材料的电阻率（Ω· 2/m）； mm l－导体的长度（m）； A－导体的截面积（mm2）。 改变长度l，则可形成滑动触点式变阻器或电位计； 改变l、A和ρ则可做成电阻应变片； 改变ρ，则可形成热敏电阻、光导性光检测器、压阻应 变片、以及电阻式温度检测器。
• • •
• •
常用的粘接剂：环氧树脂、酚醛树脂等； 高温下：专用陶瓷粉末等无机粘接剂。 对粘接剂的要求：保证粘接面有足够的 强度、绝缘性能、抗蠕变、以及温度变化 范围等。 使用粘接方法的温度范围：-249℃~816℃ 对超高温度来说，常要采用焊接技术来进 行连接。
1.2.7 应变片的应用
结构的应力和 应变分析 ； 用于制成力、 位移、压力、 力矩和加速度 等测量传感器。

将式（1.2.8）和（1.2.9）代入式（1.2.7）中， 可得 dR (1.2.10) (1 2＋E) R 分析： 影响电阻值变化的因素：

电阻丝长度的变化 ； 电阻丝面积的变化 ； 压阻效应的作用 。

电阻值的相对变化与应变成正比，因此通过应变 dl/l=ε便可引起电阻变化dR/R，这便是应变片的原 理。若用无量纲因子Ss表征两者的关系，则
1.2.2 电阻应变传感器
当金属电阻丝受拉或受压时，电阻丝的长度和 横截面积将发生变化，且电阻丝的电阻率也发生 变化（这一现象称为压阻效应），因此导线的电 阻值发生变化。 对式（1.2.1）进行微分可得： A( dl ld ) ldA (1.2.6) dR 2 A
设A=πr2，r为电阻丝半径，代入上式得 l l dR 2 dl 2 d 2 3 dr r r r dl d 2dr R( ) l r
二、滑动触点式变阻器

直线位移型：
R=ktx
(1.2.2)
kt为单位长度中的电阻 。 其灵敏度： dR
s

角位移型
灵敏度：
dx
kt
(1.3.3)
dR s kr d