电阻应变式传感器
电阻应变式传感器.
电阻应变式传感器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。
应用范围：可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。
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。
1、应变式传感器的工作原理(1) 金属的电阻应变效应金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。
公式推导：若金属丝的长度为L，截面积为S，电阻率为ρ，其未受力时的电阻为R，则:(9.1)如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，其长度L变化dL，截面积S 变化dS，电阻率ρ变化，因而引起电阻R变化dR。
将式(9.1)微分，整理可得:(9.2)对于圆形截面有：(9.3)为金属丝轴向相对伸长，即轴向应变；而则为电阻丝径向相对伸长，即径向应变，两者之比即为金属丝材料的泊松系数μ，负号表示符号相反，有:(9.9)将式(9.9)代入(9.3)得:(9.5)将式(9.5)代入(9.2)，并整理得：(9.6)(9.7)或K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。
K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。
公式简化过程：由式可以明显看出，金属材料的灵敏系数受两个因素影响：一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，即项；另一个是受力后材料的电阻率变化所引起的，即项。
对于金属材料项比项小得多。
大量实验表明，在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的，即K0为常数，于是可以写成：(9.8) Array通常金属电阻丝的K0=1.7～4.6。
通常金属电阻丝的K0=1.7～4.6。
(2) 应变片的基本结构及测量原理距用面积。
应变片的规格一般以使用面积和电阻值表示，如2为的电阻丝制成的。
电阻应变式传感器
当温度变化∆t时，电阻丝电阻的变化值为：
∆Rα=Rt-R0=R0α0∆t
2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时，不论环境温度如 何变化，电阻丝的变形仍阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于环境温度的 变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。 设电阻丝和试件在温度为0℃时的长度均为l0, 它们的线膨胀 系数分别为βs和βg，若两者不粘贴，则它们的长度分别为
当电桥平衡时, Uo=0, 则有 或 R1R4 = R2R3
R1 R3 = R2 R4
电桥平衡条件：相邻两臂 电桥平衡条件 电阻的比值应相等, 或相 对两臂电阻的乘积相等。
电桥接入的是电阻应变片时，即为应变桥。当一个 桥臂、两个桥臂乃至四个桥臂接入应变片时，相应 的电桥为单臂桥、半桥和全臂桥。 2．不平衡直流电桥的工作原理及电压灵敏度
R1 Z1 = R1 + jwR1C1
R2 Z2 = R2 + jwR2C2
Z 3 = R3
输出电压
⋅ ⋅
Z 4 = R4
U ( Z1Z 4 − Z 2 Z 3 ) U0 = ( Z1 + Z 2 )( Z 3 + Z 4 )
要满足电桥平衡条件, 即U0=0, 则有 Z1 Z4 = Z2 Z3
或
∆R ∆ρ = (1 + 2 µ )ε + R ρ
∆ρ ∆R R = (1 + 2 µ ) + ρ
ε
ε
通常把单位应变能引起的电阻值变化称为金属电 阻丝的灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引起的 电阻相对变化量, 其表达式为 ∆ρ ρ K 0 = 1 + 2µ + ε ∆R = k 0ε 因此 R 灵敏度系数受两个因素影响: ①受力后材料几何尺寸的变化, 即（1+2µ）; ②受力后材料的电阻率发生的变化, 即∆ρ/
第2章 电阻应变式传感器
（ 2 2 ）
传感器原理与应用——第二章
电阻相对变化量为：
dR dL d dA R L A
若电阻丝是圆形的， 则A=πr ² 微分 ,对r
（ 3 2 ）
l
2r
2(r-dr)
F
l+ dl
得dA=2πr dr，则：
dA 2rdr dr 2 2 A r r
图2-1 金属丝的应变效应
• 应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、 压力、加速度、重量 等参数应用最广泛的传感器。
传感器原理与应用——第二章
2.1 电阻应变片的基本原理 应变式传感器的核心元件是电阻应变片，它可将试件 上的应力变化转换成电阻变化。 2.1.1 应变效应 当导体或半导体在受到外界力的作用而不能产生位移
时，则会产生机械变形（它的几何形状和尺寸将
指 示 应 变 卸载
Δε
εi
加载 机械应变εR 图2-6 应变片的机械滞后
传感器原理与应用——第二章
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。
很宽的范围内均为线性关系。
传感器原理与应用——第二章
即:
R
R
K 或
K
R
R
（ 14 2 ）
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
电阻应变式传感器
a) 丝式
b) 箔式
金属电阻应变片结构
1 2
3
12 3 体型半导体应变片
图3-1-5 电阻应变片的类型
3.1.1 应变片的工作原理
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应变电阻效应
（1）金属材料的应变电阻效应
dRRd(12u)
∵d CdV ∷dVdldA(12u)
V Vl A
金属丝材的
∴ d R R {1 (2)C (12)}K m
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3.1 电阻应变式传感器
3.1.1 应变片的工作原理 3.1.2 电阻应变传感器的测量电路 3.1.3 电阻应变传感器的温度误差及其补偿 3.1.4 电阻应变传感器的应用 3.1.5 电阻应变传感器实训
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3.1.1 应变片的工作原理
• 图3-1-4示出了电 阻应变片的基本 结构。
• 由材料力学知，经向收缩 和r 轴向伸长 的关系为：
•
r
drd，l称为泊松比
r
l
• 则 d R R d l(1 l2 ) d (1 2 ) d
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3.1.1 应变片的工作原理
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• 下面分导体和半导体两种情况对 上式进行讨论： – 金属电阻应变片（按结构形 式分） • 丝式 • 箔式 • 薄膜式 – 半导体应变片 • 体型半导体应变片 • 薄膜型半导体应变片 • 扩散型半导体应变片
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3.1.2 电阻应变传感器的测量电路
• 由于电阻应变片工作时其电阻变化很微小，例如，一
片 k、2初始电阻120Ω的应变片，受1333微应变（约2吨
重的力）时，其电阻变化仅0.36Ω。 • 测量电路的任务是把微弱的电阻变化转换成电压或电流的
变化，因此常用直流电桥和交流电桥作为测量电路。 • 目前应变片电桥大都采用交流电桥，但由于直流电桥比较
传感器技术(2)-电阻应变式
电源
电阻应变计
机械应变
放大、显示
∆R R
变化
电桥电路
工作方 式
电阻应变仪
U(I) 变化
桥臂关 系
负载
11
全等臂 电桥 Z 1 = Z 2 = Z 3 = Z 4 电压输出桥：R L → ∞ , I = 0 功率输出桥： U、 I
12
2
二、直流电桥及输出特性
初始平衡条件：
eφ =
U0=
E ∆R1 ∆R 2 ∆R 3 ∆R 4 ( − + − ) 4 R1 R2 R3 R4
18
3
4、应用 举例
被测非电量 弹性 应变
（ 2）应变计式加速度传感器 元件 传感元件 电阻 (应变片)
m
（ 1）应变式力传感器
电子自 动秤
m
例 2-11 筒形结构的称重传感器 FF F 惯性系 统： a F
a = F /m
适用频率： 10 ~ 60Hz
+ cx + kx = 0 m x
π-压阻系数， E—弹性模量
6
—— 半导体材料的电阻相对变化与线应变成正比
1
（ 3）导电丝材的应变电阻效应
五、电阻应变片的分类
金属丝 式应变片 金属箔 式应变片 半导体应变片
dR = K 0 ⋅ε R
金属
几何尺寸变化
K 0 = Km = (1 + 2u ) + C (1 − 2u )
电阻率变化
金属丝 材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主， K m=1.8 ~ 4.8 半导体
RL → ∞, I 0 → 0
E
13
SV =
U 0 E = Kε 2
电阻应变式传感器的原理
电阻应变式传感器的原理今天咱们来唠唠电阻应变式传感器这个超有趣的东西。
你看啊，这电阻应变式传感器啊，就像是一个超级敏感的小机灵鬼。
它的原理其实是基于一个特别简单又神奇的现象哦。
想象一下，有一根金属丝或者金属箔片，就像一个小小的金属条，这个小金属条啊，它要是受到了力的作用，不管是被拉伸了还是被压缩了，它内部的结构就会发生变化。
这就好比你拉一个橡皮筋，你一拉，橡皮筋就变长变细了，对不对？金属条也是这样，只不过它没有橡皮筋那么有弹性啦。
那这个电阻的变化怎么就能被用来做传感器呢？这就更有意思啦。
我们可以把这个应变的金属条接入到一个电路里面。
这个电路就像一个小社会，每个元件都有自己的角色。
当金属条的电阻发生变化的时候，整个电路的电流或者电压就会跟着变化。
就好像一个小团队里，有一个成员状态变了，整个团队的工作成果就会跟着改变一样。
比如说，我们想要测量一个物体的压力。
我们就可以把这个电阻应变式传感器放在物体下面。
当物体压在传感器上的时候，传感器里面的金属条就会被压缩或者拉伸，然后电阻就变了。
这个变化就会反映在电路的电流或者电压上。
我们只要测量这个电流或者电压的变化，就能知道物体对传感器施加了多大的力啦。
再比如说，在桥梁建筑里，这电阻应变式传感器可就像一个小小的健康监测员呢。
桥梁在承受车辆行驶、风吹雨打等各种外力的时候，它的结构会发生微小的变形。
把电阻应变式传感器安装在桥梁的关键部位，当桥梁的结构发生哪怕一点点的变形，传感器里的金属条电阻就会变化，工程师们通过检测这个变化，就能知道桥梁是不是安全啦，就像医生通过检查身体的各项指标来判断一个人健不健康一样。
而且啊，这种传感器还特别的灵活。
它可以被做成各种各样的形状和大小，就像变形金刚一样。
不管是测量小小的零件的应变，还是像桥梁这种大家伙的应力变化，它都能胜任。
它就像是一个隐藏在各种设备和结构里的小侦探，默默地感受着力的变化，然后把这个秘密通过电阻的变化告诉我们。
你看，这电阻应变式传感器是不是特别神奇又有趣呢？它虽然原理听起来有点复杂，但是只要你想象成是一群小电子在金属大道上的旅行受到了干扰，就很好理解啦。
《电阻应变式传感器》课件
03
电阻应变式传感器的测量电路
直流电桥测量电路
优点
简单、可靠、稳定性好。
缺点
对温度变化敏感，需要采取温度 补偿措施。
交流电桥测量电路
优点
对直流电源的稳定性要求较低，可以减小电源波动对测量结 果的影响。
在工业生产过程中，电阻应变式压力传感器被广泛应 用于压力控制、流量控制等场合，如气瓶压力监测、 管道压力监测等。
汽车行业
汽车发动机、气瓶、刹车系统等都需要用到压力传感 器，来监测和控制各种气体和液体的压力。
位移传感器的应用实例
自动化生产线
在自动化生产线上，位移传感器被用来检测和控制系 统中的物体位置，如机器人手臂的定位、传送带的物 体位置检测等。
电阻应变式传感器
目 录
• 电阻应变式传感器简介 • 电阻应变式传感器的类型与特性 • 电阻应变式传感器的测量电路 • 电阻应变式传感器的误差来源与补偿方法 • 电阻应变式传感器的应用实例
01
电阻应变式传感器简介
定义与工作原理
定义
电阻应变式传感器是一种将应变转换为电阻变化的传感器，通过测量电阻的变 化来测量受力状态。
总结词
半导体应变式传感器具有高灵敏度、 低温度系数和良好的线性等优点。
详细描述
半导体应变式传感器利用半导体的压 阻效应，即当半导体受到外力作用时 ，其电阻值会发生变化。这种传感器 常用于测量加速度、压力和振动等物 理量。
陶瓷电阻应变式传感器
总结词
陶瓷电阻应变式传感器具有耐高温、耐 腐蚀、高绝缘性和良好的稳定性等特点 。
电阻应变式传感器介绍
最低固化条件 室温10小时或
60℃2小时 室温1小时 室温24小时 室温2.5小时 200℃2小时 150℃3小时 150℃1小时 190℃3小时 200℃3小时 280℃2小时 400℃1小时 400℃3小时
固化压力 /104Pa 0.5~1
粘合时指压
0.3~0.5 粘合时指压 粘合时指压
2 1~2 — — 1~3
基底材料有纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等 制成胶膜, 厚度约0.03～0.05mm
3.黏合剂材料
用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。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。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和 敏感栅。
2.3应变片的主要参数
1.应变片电阻值（R0） 电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、350Ω，500Ω和1000Ω 等 多种规格，以120Ω最为常用。 应变片的电阻值越大，允许的工作电压就大，传感器的输出电压 也大，相应地应变片的尺寸也要增大，在条件许可的情况下，应 尽量选用高阻值应变片。
2.绝缘电阻(敏感栅与基底间电阻值: 要求>1010欧姆；
在金属丝的弹性范围内，灵敏系数KS 为常数，即 :
R R
Ks
线性关系
通常很小, 常用10-6表示之。例如, 当 为0.000001时, 在工程中 常表示为1 10-6或 m/m。在应变测量中, 也常将之称为微应变
(με)。对金属材料而言, 当它受力之后所产生的轴向应变最好不要 大于1 10-3, 即1000 m/m, 否则有可能超过材料的极限强度而 导致断裂。
合剂
化环已酮、萘酸钴干料
环氧树脂、聚硫酚铜胺、 固化剂
环氧树脂类 酚醛环氧、无机填料、
电阻应变式传感器
电阻应变式传感器
三、 电阻应变片的测量电路及温度补偿
（一） 测量电路
应变片把机械应变转化为有对应 关系的电阻变化后，需要将电阻的变 化转换为电压或电流的变化。由于应 变量非常小，通常采用测量电桥，将 微小的电阻变化转化为电压或电流的 变化。根据电源的不同，可将电桥分 为直流电桥和交流电桥。电桥的一般 形式如图1-7所示。
R
（1-5）
电阻应变式传感器
k0
1 2
/
，其中k0为电阻丝的灵敏系数，即单位应变所引
起的电阻的相对变化。通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝
的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量。
k0
1
2
/
可知，电阻丝的灵敏系数受两个因素的影响：
一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ，对某种材料来说
，它是一个常数；另一个是 / ，它是由电阻丝电阻率的改变而引
起的。
/
（1）对于金属材料， 是常数，并且比1+2μ小很多，往往可
以忽略不计，故 k0 1 2 。
电阻应变式传感器
（2）对于半导体材料，(dρ/ρ)/ε 的值比1+2μ大得多，电阻丝
的灵敏系数主要由电阻率相对变化所决定。 （3）大量实验也表明，在金属电阻丝拉伸比例极限内，电阻
相对变化与轴向应变成正比。通常，金属丝的灵敏系数k0为2左右， 不超过4~5，半导体应变片的灵敏系数为100~200。
半导体应变片的灵敏系数比金属电阻丝式应变片高几十倍，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。
电阻应变式传感器
二、 电阻应变片的结构和特性 1. 应变片的分类与结构
电阻应变式传感器
第一节 电阻应变式传感器
被测量⇒应变() ⇒电阻变化(R)
1.1 金属电阻应变式传感器
金属电阻应变式传感器是一种利用金属电阻应变片将应变 转换成电阻变化的传感器。
1.1.1金属电阻应变片
1.1.1.1 工作原理
1.电阻-应变效应 当金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将相 应地发生变化，这种现象称为金属导体的电阻-应变效应。 金属导体的电阻-应变效应用灵敏系数K描述 R R R R K （2-1） l l 式中 =l/l—轴向应变。
0 cos2x2 / cos2x1 / 2l 0
(2-13)
应变波幅值测量的相对误差
p 0 sin l 0 / 1 0 l 0
(2-பைடு நூலகம்4)
当n=/l0 =10～20时，=1.6%～0.4% δ<2%时，应变片的响应频率
1.1 金属电阻应变式传感器
9．动态特性
应变测试中，应变片的指示应变是敏感栅覆盖面积下的
轴向平均应变。 静态测试时，应变片能正确反映它所处受力试件内各点 的应变； 动态测试时，应变是以应变波的形式沿应变片的敏感栅 的长度方向传播，因而应变片反映的平均应变与瞬时应变 有 一定差异，产生动态误差。
图2-6 应变片的机械滞后
1.1 金属电阻应变式传感器
7．应变极限
对于已粘贴好的应变片，其应变极限是指在一定温度下， 指示应变m 与受力试件的真实应变i的相对误差达到规定 值（一般为10%）时的真实应变j ，如图2-7所示
图2-7 应变极限
1.1 金属电阻应变式传感器
8．零漂和蠕变
粘贴在试件上的应变片，温度保持恒定，在试件不受力 （即无机械应变）的情况下，其电阻值（即指定应变）随时 间变化的特性称为应变片的零漂；如果应变片承受恒定机械 应变（1000内）长时间作用，其指示应变随时间变化的 特性称为应变片的蠕变。
四种压力传感器的基本工作原理及特点
四种压力传感器的基本工作原理及特点四种压力传感器的基本工作原理及特点一：电阻应变式传感器一：电阻应变式传感器1 1电阻应变式传感器定义被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它产生变形，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称按这种原理设计的传感器称为电阻应变式压力传感器。
为电阻应变式压力传感器。
1.2 电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片。
箔式应变片是以厚度为0.002——0.008mm 的金属箔片作为敏感栅材料，，箔栅宽度为0.003——0.008mm 。
丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝(直径0．015--0．05mm)，平行地排成栅形(一般2——40条)，电阻值60——200 Ω，通常为120 Ω，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即制成了纸基的电阻丝式应变片。
制成了纸基的电阻丝式应变片。
测量时，测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于待测的弹性敏感元件表面上，待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，电阻片电阻片也跟随变形。
如下图所示。
B 为栅宽，L 为基长。
为基长。
材料的电阻变化率由下式决定：材料的电阻变化率由下式决定：d d d R A R A r r=+ （1） 式中；式中；R —材料电阻由材料力学知识得；由材料力学知识得； [(12)(12)]dRR C K m m e e =++-= (2) K —金属电阻应变片的敏感度系数式中K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分dR 、dL 改写成增量ΔR 、ΔL,可得可得 R L K K R Le D D == (3) 由式(2)可知，可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形ε,而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了ΔR 的变化，也就得到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。
第一章电阻式应变式传感器
上午2时13分
38
全桥差动
③ 全桥差动
R1、R4 受拉应变 R2、R3 受压应变
R1+ΔR1
为提高电桥电压灵敏度 n=1 R4-ΔR4
R1-ΔR1 + U0
R4+ΔR4-
R2 R4 1 R1 R3
E 图1.16 全桥差动电路
上午2时13分
39
全桥差动
结论：
Uo
E
R1 R1
KU E
✓Uo与ΔR1/R1成线性关系，无非线性误差， ✓而且电桥电压灵敏度KU=E，是单臂工作时的四倍。 ✓同时还具有温度补偿作用。
上午2时13分
18
温度误差 四、电阻应变式传感器的温度误差及补偿
1、温度误差及产生原因
由于温度变化引起的应变输出
（1）敏感栅电阻值（T）
Rt=R0(1+αΔt)
Rt R0 R0t Rt R0t
附加应变
t
Rt / R0 K
R0t / R0
K
t
K
特点
T ； ； t
上午2时13分
19
温度误差
电 桥
桥臂关系
半等臂电桥
电源端对称 Z1 Z 4, Z 2 Z 3 输出端对称 Z1 Z 2, Z 3 Z 4
全等臂电桥 Z1 Z 2 Z 3 Z 4
负载 电压输出桥：RL , I 0
功率输出桥：U、I
上午2时13分
28
平衡电桥
（一）
R1
R2
1 平衡电桥
RL U0
当RL→∞时，电桥输出电压为：
y x
上午2时13分
泊松比
6
一、工作原理
电阻丝的灵敏系数Ks：单位应变所引起的电阻相对变
应变式传感器的基本知识
电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压， 供电电压越高， 电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择； 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。
？当E值确定后，n取何值时才能使KU最高？
01
02
分析：
01
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。
原理：金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化。
K
电流: 小
施加力F
?
R
K接通时
安培表指示
安培表变化
电阻：大—>小
让我们来做个应变效应的实验Go!!!
荷重传感器原理演示
§4.3 电阻应变式传感器
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。
01
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。
产生的原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。
如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。
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。
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。
第二章电阻应变式传感器
线性，灵敏度*4
9 05:14
2018/10/6
恒流源电桥补偿法： 全等臂电桥，恒流源，单臂工作：
' U 0 I
R3R1 RR1 I R1 R2 R3 R4 R1 4 R R1 U 0 I
非线性
近似线性：
R3R1 IR R1 R1 R2 R3 R4 4 R
7
相对桥臂相加 相邻桥臂相减
U R1 05:14 4 R 1
2018/10/6
单臂工作：R1-应变片，R2-补偿片，R3、R4固定电阻
U 0
(2) 交流电桥： 原理：相同 ； 输入输出：直流 平衡条件： Z1Z3 Z2 Z4
Z ze j
交流， 电阻
阻抗
z1z3 z2 z4
平衡 输出 C1R4 C2 R3
H K y / Kx
横向效应系数
2018/10/6 5 05:14
机械滞后： 粘接 --- 过热/过载 残余变形 蠕变和零漂： 粘接 内应力
不重合
预载/重复加载
滑移
固化，增大弹性膜量
应变极限：非线性误差达到10%的应变值，过载能力
(2) 动态特性： 力传导：机械应变
基底
胶层
敏感栅
滞后
正弦响应：幅值降低
非线性误差：
' U0 U0 IRR1 /(4 R) IRR1 /(4 R R1 ) R1 / R1 eL ' U0 IRR1 /(4 R R1 ) 4 R1 / R1
(4) 电桥的温度效应及其补偿： 温度效应：标准状态（t=20C，p=760mmHg，f=10mmHg），（理想） 实际温度：偏差 --- 特性改变 --- 输出改变
传感器原理— 电阻应变式传感器
三、应变式电阻传感器的测量电路 • 1．电源接入方式 • 惠斯登电桥电路按照所提供电源的不同分 为直流电桥和交流电桥两种形式，其接入 方式如图所示。
电源接入方式
• 2．应变片接入方式
图： 应变片的三种接入方式
图： 应变式电阻传感器的实际电路
(一)电桥的主要特性
当R >> ∆R时
U i ∆R1 ∆R2 ∆R3 ∆R4 U0 = − − + 4 R R R R
• 1．力敏感元件 • 力弹性敏感元件大都采用等截面柱式、等 截面薄板、悬臂梁及轴状等结构。图所示 为几种常见的力敏感元件。
图 几种常见的力敏感元件
• 2．压力敏感元件 • 常见的压力弹性敏感元件有弹簧管、波纹 管、膜盒、薄壁半球和薄壁圆管等。压力 敏感元件可以把液体或气体产生的压力转 换为位移量输出。下图所示为几种常见的 压力弹性敏感元件。
2、压力 、 压力测量演示
案例：冲床生产记数 案例： 和生产过程监测
案例：冲床生产记数 案例： 和生产过程监测
案例： 案例：机器人握力测量
小型压阻式固态压力传感器 低压进气口 高压进气口
绝对压力传感器
小型压阻式固态压力传感器 p1进气管 固态压力传 感器
p2进气管 呼吸、 呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器
电阻应变式传感器
电阻应变式传感器是一种电阻传感器，
片
弹性敏感元件、 它主要由①弹性敏感元件、②电阻应变 组成。 ③测量转换电路组成。
利用电阻应变式传感器可以测量力、位移
等参数。 、形变、加速度等参数。 形变、
图2-3 电子秤中的应变式电阻传感器
一、弹性敏感元件
• 弹性敏感元件是一种在力的作用下产生变 形，当力消失后能恢复成原来状态的元件， 是电阻式传感器的敏感元件。它通过与被 测物件接触，能直接感受到被测的量的变 化。因而在传感器中占有非常重要的地位， 其质量的优劣直接影响应变式电阻传感器 的性能和测量精度。
2电阻应变式传感器
根部沿〈110〉和〈110〉晶向各 扩散两个P型电阻，并接成电桥。 当悬臂梁自由端的质量块受加速 度作用时，悬臂梁受弯矩作用产 生应力，其方向为梁的长度方向。 从而使四个电阻中两个电阻的应 力方向与电流一致，另两个
电阻的应力方向与电流垂直。
图2.24 压阻式加速度传感器原理结构
1-基座；2-扩散电阻；3-硅梁；4-质量块
1.测力传感器
应变计式传感器的最大用武之地 还是称重和测力领域。这种测力 传感器的结构由应变计、弹性元 件和一些附件所组成。视弹性元 件结构型式(如柱形、筒形、环形、 梁式、轮幅式等)和受载性质(如拉、 压、弯曲和剪切等)的不同，它们 有许多种类。
2.压力传感器
压力传感器主要用来测量流体的 压力。视其弹性体的结构形式有 单一式和组合式之分。单一式是 指应变计直接粘贴在受压弹性膜 片或筒上。膜片式应变压力传感 器的结构、应力分布及布片，与
第二章 电阻应变计式 传感器
第五节 电阻应变计式 传感器 第六节 压阻式传感器
一.原理和特点
综上所述，电阻应变计有两
方面的应用：一是作为敏感元件， 直接用于被测试件的应变测量； 另一是作为转换元件，通过弹性 元件构成传感器，用以对任何能 转变成弹性元件应变的其它物理 量作简接测量。用作传感器
传感器灵敏度的温漂是由于 压阻系数随温度变化而引起的。 当温度升高压阻系数减小， 传感器的灵敏度要减小；反之灵 敏度增大，零位温度一般可用串 联电阻的方法进行补偿，如图 2.25。
串联电阻Rs 主要起调节作 用，并联电阻 Rp则主要起 补偿作用。
图2.25温漂补偿电路
例：温度上升，R s的增量较大， 则A点电位高于C点电位，VA－VC 就是零位漂移。再R2上并联一负 温度系数的阻值较大的电阻R p， 可约束的R s变化，而实现补偿， 以消除此温度 差。
电阻应变式传感器标准
电阻应变式传感器标准电阻应变式传感器是一种常用的传感器类型，广泛应用于力学实验、工程结构监测、机械设备维护等领域。
为了确保传感器的准确性和可靠性，有必要制定相关的标准来指导其设计、制造和使用。
本文将从电阻应变式传感器的原理、标准制定的意义、标准的内容和执行等方面进行论述。
一、电阻应变式传感器的原理电阻应变式传感器是利用金属材料在受到力的作用下发生形变，并改变电阻值的原理来实现对力的测量。
一般情况下，传感器由弹性元件和电阻应变片组成。
弹性元件通过受力而发生变形，产生应变，进而改变电阻应变片的形状和尺寸，从而改变电阻值。
利用电桥原理，通过测量电阻的变化，可以精确地得到受力的大小。
二、标准制定的意义1. 保证传感器的准确性和可靠性：标准能够明确传感器的设计和制造要求，确保传感器的准确性和可靠性。
只有传感器具备这些基本特性，才能在实际应用中提供准确的测量结果。
2. 促进产品质量提升：通过制定标准，可以推动传感器行业的整体发展和技术进步，提高产品质量和竞争力。
3. 促进国际贸易和合作：制定统一的标准，有利于促进国际贸易和合作，降低贸易壁垒，提高产品的国际竞争力。
三、标准的内容电阻应变式传感器标准的内容主要包括以下几个方面：1. 设计和制造要求：标准应明确传感器的外形尺寸、材料选择、加工工艺等方面的要求，保证传感器的结构强度和稳定性。
2. 精度和可靠性要求：标准应规定传感器的测量范围、灵敏度、线性度、温度稳定性等指标的要求，确保传感器的测量结果准确可靠。
3. 校准和检测方法：标准应详细描述传感器的校准和检测方法，确保传感器在使用前能够获得准确的校准系数，提高测量结果的准确性。
4. 安装和使用指南：标准应给出传感器的安装方法和使用指南，包括传感器放置位置、固定方式、连接线路等，确保传感器能够正常工作并且不受外界因素干扰。
5. 标识和包装要求：标准应规定传感器的标识内容和方式，以及适当的包装要求，方便用户正确识别和使用传感器。
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（三）、测量电路的选用：电桥电路是一种能够实现将电阻、电感、电容等参量的变化转变为电压输出的一种信号变换电路。
具有结构简单、精确度和灵敏度高的优点，在测试中应用非常广泛。
电桥按供电方式分为直流电桥和交流电桥。
在这次设计中采用的测量电路是直流电桥。
而电桥工作状态可分为：不平衡电桥和平衡电桥，不平衡电桥在连续量的自动检测中大量采用，平衡电桥又称为零位法测量，一般用于静态测量，准确性较高。
在此次传感器设计中使用了平衡电桥。
二、基本原理：扭矩的测量：采用应变片电测技术,在弹性轴上组成应变桥,向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。
将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号。
如图1所示：一、设计题目要求与分析1、设计题目：设计测扭矩的传感器。
使用条件：转矩测量仪一般用在机器之间的传动轴上，所以振动大，灰尘、油雾、水污比较多，故要求传感器封装在一起，只留下两个轴端在外面；工作温度在-20~150C0。
二扭矩测量及应变片的基本原理1、应变片式传感器的原理及结构应变计的转换原理基于应变效应。
所谓应变效应是指属丝的电阻值随其变形而发生改变的一种物理现象。
由物理学可知，金属丝酌电阻值R与其长度L和电阻率ρ成正比，与其截面积A成正比比，其公式表示为:R=ρL/A从而当金属丝受力变形改变其长度与横截面积而改变电阻值，而引起电压值变化。
电阻应变计简称应变计，它主要由电阻敏感栅、基底和面胶(或覆盖层)、粘结剂、引出线五部分组成。
基底是将传感器弹性体表面的应变传递到电阻敏感栅上的中间介质，并起到敏感棚和弹性体之间的绝缘作用，面胶起着保护敏感栅的作用，粘结剂是将敏感栅和基底粘接在一起，引出线是作为联接测量导线之用。
电阻敏感栅可以将应变量转换成电阻变化。
应变计的结构如下：多数应变式传感器都是将应变计粘贴于弹性元件表面弹性元件表面的变形通过基底和粘结列传递给应变计的敏感。
由于基底和粘贴剂的弹性模量与敏感栅材料的弹性模量之间有差别等原因．弹性元件表面的应变不可能全部均匀地传递到敏感栅。
2、扭矩测量的基本原理一根实心的圆轴在扭矩n M 的作用下，其表面的剪应力的大小为nn GWM Gr ==τ式中G 为剪切弹性模量，()UE G+=12同时，相距为L 的两个断面的相对扭转角，其值的可有下式决定：nnMGJL =θ式中n J 为断面的极惯性矩，又dAJ n⎰=22ρπ对于实心圆轴：n J =π/324d ；对于空心圆轴：π=n J /32（44d D -）；由上述各式可见，只要轴的尺寸D 或0D ，0d 及L 确定，材料的剪切弹性模量就一定，转轴的剪应变和相距L 的两断面的相对转角就只与扭矩有关，且成比例，即n KM =θnGJL K =为常数，所以nM∝θ因此，只要测量θ即可确定n M 。
三 总体方案的确定将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上并组成应变桥, 应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。
将该应变信号放大后，经低通滤波送入A/D 转换，然后经单片机处理送显示屏显示其大小。
这种接法可以消除轴向力和弯曲力的干扰。
四、传感器的设计1、传感器的选择一般的应变式动态扭矩传感器主要是集流环式, 它的主要结构是传感器中间有一根回转运动的扭力轴,并且在扭力轴上贴有应变片。
为了将应变信号输出,碳刷集流环方式信号输出的动态扭矩传感器往往采用碳刷与集流环形式, 将应变信号从运动的扭力轴传送到固定的外壳上的碳刷集环方式信号输出的动态传感器。
由于集流环和电刷之间是相互运动, 因而有可能产生跳动和共振现象, 使电刷和集流环产生急速磨损,缩短了电刷与集流环的使用寿命, 并且增加了电刷与集流环之间的接触电阻, 影响了信号的输出质量。
根据有关资料介绍, 银镍合金集流环和银石墨电刷的使用寿命一般在3 ³108 —6 ³108 转之间。
根据使用转速情况不同, 动态扭矩传感器的使用寿命一般在半年至一年半之间。
以上讲的是实验室寿命, 实际上使用寿命有可能更短些。
为了解决这个问题,提出采用静动态圆管形扭矩传感器的设计方案。
2、传感器结构设计及结构图如图2 这种静动态扭矩传感器的主要结构原理是:在固定不动的套管式传感器2 ( 外壳) 上贴有应变片,而旋转的传动轴1 通过固定不动的套管式传感器2 ,传动轴1 的一端与变速箱6 内的行星齿轮系或步进电机7 的转子连成一体, 另一端与扭矩负载相连; 套管式传感器2 的一端与变速箱6 、步进电机7 的外壳(定子) 连成一体,另一端由套管式传感器2 的端部与机架固定。
当套管式扭矩传感器2 内的传动轴1 ,在步进电机7 的带动下产生旋转运动时, 此时, 当传动轴1 的另一端受到扭矩负载时, 而步进电机7 的转子必然产生一个大小相等, 方向相反的作用力传递给步进电机7 的定子(外壳) 上, 步进电机7 的外壳再将这个力传递给变速箱6 的外壳, 变速箱6 外壳再将这个力传递给套管式扭矩传感器2 ,使套管式扭矩传感器2 的应变片产生应变信号, 然后直接将这个信号从接线盒8 上输出,达到利用静态的、不运动的套管式扭矩传感器, 测出运动中或运动后的扭矩大小的目的。
在这里必须指出的是, 在套管式扭矩传感器2 的外壳与变速箱6 及步进电机7 的外壳(定子) 相连的方,必须采用圆周端面齿相连的方式。
外面用细牙螺纹将两个机件紧紧相连, 以消除机件在运动时产生的微量角度位移, 以防止套管式扭矩传感器的上应变片信号测量不准。
可以看出,利用本方案设计的静动态扭矩传感器, 无接触式电刷2集流环的影响, 从而可以达到提高扭矩传感器的使用寿命,并且简化制造过程, 不但能解决旋转轴的扭矩测量问题, 而且可以方便的解决各种动态扭矩螺栓装配机的扭矩控制和测量问题。
三、传感器的技术参数：基底材料：金属薄片应变片标称电阻值：500欧姆应变片栅长度l：6mm敏感栅结构：圆膜栅使用温度：0 ～800℃灵敏度系数S：1±0.2 mv / V允许电流：（正常工作时应变片允许通过最大电流）设定为25mA零点温漂：<0.5 % /℃电源电压：+15V±5%,-15V±5%扭矩示值误差：<± 0.5 % F· S非线性：<±0.25 % F· S重复性：<±0.2% F² S回差：<0.2 % F· S零点温漂：<0.5 % /℃输出阻抗： 1KΩ ±3Ω绝缘阻抗：>500MΩ静态超载：120 %断裂负载：200 %使用温度：0 ～60℃储存温度：－20 ～70℃总消耗电流： <130mA频率信号输出： 5KHz—15KHz负额定扭矩：5KHz±10Hz零扭矩：10KHz±10Hz正额定扭矩：15KHz±10Hz3、静动态扭矩传感器设计计算原理对圆管形扭力轴的应变:ξ45°= -ξ135°=8 M/［（π/ d3）G］［1/（1 –d４0/ d４）］对圆柱管形扭力轴的外径d:式中:α为圆管形扭力轴的内、外径之比α= d0/ d; M 为额定的工作扭矩, N²m ;G 为材料的弹性模量, Pa ;d 为扭力轴的外径, m ;[τ]为扭力轴的材料的许可应为力, Pa (N/ m2) 。
扭力轴材料的许可应力[τ]一般可取材料抗拉强度σb 的10 %～20 % 。
扭力轴的直径确定以后, 可按扭力轴变形角υ的要求,计算扭力轴的工作长度。
扭力轴的变形角一般取υ≈015°～1°之间, 约0101rad～0104rad 之间。
对圆管形扭力轴的长度:式中:υ为扭力轴的扭转变形角。
然后再根据以下公式求出圆管形扭矩传感器的内径d0= ad 最后根据以上公式求出圆管形扭矩传感器扭力轴的工作长度L 。
经过反复的校对和计算, 画出草图, ,经过静校及使用, 最后才能确定圆管形扭矩传感器的扭力轴的各部分尺寸套管式扭矩传感器的材料一般可以选用Cr12MoV 或0Cr17Ni4Cu4Nb 。
4 圆管形扭矩传感器的静校方法(1)只要在圆管形扭矩传感器的两端安装上输入输出部分的连接装置, 在输入输出部分的连接装置上可以施加砝码或使用标准扭矩传感器施加标准扭矩, 就可以对圆管形扭矩传感器进行校正。
一般按国家检定规程对圆管形扭矩传感器进行检定。
(2)静动态扭矩传感器取消了电刷和集流环, 因此粘贴在试件表面上的应变片的使用寿命就是传感器的使用寿命。
在恒定幅值的应变力作用下可以连续不断的工作,而不产生疲劳损坏的循环次数, 就是应变片的使用寿命。
据有关资料介绍应变片在500Hz 的动载荷作用下,循环次数可以达到106 ～107 之间。
在扭矩传感器使用过程中,一般交变载荷使用的非常少。
与电刷2集流环式扭矩传感器相比, 如果按时间计算无电刷2集流环式传感器使用寿命可达2～3 年以上, 与电刷集流环式扭矩传感器相比可以提高使用寿命2～3 倍以上。
二、硬件电路设计1、设计方案要求由系统电池供电，快速响应，可测量峰值，小体积的技术指标要求，硬件电路设计在保证测量精度的前提下必须解决系统低功耗运行，实现快速测量并保存测量峰值，尽量减小系统体积等问题。
低功耗运行是系统设计的关键。
系统原理框图下图1。
图一：系统原理框图２、低功耗设计由于扭矩传感器两端的等效电阻只有350Ω，而给传感器供电的电压不能太低，否则信号变化范围太小，影响测量效果。
如果用3.5V的稳压片连续提供激励电压，则电流接近10mA。
这是电池供电系统无法受的。
为此采用间歇式供电的方法进行测量，其原理：跟踪方式下每秒采样3-4次即可满足要求，采样电路按供电、等待、采样、断电、供电、等待、采样、断电的次序进行。
其中等待状态是使传感器信号稳定。
如果等待时间为10ms，采样时间为10ms，1s 采样4次，则传感器的工作电图2平均工作电流只有0.8mA。
图二：传感器工作电流图为了能更准确地捕捉峰值，可适当提高采样频率。
该测量方式大大减小了传感器的平均工作电流，但对系统其他部分的设计也提出了一些要求：（1）,56 转换器的速度应快，必须在10ms 内完成采样。
不能使用双积分型和其他转换速度较低的A/D 转换器，只能采用逐次逼近性A/D 转换器。
为降低A/D 转换器本身的功耗，要求A/D 转换器本身必须有低功耗模式。
（2）单片机的速度不能太慢，必须在较短的时间内读回采样值并完成计算，而且要求单片机具有休眠模式和通过某种方式自动唤醒的功能。
（3）采样速度快的A/D 转换器通常没有双极性输入方式，必须增加换向电路。
３、换向电路系统换向电路由双向模拟开关构成，单片机通过两根口线控制其通道切换，为后续放大器的正反输入端提供不同极性信号，使其输出始终为正，满足A/D 转换器单极性输入的要求。