力检测传感器

4.电阻应变式传感器的测量电路 电阻应变式传感器是将被测量的变化转 换成传感器元件电阻值的变化，再经过转 换电路变成电信号输出。 应变片的测量电桥结构简单，具有灵敏 度高、测量范围宽、线性度好、精度高和 容易实现温度补偿等优点，因此它能很好 地满足应变测量的要求，是目前采用最多 最广发的一种测量电路。
1936首次制成了粘贴式的纸基丝绕式电阻应变片 ，电阻应变测量迅速发展起来； 1952年英国的制出了第一批箔式应变片；
1957年出现了第一批半导体应变片；
此后又出现了能在高温环境下测量的高温应变片
，在疲劳条件下测量用的疲劳应变片，以及用于断
裂韧性测试的裂纹扩展应变片等。
应变式电阻传感器
本节主要内容：
例题：
有一金属箔式应变片，标称阻值R0为100，灵敏度K=2， 粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量
E=21011N/m2，所受拉力F=2000N，钢的应变量e=0.001，求受
拉后应变片电阻的变化值。
受拉后应变片的阻值R 的变化量仅为0.2
3.电阻应变式传感器结构框图及基本原理 电阻应变式传感器结构框图如图2-9所示。
压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片
隔离、承压膜 片可以将腐蚀性 的气体、液体与 硅膜片 隔离开来 。
压阻式固态
压力传感器 内部结构
信号处理电路
（二）、半导体电阻应变片的特性
半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，这为它 的应用提供了有利条件。另外，由于机械滞后小、横向 效应小以及它本身体积小等特点，扩大了半导体应变片 的使用范围。 其最大的缺点是温度稳定性差、灵敏度离散程度 大（由于晶向、杂质等因素的影响）以及在较大应变作 用下非线性误差大等，给使用带来一定困难。
一、概念
变形：
物体因外力作用而改变原来尺寸或形状。
弹性变形：
如果外力消失后能完全恢复其原来的尺寸 和形状的变形。
弹性元件：具有弹性变形这类特性的元件。
弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或位移， 然后再由传感器将应变或位移转换成电信号。
（一）弹簧压力表的组成
当被测压力作用于弹簧管时，弹簧管便产生相应 的变形，通过机械传动机构，使标尺指针偏移角度， 从而得到压力的数值。其中弹簧管就是弹性敏感元件， 它能感受压力并产生自身的弹性变形。
3.全桥工作 当采用差动工作方式时 ，其输出电压为：
U0 kUi
4.桥式电路灵敏度分析 桥式电路灵敏度通解公式：
K
为桥臂系数。
U
4
该式表明，桥臂系数越大，电桥电路的灵敏度越高
；供桥电压U越大，电桥电路的灵敏度也越高。 注：供电电压的提高受两方面的限制，一是应变片的允许温 升（允许功耗）；二是应变电阻的温度误差。
电阻应变片的工作原理 电阻应变片的种类和结构 电阻应变片的测量电路 电阻应变片的温度补偿 电阻应变片的应用
1856年英国W.Thomson在铺设海底电缆时，发现了电缆 的电阻值由于拉伸而增加，他在进一步对铜丝和铁丝进行
了拉伸试验后，给出了三个结论：
铜丝和铁丝的应变与其电阻变化有函数关系； 铜丝和铁丝对各自的应变与电阻的变化关系有各不相 同的灵敏度； 由应变而产生的微小电阻变化可用惠斯登电桥进行测 量。
（5）轮辐式传感器 轮辐式传感器采用轮辐式结构，抗偏抗侧能力强， 测量精度高，性能稳定可靠，安装方便，是大、中量程 精度传感器中的最佳形式，广泛用于各种电子衡器和各 种力值测量，如汽车衡、轨道衡、吊钩秤、料斗秤。 （6）S形拉压式传感器 S形拉压式传感器采用S形结构，由于其荷载的作用 点和支撑点在同一轴线上，因此它的受力稳定，称重时， 利用其弯曲变形，产生信号。这种传感器拉压均可使用， 应用于高温度环境，具有优越的抗扭、抗侧、抗偏载能 力，输出对称性好，精度高，结构紧凑等特点。适用于 配料秤、料斗秤、机电结合秤、吊钩秤等。
处理和时效处理。
5.粘贴质量检查
检查应变片的粘贴是否 有缺陷。
6.引线焊接
引线与导线采用焊接，为便于焊接还可在二者之间加接
线端子，焊接要求快速、准确，防止加热过程太长将应变片 损坏。
7.固定、防护 导线连接、焊 接后用胶布将引 线和被测对象固 定在一起，防止
损坏引线和应变
片。然后在应变 片上涂一层柔软 的防护层。
电桥平衡条件是
R1R3 R2 R4
应变片接入电桥通常有三种情况：单臂工作、半桥工作和
全桥工作
1.单臂工作 对全等臂电桥,桥路输出电压 ：
Ui U 0 k 4
2.半桥工作
R1和R2为应变片，R3和R4为 固定电阻
当两应变片差动工作时，
对全等臂电桥和半等臂电桥 桥路输出电压：
Ui U 0 k 2
电阻应变式传感器的外形及性能指标 1.电阻应变式传感器的外形
2.电阻应变式传感器的主要用途及特性 （1）金属箔式压力传感器
金属箔式压力传感器采用了箔式应变片贴在合金钢 制作的弹性体上，具有精度高、温度特性好等特点， 适用于电子皮带秤、配料秤。 （2）柱式传感器 柱式传感器利用箔式应变片贴在合金钢制作的圆柱 弹性体终端较细的部位。这类传感器结构简单，加工 容易，可拉、可压或拉压两用，能承受较大的负载， 具有长期稳定性好、密封性好等特点。适用于地中衡、 料斗秤、汽车衡、轨道衡等。
二、电阻应变片的种类和结构
金属丝式应变片 金属应变片 金属箔式应变片 薄膜式应变片
半导体应变片
（二）、电阻应变式传感器的工作原理 1.电阻应变效应 金属导体或半导体受到外力作用时，不 仅产生相应的应变(伸长或缩短)，而且其电 阻值也将随之发生变化的现象成为电阻的 应变效应。 2.灵敏度系数 灵敏度系数的物理意义是单位应变所引 起的电阻相对变化。
F
用在：机电结 合秤、料斗秤 、包装秤等各 种测力、称重 系统中. F
F
F
55 图2-11 剪切S梁结构电阻应变式传感器
各种悬臂梁
各种悬臂梁
F
固定点
F
固定点
电缆
回顾思考： 1.什么是弹性敏感元件？作用是什么？ 2.什么是电阻应变效应？
压阻式传感器
压阻式传感器的工作原理主要是基于 压阻效应
2.弹性敏感元件的分类 根据弹性敏感元件输入量的不同，可以 分为两大类： ①变换力（力矩）的弹性元件
这类弹性敏感元件大都采用等截面柱式、圆 环式、等截面薄板、悬臂梁及轴状等结构。
②变换压力的弹性敏感元件
这类弹性敏感元件常见的有弹簧管、波纹管、波 纹膜片、膜盒和薄臂圆筒等，它可以把流体产生的 压力变换成位移量输出。
当R1=R2=R3=R4=R时，为等臂电桥； 当R1=R2=R3=R4=R’时，为输出对称电路； 当R1 =R3=R，R2=R4=R’时，为电源对称电桥。 分析电路可知：当R1R4=R2R3时，电桥平衡，输出电压 为0 。
四、测量电路
直流电桥电路输出电压：
R1R3 R2 R4 U0 Ui ( R1 R2 )( R3 R4 )
表中，哪几个型号是半导体应变片？
三、应变片的粘贴
1.试件的表面处理
除去测点附近的油污、锈斑、
氧化膜、电镀层和涂料、油漆等。 采用手持砂轮工具除去构件表 面的油污、漆、锈斑等，并用细纱 布交叉打磨出细纹以增加粘贴力 ，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱 脂棉球擦洗。 2.确定贴片位置-——在应变片上标出敏感栅的纵、横向中心线， 在试件上按照测量要求划出中心线。
（3）悬臂梁式传感器 悬臂梁式传感器是将箔式应变贴在合金钢制 作的弹性体的上下两面，弹性体一端固定，一端 加载，拉、压均可。它具有精度高、密封性好、 易安装等特点，适于电子秤、料斗秤等小量程的 称重环境。 （4）桥式传感器 桥式传感器采用了箔式应变片贴在合金钢弹 性体上，具有精度高、长期稳定性好、密封性好、 抗偏载、抗扭曲、精度高等特点，适用于各种汽 车衡、轨道衡、料斗秤等场合。
dx K dF
3.弹性滞后（Elastic Hysteresis） 实际弹性元件在加、卸载的正 、反行程中变形曲线是不重合的 原因：弹性敏感元件在工作过程中
1 2
分子间存在内摩擦。
（三）弹性敏感元件的基本要求及分类
1.弹性敏感元件的基本要求 ①良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、 疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能。 ②良好的弹性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后 效小等）。 ③良好的抗氧化性和抗腐蚀性。 ④应保证长期使用和温度变化时的稳定性。
3.贴片 用干棉球擦干表面 ，用画笔在测点处和应
变片底面涂一层薄而均
匀的粘结剂。
稍停片刻，将应变片放在粘贴部位上，用镊子对应变片定 位。然后垫上玻璃纸用食指按在玻璃纸上，由引出线端向另一 端滚压，挤出气泡和多余的胶水后按住不动，保持约两三分钟 后即可将手松开，小心解开玻璃纸。
4.固化——贴好后，根据所使用的粘合剂的固化工艺要求进行固化
r
都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。
实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量R R与材 料力学中的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的，即
R Kx R
K—电阻应变片的灵敏度
对于不同的金属材料，K 略微不同，一般为2左右。而 对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率 会产生 很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。
应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置
F
R
4
R1
R 2
应变式荷重传感器外形及受力位置
F
F
应变式荷重传感器外形及受力位置
F
F
荷重传感器原理演示 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。
汽车衡
汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 ）
汽车衡称重系统
回顾思考： 1.热电偶的工作原理是什么？热电阻工作原理是什么？ 2.热敏电阻与热电阻有何不同？热敏电阻如何分类？