电阻应变片和电阻应变仪

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电阻应变计(应变片)原理

于室内实验、模型实验，还可以在现场对实际结构或部件进行测量，这些特点是任何一种传
感元件或传感器所不能比拟的。另外，它在对结构和设备的安全监测方面也有广泛的应用前
景。
电阻应变计是一种用途广泛的高精度力学量传感元件，其基本任务就是把构件表面的
变形量转变为电信号，输入相关的仪器仪表进行分析。在自然界中，除超导外的所有物体都
L
（2-2）
其中μ为金属丝材料的泊松比。dL/L 为金属导线长度的相对变化，用应变表示，即：
ε = dL L
在电阻丝伸长的过程中所产生的电阻值的变化成为：
( 2-3 )
dR R
=
dρ ρ
+
dL L
−
dA A
=
dρ ρ
+
(1 +
2μ )ε
（2-4）
在式中，前一项是由金属丝变形后电阻率发生变化所引起的；后一项是由金属丝变形后
0.32 0.68
电阻温度系数(10-6/ºC)
+20
300
110~130
+20
+20
30~40 3900 850 227
2.2.2 基底基底是电阻应变计的一个组成部分。其作用是在应变计被安装到试件上之前，将敏感栅
永久地或临时地安置于其上，同时还要使得敏感栅和粘贴应变计的试件之间相互绝缘。对电阻应变计的基底材料，一般有下列一些要求：柔软并具有一定的机械强度，粘结性

电阻应变计的原理及使用

造基本相
同
按敏感栅材料分：
金属电阻应变计 , 半导体应变计
金属电阻应变计又分：工作温度
常温应变计（－30C～＋60C），低温应变计（低于－30C）中温应变计（－30C～350C），高温应变计（350C以上）
敏感栅制造方法：
丝式应变计，箔式应变计，
敏感栅结构：
单轴应变计；多轴应变计（应变花）；
（五）粘结剂
足够的抗剪能力,粘结强度高,能准确/ 稳定地传递变形/徐变/和机械滞后
电绝缘性好/无腐蚀/无毒/耐老化/化学稳定性好/便于保存
固化温度低/时间短/使用工艺简单环境温度/湿度/介质对粘结剂性能影
响小
2.4 应变片的分类
常用：
构
丝绕式金属箔电阻片箔丝组合应变片半导体应变片
电阻应变仪:把十分微弱的电信号进行放大,以推动显示记录仪器工作,把被测信号记录下来。
2.2 电阻应变片构造
B L
应变片的形状：
栅状，一般应变片中的金属丝均为栅状。原因： (1) 用应变片进行应变测量时，对应变片
中金属丝需加一定的电压，为防止电流过大，产生发热及熔断现象，要求金属丝有一定的长度（单线长度30－80毫米），以获得较大的初始电阻值（120欧姆） (2) 测量构件应变时，又要求尽可能缩短
应变片的长度以接近一点的真实应变。

2019-第二章-2电阻应变仪-文档资料

山东大学模具工程技术研究中心
4
（2）电桥输出公式的使用前提条件：
1）先决条件是：电桥起始是平衡的；
2）无论各电阻如何变化，一定要在平衡点附近； 3） R i 仅发生微小变化.
R
（3）两种特殊电桥的输出：
a)等臂全桥
R 1R 2R 3R 4R
U H U 4 R 0 R 1 R 2 R 3 R 4 U 4 0 R R
超动态电阻应变仪动态应变：爆炸、高速冲击
遥测应变仪
无线电传输信号原理测量旋转体、运动件
测量频率范围
0 ~ 15Hz < 200Hz < 5KHz
几十 KHz
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1
电阻应变片的信号调理电路:
由于将应变等机械量转换为电阻的变化，此变化的数量是很微弱的，因此须采用高精度的测量电路——电桥测量电路。
上式为电桥加减特性表达式。
电桥输出的八字原则：
相邻相减，相对相加。
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7
2. 交流电桥的基本关系：电阻平衡、存在不平衡电容
Z1Z3Z2Z4
或
Z1 Z 3 Z2 Z4
பைடு நூலகம்
相对桥臂阻抗之积相等
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8
交、直流电桥的异同点
相同点：输出电压的幅值都与被测的应变成正比；不同点：

电阻应变片应变测量的原理

电阻应变片是一种基于电阻变化的应变测量装置，应用于各种结构和材料的应变测量。它的原理是基于材料电阻式的变化规律，在受力或受压时，电阻发生变化，由此实现应变的测量。

电阻应变片通常由导电材料制成，如金属或半导体材料。其具有良好的导电性能，接有一定电压时会产生电流。当外力加在电阻应变片上时，导电材料受到应变，导致电阻发生变化。这种变化可以通过测量电阻的方式来获得电阻应变片的应变量。

电阻应变片的工作原理涉及到材料的电阻率和杨氏模量。在工作时，电阻应变片的材料会发生线性应变，即应变与应力成正比。由于应变片材料的金属导电特性，当其受到应力时，会导致电子在材料中移动，从而影响电阻。具体来说，应变片受到横向拉伸应力时，它的横向尺寸会变小，纵向尺寸会变长。这种应变会使电阻片金属网格的线宽和线间距发生变化，从而导致电阻的变化。

为了测量电阻的变化，通常会将电阻应变片作为一个电桥的一个分支。电桥的另外三个分支由电阻器组成，形成一个平衡电桥。在没有应变时，电桥平衡。而当电阻应变片受到应变时，应变片的电阻发生变化，破坏了电桥的平衡状态。根据电桥平衡的原理，可以测量出电阻的变化，进而计算出应变。

为了提高测量的精度，通常会采用恒流源或恒压源来驱动电桥。这样可以保持电

桥中的电流或电压不变，从而减小测量误差。

电阻应变片的测量原理在工程和科研领域有着广泛的应用。例如，在结构工程中，电阻应变片可以用于测量建筑物和桥梁的变形，以评估其结构安全性。在机械工程中，电阻应变片可以用于测量机械零件的变形和应力，以评估其承载能力。此外，电阻应变片还可以用于测量材料的应力应变曲线和杨氏模量等材料力学性能参数的实验研究。

应变电测法

应变电测法是一种应力测试方法，其基本原理是利用电阻应变片测定构件表面的线应变，再根据应变-应力关系确定构件表面应力状态。

应变电测法的实施步骤包括：

1.将电阻应变片粘贴在被测构件表面，当构件变形时，电阻应变片的电阻值将

发生相应的变化。

2.通过电阻应变仪将此电阻变化转换成电压（或电流）的变化，再换算成应变

值或者输出与此应变成正比的电压（或电流）的信号。

3.由记录仪进行记录，就可得到所测定的应变或应力。

这种方法具有测量精度高、范围广的优点，而且能连续测量和记录，实现远距离测量，方便地用于控制系统中，使生产过程自动化。

1/ 1

电阻应变计的原理及使用

第2章电阻应变计的原理及使用

2.1 电阻应变计的工作原理

电阻应变计习惯称为电阻应变片，简称应变计或应变片。出现于第二次世界大战结束的前后，已经有六十多年的历史。电阻应变计的应用范围十分广泛，适用的结构包括航空、航天器、原子能反应堆、桥梁、道路、大坝以及各种机械设备、建筑物等；适用的材料包括钢铁、铝、木材、塑料、玻璃、土石、复合材料等各种金属及非金属材料。并且，它不仅适用于室内实验、模型实验，还可以在现场对实际结构或部件进行测量，这些特点是任何一种传感元件或传感器所不能比拟的。另外，它在对结构和设备的安全监测方面也有广泛的应用前景。

电阻应变计是一种用途广泛的高精度力学量传感元件，其基本任务就是把构件表面的变形量转变为电信号，输入相关的仪器仪表进行分析。在自然界中，除超导外的所有物体都有电阻，不同的物体导电能力不同。物体电阻的大小与物体的材料性能和几何形状有关，电阻应变计正是利用了导体电阻的这一特点。

电阻应变计的最主要组成部分是敏感栅。敏感栅可以看成为一根电阻丝，其材料性能和几何形状的改变会引起栅丝的阻值变化。

设一根金属电阻丝，其材料的电阻率为ρ，原始长度为L 。不失一般性，假设其横截面是直径为D 的圆形，面积为A ，初始时该电阻丝的电阻值为R ：

L R ρ= （2-1）在外力作用下，电阻丝会产生变形。假设电阻丝沿轴向伸长，其横向尺寸会相应缩小，横截面的半径减少导致横截面面积发生变化。导线的横截面原面积为42D A π=

，其相对变

化为 L dL D

dD A dA μ22−== （2-2）其中μ为金属丝材料的泊松比。dL/L 为金属导线长度的相对变化，用应变表示，即：

第7章应变、力和转矩的测量

例：图1所示的圆柱型元件上作用有拉力F和弯矩M：
图1
⑴如何布片和接桥可仅测出拉力F，并消除M和
温度的影响（可另设补偿片）？ ⑵写出电桥输出电压的公式；
半桥2片
Uu y

u0 4
skg
i
特点：不能消除拉（压）的影响，另设温
度补偿片。
uU y

u0 4
sg [1
(2 ) 0 0]
断面的信号则产生一相位差 MM （∵ M 、又）据可测的 M。
工程测试技术与信息处理第 9 章
五、光电式
无扭矩作用，两光栅盘开度一定，无相位差；
受扭矩作用，轴的扭转变形使两光栅盘转过θ角度，
因而信号产生相位差，由可测出扭矩的大小。
uu y

(
R1
R1
R3 R2
)(
R2 R3
R4 R4
)
u0
当四个电阻均产生电阻变化△R1~△R4， R1=R2=R3=R4=R，且△R<<R，忽略△R高次项：
电桥的加减特性：
uu y

u0 4
( R1 R

R2 R

R3 R

R4 R
)

u0 4
sk g
(1

2

简述电阻金属应变片的组成简述

电阻金属应变片是一种常用于测量应变的传感器。它主要由金属材料组成，常见的金属材料有铜、钢、铝等。其组成包括以下几个部分：

1. 基底材料：基底材料是电阻金属应变片的主要结构部分，一般选用金属材料制成。基底材料的选择要考虑到其导电性、机械强度和耐腐蚀性等因素。

2. 应变桥电阻：应变桥电阻是电阻金属应变片中的重要组成部分，用于测量应变。它通常由电阻线构成，可以是导线或薄膜电阻片。应变片的应变产生应变应力，导致电阻发生变化，通过测量电阻的变化可以得到应变值。

3. 导线和连接器：电阻金属应变片与测量设备之间需要通过导线进行连接。导线一般选用低阻值的导电材料，如铜或银。连接器用于连接电阻金属应变片和导线，通常采用焊接或插接的方式。

4. 保护层：电阻金属应变片常需与外界环境隔离，以保护其不受机械损伤或腐蚀等影响。保护层可以是塑料或金属材料制成的外壳，也可以是涂层材料，如橡胶或环氧树脂。

总之，电阻金属应变片主要由金属基底材料、应变桥电阻、导线和连接器以及保护层组成。通过测量电阻的变化，可以得到应变值，从而实现对应变的测量。

电测法的基本原理

（式 8 ）
式中 a = R2 / R1 ， b = R3 / R4 。当 R1 = R2 = R3 = R4 时，式 8 可进一步简化为
∆U DB =
E ∆R1 ∆R2 ∆R3 ∆R4 ( − + − )E 4 R1 R2 R3 R4
（式 9 ）
该式成立的必要条件是：（1）小应变，
∆R << 1 ；（2）等臂桥，即 R1 = R2 = R3 = R4 。 R
R1 + ∆R1 R4 + ∆R4 )−( ) E （式 7） R1 + R2 + ∆R1 + ∆R2 R3 + R4 + ∆R3 + ∆R4
由式 6 和式 7 可以解出电桥电压的变化量 ∆U DB ，当 ∆R / R << 1 ， ∆U DB 可简化为
∆U DB =
∆R3 ∆R ∆R2 ∆R a b ( 1− )E − ( 4 − )E 2 2 R2 R3 (1 + a ) R1 (1 + b) R4
∆l l
将（式 3 ）和（式 4 ）代入（式 2 ）可得：
∆R ∆ρ ∆ρ = + ε + 2µε = + (1 + 2µ )ε ρ ρ R
（式 5 ）
上式表明，粘贴在构件上的电阻片受力变形时，其电阻相对变化率 ∆R / R 与导线的应变

电阻应变计(应变片)原理

作应变计的基底。它们的特点是柔软，耐湿性和耐久性均比纸好。 3．玻璃纤维布无碱玻璃纤维布的耐湿性、机械强度和电绝缘性能都很好，并且耐化学
药品、耐高温（400~450ºC），多用作中温或高温应变计的基底。由它制成的应变计的刚度比胶膜基底要大。
4．金属薄片不锈钢及耐高温合金等薄片或金属网可作为焊接式应变计的基底。焊接式应变计安装后不需要经过一般应变计粘贴时所需要的加温固化处理，但若要获得高的测量精度，在将应变计基底焊到试件上后需要进行热处理以消除由于焊接时在金属基底和试件上产
2.3 电阻应变计的分类
电阻应变计的种类很多，分类的方法也很多。
根据许用的工作温度范围可分为常温、中温、高温及低温应变计；
1) 高温应变计
350ºC 以上；
2) 中温应变计
60~350ºC；
3) 常温应变计
-30~60ºC；
4) 低温应变计
-30ºC 以下。
根据基底材料可分为：纸基、胶膜基底（缩醛胶基、酚醛基、环氧基、聚酯基、聚稀亚
Al
5
贵金属合金
铂
Pt 100
铂铱
Pt 80 Ir 20
铂钨
Pt 92
W
8
灵敏系数 KS
1.9~2.1
3.6
2.1~2.3
2.4~2.6
2.4~2.6
2.8 4~6 6.0 3.5

应变测试技术——电阻应变片

应变片检查：外观检查、电阻值检查表面处理：刮刀除锈、砂布打磨、脱脂棉擦洗、吹风机烘干贴片与固化：画线、涂胶、用玻璃纸压、调整、补胶粘贴质量检查：外观检查、电阻值检查、绝缘电阻检查、连接电阻应变仪检查连接导线：导线固定、导线焊接防潮处理：凡士林、石蜡等
2015-4-18 12
应变测试技术——电阻应变片
应变片选用
工作环境：温度保证、地下工程中防潮特性好被测物材料性质:弹模高,基长小;粗晶粒岩石混凝土选用基长长按被测试件受力状态和应变性质：应变花变化大选用基长小，变化小选用基长按测量精度：标距、电阻值、灵敏度
2015-4-18
11
应变测试技术——电阻应变片
应变片粘结工艺
4 U 1 2 3 4 KU
“邻臂相减，对臂相加”
2015-4-18 4
应变测试技术——电阻应变片
有时只在电桥的AB和BC端接应变片，而在AD和DC 端接应变仪内部的两个阻值相等的标准电阻。这种接线法称为半桥接线法。
4 U 1 2 3 4 KU
25
• 检查应变片质量 • 挑选能组成温度补偿的应变片（阻值相差小于± 0.1Ω ) 2015-4-18 13
2015-4-18
• 在选定贴应变片的位置划出十字线 • 划线深度要适中
14
2015-4-18

电阻应变片和电阻应变仪

纯弯曲梁正应力测量、弯扭组合主应力弯矩扭矩测量

一、应变片及电桥

1. 电阻应变片

把一段细的金属丝，夹贴在两张绝缘纸之间，就构成一个最简单的应变片,如图5-11所示。应变片用特制的胶水，贴在构件的测点上。金属电阻丝承受拉伸或压缩变形的同时，电阻也将发生相应变化。实验结果表明，在一定应变范围内，电阻丝的电阻改变率

∆与应变l

ε∆=

成正比，即 εS k R

=∆ （5-1）式中s k 为比例常数，称为电阻丝的灵敏系数。

如将单根电阻丝粘贴在构件的表面上，使它随同构件有相同的变形。从式（5-1）看出，

如能测出电阻丝的电阻改变率，便可求得电阻丝的应变，也就是求得了构件在粘贴电阻丝处沿电阻丝方向的应变。由于在弹性范围内变形很小，电阻丝的电阻改变量∆R 也就很小。为提高测量精度，希望增大电阻改变量，这就要求增加电阻丝的长度；但同时又要求能反映一“点”处的应变，因此把电阻丝往复绕成栅状，这就成为电阻应变片。和单根电阻丝相似，电阻应变片也有类似于式（5-1）的关系，

εk R

=∆ （5-2）式中比例常数k 称为电阻应变片的灵敏系数，它是电阻应变片的重要技术参数。

2. 温度补偿片

实验时不仅受力使应变片的电阻发生变化，当温度变化时，也会使应变片的电阻变化，从而引起测量上的误差。为此，要采取下述措施：

设R 1为贴在构件上的应变片，R 2应选用与R 1规格型号完全相同的应变片，贴在与R 1

图5.11 应变片的构造

相同材料的构件上，R 1只是受力的作用，R 2不受力。

当温度变化时，由于温度变化而引起的电阻变化在R 1和R 2上相同。由惠斯登电桥原理可知，这时读数ε就不再受温度变化的影响，故R 2就叫做补偿片。

电阻应变仪原理

电阻应变仪是一种用于测量物体应变的仪器。它的原理是利用电阻的变化来测量物体的应变。当物体受到外力作用时，它会发生形变，这种形变会导致物体内部的电阻发生变化。电阻应变仪就是利用这种变化来测量物体的应变。

电阻应变仪的基本原理是电阻的变化与应变成正比。当物体受到外力作用时，它会发生形变，这种形变会导致物体内部的电阻发生变化。电阻的变化量与应变成正比，即电阻的变化量与物体的应变成正比。因此，通过测量电阻的变化量，就可以得到物体的应变。

电阻应变仪的工作原理是利用电桥原理。电桥是一种用于测量电阻的仪器，它由四个电阻组成，其中两个电阻是已知的，另外两个电阻是待测的。当电桥平衡时，电桥两端的电压为零。当待测电阻发生变化时，电桥就会失去平衡，电桥两端就会产生电压。通过测量电桥两端的电压，就可以得到待测电阻的变化量。

电阻应变仪利用电桥原理来测量物体的应变。它由一个电阻应变片和一个电桥组成。电阻应变片是一种特殊的电阻，它的电阻值会随着物体的应变而发生变化。电桥的两个电阻是已知的，另外两个电阻是电阻应变片和待测物体的电阻。当电桥平衡时，电桥两端的电压为零。当待测物体发生应变时，电阻应变片的电阻值就会发生变化，电桥就会失去平衡，电桥两端就会产生电压。通过测量电桥两

端的电压，就可以得到待测物体的应变。

电阻应变仪是一种用于测量物体应变的仪器，它的原理是利用电阻的变化来测量物体的应变。电阻应变仪利用电桥原理来测量物体的应变，它由一个电阻应变片和一个电桥组成。当待测物体发生应变时，电桥就会失去平衡，电桥两端就会产生电压。通过测量电桥两端的电压，就可以得到待测物体的应变。

静态电阻应变仪的使用和应变片在电桥中的接桥方法

I.静态电阻应变仪的使用方法：

1.连接电源：将静态电阻应变仪与电源连接，并确保电源正常工作。

2.连接测量部件：将待测材料与应变片连接，可以使用焊接、粘贴等方式进行固定。注意：应变片应与待测材料的应变方向垂直。

3.连接线缆：将测量部件与静态电阻应变仪的测量端子连接，确保连接良好。

4.设置通道参数：根据实际需求，设置静态电阻应变仪的通道参数，如采样频率、增益等。

5.校准仪器：在进行测量前，需要对静态电阻应变仪进行校准，以确保测量结果的准确性。

6.开始测量：完成上述准备工作后，启动仪器开始测量。可以根据需要连续采集数据，也可以在特定时间点进行测量。

7.数据处理：测量完成后，可以将数据导出到计算机或其他设备进行进一步的数据处理和分析。

II.应变片在电桥中的接桥方法：

在静态电阻应变仪中，应变片通常被用作电桥电阻的一个分支，以实现应变信号的测量。下面是常见的接桥方法：

1.电压式电桥接桥方法：

-将应变片安装在待测材料上，保持与材料的接触良好。应变片会产生应变，从而导致电阻值的变化。

-将应变片与其他三个电阻（R1、R2和R3）组成电桥电阻网络。

-将电桥的两个节点连接到电源和检测仪器上。

-通过改变电桥两侧的电位差，可以测量到电桥的平衡电压，从而推断应变。

2.电流式电桥接桥方法：

-将应变片安装在待测材料上，保持与材料的接触良好。应变片会产生应变，从而影响电桥电路中的电流。

-将电桥设置为电流驱动模式，即通过变送器发送一个恒定的电流信号到电桥电路。

-电桥电路中的四个分支电阻包括应变片阻值（R1）、参考阻值

电阻应变效应与电阻应变式传感器

电阻应变效应与电阻应变式传感器李洪津邹来智史延龄

电阻应变式传感器是直接利用电阻应变片将应变转化为电阻变化的传感器,具有灵敏度高、稳定性好等优点,因此广泛应用于力矩、压力、加速度、重量等测量领域。

一、电阻应变效应

外力作用于金属或半导体材料,使其发生机械变形,此时金属或半导体材料的电阻值就会随之发生变化,这种现象称为电阻应变效应。

对于一根金属电阻丝,设其电阻率为、长度为l、横截面积为S,则在未受力时,金属电阻丝的原始电阻为R= l/S。当金属电阻丝受到拉力作用时将伸长d l,横截面积相应减少d S,电阻率改变d ,从而引起金属电阻的变化d R= d l/S+l d /S- ld S/S2。半导体材料在受到外力作用时,除产生形变外,其能带结构也要发生变化,从而引起电阻率更大的改变。一般情况下,半导体材料的灵敏度比金属丝高50~80倍。

二、电阻应变片

电阻应变片形式多样,常见的金属丝式电阻应变片和金属箔式电阻应变片都是由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成的(如图1)。敏感栅是核心部件,由具有电阻应变效应的金属材料制成。敏感栅粘在由绝缘材料制成的基片上,其上的覆盖层保护敏感栅。基片受力后发生形变,带动敏感栅变形,于是敏感栅电阻产生变化。测得应变片电阻值变化量后,便可得到外力的大小。

图1 金属电阻应变传感元器件

敏感栅材料需要达到如下要求:灵敏系数大,且在相当大的应变范围内保持常数; 值大,即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值;电阻温度系数小,否则阻值会因环境温度变化而改变;与铜线的焊接性能好,与其他金属的接触电势小;机械强度高,具有优良的机械加工性能。

第3-1章电阻应变片(电阻应变测量技术)解析

第三章电阻应变测量技术
学习要求
熟悉电阻应变片的结构及原理，掌握电阻应变的测量电路，以及应用电阻应变技术
进行应力和应变测量。
Sichuan University
2
§3-0 概述
1）电阻应变测试技术的优点：
（1）测量范围广、灵敏度和精确度高；（2）应变片尺寸小、重量轻、惯性小，对被测试件工作状态和应力状态影响极小；（3）频率响应快，机械滞后小；（4）适用范围广；（5）能实现远距离测量，易实现测试工作自动化。
梁高 h=5mm
作用力 P=0.1KN ，测得挠度为
P
1.5mm，实测量得电阻由120Ω
变为120.12Ω，求得应变片的实梁长
际灵敏度K。
L=150mm
Sichuan University
7
等强度梁：截面按一定规律变化，距作用力任何距离的截面上的应力相等。
σ
截面弯矩
M/W Fl/(
（2）基底与覆盖层：定位，传力，保护
要求：绝缘，强度大，易粘贴，蠕变小，滞后小，防潮，热稳定，温度应变小。材料：纸基、胶基、纸浸胶基
（3）引线：Φ0.15-0.18的镀锡（铱、银）软铜线。
Sichuan University
11
§3-1 电阻应变片
3 分类
Sichuan University