金属电阻应变式压力传感器

R
（2-5） （2-6）
图2-11 单臂电桥
2．双臂电桥 双臂电桥是指电桥中相对两臂的电阻值可变，且变化值和方向均相同，其余两臂为固定电阻。
将初始电阻值 R 及 R1、R3 电阻变化量 R （ R
可以得出
U0
Ui
R 2R R
Ui
R 2R
由此可得，双臂电桥的灵敏度为
ku
Ui 2
R ），代入式 2-3 中，
1.5 应变式压力传感器的温度误差及补偿
1．温度误差产生的原因
引起温度误差产生的因素主要有以下两个方面。 （1）敏感栅具有一定的温度系数，在没有压力的作用时，敏感栅的尺寸、 形状等参数会随着温度的变化而变化。 （2）由于被测试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数（固体物在温度升高 时，物体的各种线度如长度、宽度、厚度、直径等都要增长）不同，使得 金属电阻应变片产生了附加应变，从而造成测量误差。
1．实践目的
（1）了解金属箔式应变片的应变效应。 （2）能够根据需要选择合适的传感器进行压力测量 电路设计。
2．应用描述
由电阻应变式压力传感器制作的电子秤（称重传感器） 已广泛应用于各行各业，它实现了对物料的快速、准 确地称重。特别是随着微处理器的发展，工业生产过 程中自动化程度不断提高，电子秤已成为工业控制中 一种非常重要的装置。
1.7 应用实践——电阻应变式压力传感器在称重中的应用
1．实践过程
（1）差动放大器调零。 （2）电桥调零。 （3）装载过程检测。 （4）卸载过程检测。 （5）画出砝码增加和减少时的曲线，并分析结果产 生的原因。
图2-16 电子秤悬臂梁结构
图2-17 差动电桥
传感器原理与应用
得敏感栅电阻产生了少量不可逆的变化。 在温度恒定、没有机械应变的情况下，粘贴在被测试件上的金属电阻应变片，其
阻值会随时间的增加而变化的特性称为零点漂移，简称零漂。 在温度恒定，承受某一恒定的机械应变时，其电阻值随时间的增加而变化的特性
称为蠕变。
图2-7 机械滞后
1.3 金属电阻应变片的工作原理
当金属导体在力的作用下而产生机械变形（压缩或拉伸）时，其阻值发生相应变化，
指已安装的金属电阻应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流。通常来说，工 作电流越大，输出信号也就越大，灵敏度就越高。
最大工作电流也和金属电阻应变片、被测试件、黏合剂及环境等因素有关。
4．灵敏度系数
金属电阻应变片的灵敏度系数 K 和敏感栅的灵敏度系数 k0 的值是不同的，一般情况下，K<k0 。
传感器原理与应用
图2-3 金属电阻应变片
电阻应变式压力传感器是应用最为广泛的压力传感器 之一，它的核心元件是电阻应变片，而常用的电阻应变片 有金属电阻应变片和半导体电阻应变片两类。
金属电阻应变片的工作原理是基于应变效应，而半导 体电阻应变片的工作原理是基于压阻效应。
1.1 金属电阻应变片的结构、类型
（2-7） （2-8）
图2-12 双臂电桥
3．差动电桥 差动电桥是指电桥中相邻两臂的电阻值可变，而其余电阻的阻值是固定的。
将初始电阻值 R 及 R1、R2 电阻变化量 R ，代入式 2-3 中，同样
可以推导出
R U0 Ui 2R
由此可得，差动电桥的灵敏度为
（2-9）
ku
Ui 2
（2-10）
图2-13 差动电桥
引线
连接敏感栅和测量线路的丝状或带状的金属导线。。
2．金属电阻应变片的类型
性能 工艺 厚度 敏感度系数 允许最大电流 其他
金属丝式应变片 绕线
0.01～0.05 mm 最小 最小
制作方法简单，可手工完成
箔式应变片 光刻、腐蚀 0.003～0.01 mm
较大 较大 适合大批量生产
薄膜式应变片 真空蒸镀、真空沉淀
2．温度补偿的方法
温度补偿的目的是尽可能消除温度变化对测 量结果的影响，目前主要采用两种补偿方式，即 自补偿法和桥路补偿法。
自补偿法是将温度自补偿应变片粘贴在被测 部位上，当温度变化时，使金属电阻应变片产生 的附加应变为零或相互抵消。
桥路补偿是利用桥路的和、差原理来达到补 偿的目的。
（a）补偿片
（b）单臂电桥 图2-15 桥路补偿法
1．金属电阻应变片的结构
金属电阻应变片主要由敏感栅、引线、盖片和基底组成，其中， 上层为盖片，底层为基底，中间层为敏感栅。
敏感栅
通过黏合剂粘贴在盖片和基底之间，其主要作用是实现由应变到电阻的 转换，是金属电阻应变片的核心。
基底
固定敏感栅，并使敏感栅与弹性元件相互绝缘。。
盖片
保护敏感栅，使其避免受到机械损伤，并防止高温氧化。。
<0.1 μm 最大 最大
适合工业化生产
表2-1 金属电阻应变片敏感栅特点
1.2 金属电阻应变片的主要特性
1．几何尺寸
金属电阻应变片的有效工作面积越小，越有利于选择黏贴 位置，但同时散热效果也会越差。因此，选择金属电阻应 变片时应根据需要选择合适的尺寸。
2．电阻值
图2-5 应变片的几何尺寸
金属电阻应变片的电阻值主要有60 Ω、120 Ω、350 Ω、500 Ω、600 Ω和1000 Ω等。 3．最大工作电流
R1R3 R2 R4 (R1 +R2 )(R3 +R4 )
（2-3）
从式 2-3 可以看出，要使输出电压 U0 0 ，须满足 R1 R3 R2 R4或
R1 R2
R4 R3
，这就是直流电桥的平衡条件。
1．单臂电桥 在直流电桥中，当只有一个电阻为可变电阻，而其余3个为固定电阻时，就构成了单臂电桥。
实验证明，在一定的应变范围内，应变片的灵敏度系数 K 是一个常数。 5．横向效应 既受轴向应变影响，又受横向应变影响，从而引起电阻值发生变化的现象称为横向效应。
6．应变极限
在恒温条件下，把非线性误差达 10%时的真实应变值，称为应变极限，常用 lim 表示。
7．机械滞后、零漂和蠕变 机械滞后的主要原因是金属电阻应变片在承受机械应变后所留下的残余形变，使
为轴向应变
l l
。
1.4 基本测量电路
图2-10 直流电桥基本电路
直流电桥的基本电路如图 2-10 所示，四个桥臂的阻值分别为 R1 、R2 、
R3 、 R4 ，Ui 和U0 分别表示直流电桥的电源电压与输出电压。
根据电路原理的知识，可得到
U0
Ui
R3 R3 +R4
R2 R1 +R2
Ui
当金属电阻应变片 R1 产生应变时，设电阻变化量为 R ，
将 R1 R2 R3 R4 R 代入式 2-3 中，可得此时的输出电
压U0 为
U0
Ui
R 2(2R R)
（2-4）
若满足 R R，式 2-4 可以简化为
U0
Ui
R 4R
那么，应变片的灵敏度系数 ku 可表示为
ku
U0 R
1 4Ui
1.6 金属电阻应变片的选用规则
一般来说，可以根据被测试件的材质、测量精度、工作环境等因素，选择合适的金属电阻应变片。
被测试件的材质
主要考虑材料的弹性模量（即单向应力作用下，应力 与在方向上应变的比值）和材质的均匀度。
工作环境
主要考虑温湿度、磁场、辐射、腐蚀等因素。
1.7 应用实践——电阻应变式压力传感器在称重中的应用
这种现象称为应变效应
由物理学知识可知，电阻值
R=
l S
l r 2
（是长度（ m ），S 是横截面积（ m2 ）。
当金属电阻应变片受到力 F 的作用时，设长度变化为 l ，电阻的变化
图2-8 金属电阻应变片的应变效应
量记为 R ，则满足
R R
k0
（2-2）
式中，k0 为单根敏感栅的灵敏度系数，表示单位应变所引起的电阻变化；
4．全臂电桥
全臂电桥也称全桥电路，是指4个桥臂均接有应变片，即4个臂的电阻阻值均发生变化，且 相邻电阻变化方向相反，相对电阻变化方向相同。
假定各应变片的初始电阻值均为 R，且电阻变化量为∆R，则依据
公式 2-3，可得
R U0 Ui R 则系统的灵敏度为
ku Ui
（2-11） （2-12）
图2-14 全臂电桥