第二章电阻应变式传感器.ppt
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第2章_电阻应变式传感器1
13
16
2 金属电阻应变片主要特性
一、 金属电阻应变片结构及材料
此类金属应变片的结构形式有丝式、箔式和薄膜式三种。
1) 丝式应变片
如下页图所示，基本结构由四部分组成：敏感栅、基底 和盖层、粘接剂、引线。敏感栅是应变片最重要的部分。将金 属丝按图示形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成，基底可分为 纸基，胶基和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线，使用时只 要将应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器。它结构简 单，价格低，强度高，但允许通过的电流较小。
第2章 电阻式传感器
学习要求：
1.掌握电阻式传感器的工作原理 ， 2.了解电阻式传感器的结构、分类， 3.掌握电位器式传感器、电阻应变式传感器在结构 和工作原理的相同点和不同点， 4.掌握电阻应变式传感器的测量电路形式及分析方 法， 5.了解电阻式传感器的应用。
应变片式传感器
电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片主要特性
在金属丝的弹性范围内，灵敏系数KS 为常数，即 ：
R Ksx R
线性关系
x通常很小，常用10-6表示之。例如，当 x为0.000001时，在工程 中常表示为110-6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110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而 10 导致断裂。
定义：电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变
d dR 所引起的电阻相对变化量。其表达式为： kS R 1 2
x
x
灵敏系数ks受两个因素影响
一是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2μ 二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即 （dρ/ρ）/εx。 ks 1 2 对金属材料：1+2μ＞＞(dρ/ρ)/εx 故 大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对变 化与应变成正比，即ks为常数。 dR
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2 金属电阻应变片主要特性
一、 金属电阻应变片结构及材料
此类金属应变片的结构形式有丝式、箔式和薄膜式三种。
1) 丝式应变片
如下页图所示，基本结构由四部分组成：敏感栅、基底 和盖层、粘接剂、引线。敏感栅是应变片最重要的部分。将金 属丝按图示形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成，基底可分为 纸基，胶基和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线，使用时只 要将应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器。它结构简 单，价格低，强度高，但允许通过的电流较小。
第2章 电阻式传感器
学习要求：
1.掌握电阻式传感器的工作原理 ， 2.了解电阻式传感器的结构、分类， 3.掌握电位器式传感器、电阻应变式传感器在结构 和工作原理的相同点和不同点， 4.掌握电阻应变式传感器的测量电路形式及分析方 法， 5.了解电阻式传感器的应用。
应变片式传感器
电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片主要特性
在金属丝的弹性范围内，灵敏系数KS 为常数，即 ：
R Ksx R
线性关系
x通常很小，常用10-6表示之。例如，当 x为0.000001时，在工程 中常表示为110-6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110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而 10 导致断裂。
定义：电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变
d dR 所引起的电阻相对变化量。其表达式为： kS R 1 2
x
x
灵敏系数ks受两个因素影响
一是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2μ 二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即 （dρ/ρ）/εx。 ks 1 2 对金属材料：1+2μ＞＞(dρ/ρ)/εx 故 大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对变 化与应变成正比，即ks为常数。 dR
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
电阻式传感器精品PPT课件
6. 理解应变式传感器的结构设计及应用
2
3
概述
电阻应变式传感器——利用电阻应变片将应变转换为电阻变
化的传感器。 主要用途——测量力、力矩、压力、加速度、重量等。
4
电阻应变式传感器的工作原理
将电阻应变片粘贴在弹性元件特 定表面上，当力、扭矩、速度、加速度 及流量等物理量作用于弹性元件时，会 导致元件应力和应变的变化，进而引起 电阻应变片电阻的变化。电阻的变化经 电路处理后以电信号的方式输出。
6
设有一段长为L，截面积为A，电阻率为ρ的导 体(如金属丝)，它具有的电阻为
L
2r 2(r-dr)
F
F
R l
A
L+dL
ρ:电阻系数 l:金属导线长度 A:金属导线截面积
当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其L、A和ρ
均发生变化。
7
R l
A
两边取对数：ln R ln L ln A ln
两边微分：dR d dA dl R Al
16
敏基粘感底结栅—剂——固— —定应 用敏变 粘感片 结栅中剂，最分并重别使要把敏的盖感部层和栅分敏与，感弹由栅性某固种 元结金 件于属 相基细 互底丝 绝；绕 缘在成 ； 栅应使形变用。计应应工变变作计计 时 时中 ， ，实 基 用现底粘应起结变着剂把把-电试应阻件变转应计换变基的准底敏确 再感地 粘元传 贴件递 在。给 试敏敏 件感感 表栅栅 面 合的的金作被材用测料，部的为位选 此 ，择 基 因对 底 此所必粘制须结造很剂的薄也电，起阻一着应般传变为递计应0.0性 变2～能 的0的 作.04好 用m坏 。m起。着常决 定性的作用。
——为金属材料的泊松比
d/ —金属丝电阻率的相对变化量
代入
2
3
概述
电阻应变式传感器——利用电阻应变片将应变转换为电阻变
化的传感器。 主要用途——测量力、力矩、压力、加速度、重量等。
4
电阻应变式传感器的工作原理
将电阻应变片粘贴在弹性元件特 定表面上，当力、扭矩、速度、加速度 及流量等物理量作用于弹性元件时，会 导致元件应力和应变的变化，进而引起 电阻应变片电阻的变化。电阻的变化经 电路处理后以电信号的方式输出。
6
设有一段长为L，截面积为A，电阻率为ρ的导 体(如金属丝)，它具有的电阻为
L
2r 2(r-dr)
F
F
R l
A
L+dL
ρ:电阻系数 l:金属导线长度 A:金属导线截面积
当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其L、A和ρ
均发生变化。
7
R l
A
两边取对数：ln R ln L ln A ln
两边微分：dR d dA dl R Al
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敏基粘感底结栅—剂——固— —定应 用敏变 粘感片 结栅中剂，最分并重别使要把敏的盖感部层和栅分敏与，感弹由栅性某固种 元结金 件于属 相基细 互底丝 绝；绕 缘在成 ； 栅应使形变用。计应应工变变作计计 时 时中 ， ，实 基 用现底粘应起结变着剂把把-电试应阻件变转应计换变基的准底敏确 再感地 粘元传 贴件递 在。给 试敏敏 件感感 表栅栅 面 合的的金作被材用测料，部的为位选 此 ，择 基 因对 底 此所必粘制须结造很剂的薄也电，起阻一着应般传变为递计应0.0性 变2～能 的0的 作.04好 用m坏 。m起。着常决 定性的作用。
——为金属材料的泊松比
d/ —金属丝电阻率的相对变化量
代入
传感器与检测技术ppt课件
22
重复性
图1-4所示为校正曲线的重复特性。
正行程的最大重复性偏差为△Rmax1, 反行程的最大重复 性偏差为△Rmax2，重复性误差取这两个最大偏差中之较 大者为△Rmax，再以满量程输出的百分数表示，即
rR
Rmax yFS
100%
（1-15）
式中 △Rmax----输出最大不重复误差。
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现代人们的日常生活中，也愈来愈离不开检测技术。例 如现代化起居室中的温度、湿度、亮度、空气新鲜度、防火、 防盗和防尘等的测试控制，以及由有视觉、听觉、嗅觉、触 觉和味觉等感觉器官，并有思维能力机器人来参与各种家庭 事务管理和劳动等，都需要各种检测技术。
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34
自动检测系统的基本组成
自动检测系统是自动测量、自动资料、自动保护、自动 诊断、自动信号处理等诸系统的总称，基本组成如图1-7。
图1-10 微差法测量稳压电源输出电压的微小变化
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44
误差处理 主要内容
• 一、误差与精确处理 • 二、测量数据的统计处理 • 三、间接测量中误差的传递 • 四、有效数字及其计算法则
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45
误差与精确处理
主要内容
(1)绝对误差与相对误差 (2)系统误差、偶然误差和疏失误差 (3)基本误差和附加误差 (4)常见的系统误差及降低其对测量结果影响的方法
（1-17）
由于种种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵 敏度误差用相对误差来表示
k10% 0 sk
（1-18）
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25
分辨率
分辨率是指传感器能检测到的最小的输入增量。 分辨率可用绝对值表示，也可以用满量程的百分比表 示。
电阻应变计式传感器课件
温度补偿与灵敏度
温度补偿
由于温度变化会影响电阻应变计的电阻值，因此需要进行温度补偿以消除温度对 测量的影响。
灵敏度
电阻应变计的灵敏度是指其电阻变化对应变力的敏感程度，灵敏度越高，测量精 度越高。
稳定性与可靠性
稳定性
电阻应变计在长时间使用过程中，其性能参数应保持稳定， 以保证测量的准确性。
可靠性
电阻应变计应具有较高的可靠性，能够承受各种恶劣环境条 件和工作条件，保证测量结果的可靠性。
电阻应变计式传感器是一种将应变信号转换为电信号的传感器，通过测量电阻 值的变化来检测应变。
工作原理
电阻应变计由敏感元件和电阻丝组成，当敏感元件受到外力作用产生应变时， 电阻丝的长度和截面积会发生变化，导致电阻值改变，从而输出电信号。
类型与特点
类型
电阻应变计式传感器有多种类型 ，如柱式、轮辐式、箔式和丝式 等，根据不ห้องสมุดไป่ตู้的应用需求选择合 适的类型。
误差。
温度误差
由于温度变化导致传感器电阻值 发生变化，从而影响测量精度。 可通过温度补偿或选用具有温度
稳定性的材料来减小误差。
滞后误差
由于传感器内部结构或粘结剂的 松弛，导致传感器响应滞后于施 加的载荷变化。可通过优化传感 器设计和制造工艺来减小误差。
日常维护与保养
01
清洁与防尘
定期清洁传感器表面，保持其良好的工作状态和测量精度。同时，避免
位移传感器
位移传感器是一种能够测量物体 位置变化的装置，广泛应用于机
械、电子、自动化等领域。
电阻应变计式位移传感器利用电 阻应变片将位移信号转换为电信 号，具有测量范围广、精度高、
可靠性高等优点。
常见的应用场景包括直线位移测 量、角度位移测量、振动监测等
电阻应变式传感器PPT课件
R R
KS x
（2-9）
2.2.4 应变片的测试原理
用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于对 象上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械 变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的 变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。
第6页/共53页
2.3 电阻应变片的种类、材料和参数
2.3.1 电阻应变片的种类 1. 丝式应变片
令
KS dR/ R (1 2) d /
x
x
（2-8）
K S 称为金属丝的灵敏系数 。表示金属丝产生单位变
形时，电阻相对变化的大小。
第5页/共53页
2.2.3 应变片的特性
实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相
对变化 dR / R 与应变x 成正比，因而 KS 为一常数。
式（2-8）以增量表示为
2.5 电阻应变式传感器的温度误差及其补偿
2. 应变片自补偿法 粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变
化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种特殊应
变片称为应变片自补偿法。下面介绍两种自补偿应变
片。
（1）选择式自补偿应变片
由式(2-23)可知，实现温度补偿的条件为
t
at K
(m
g )t
0
则
K(m g )
பைடு நூலகம்
t1
0 (m g )t
（2-19）
折算为应变，则
第22页/共53页
2. 试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产 生附加应变
l
t
t (m g )t
l0
t 引起的电阻变化为
R R t 0 K(m g)t
（2-20） （2-21）
《电阻应变式传感器》课件
薄膜电阻应变式传感器利用薄膜材料制作，具有高灵敏度、低热误差等特点；微型电阻应变式传感器则具有体积 小、重量轻、易于集成等优点，常用于微机电系统等领域。
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 。
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 。
第2章 电阻应变计式传感器
• 相对误差为：
2 p t l l 1 lf e sin 1 t 6
• 上式表明，当频率增加时，误差增大,因此应使：
l l max
6 e
f max
6 e l
第2章 电阻应变计式传感器 疲劳寿命
d E
式中：π——半导体材料的压阻系数;
（2-5）
σ——半导体材料的所受应变力;
E——半导体材料的弹性模量;
10
2.1电阻应变计的基本原理结构和应用
2.半导体材料的压阻效应 则：
dR (1 2 E ) R
（2-6）
由于π E>>(1+2μ )，因此半导体丝材的灵敏
21
第2章 电阻应变计式传感器
第二节 电阻应变计的主要特性
应变计多为一次性使用，应变计的特性是 按规定的条件，从大批量生产中按比例抽 样实测而得。
静态特性
灵敏系数K R • 一般K＜K0
R K x
， x 应变计的轴向应变
第2章 电阻应变计式传感器 横向效应及横向效应系数H • 由于传感器是多线的，线与线之间连接部分不 在测量方向上，引起横向效应 • 计算公式：R R Kx x K y y Kx (1 aH ) x H——双向灵敏系数比 • 标定情况下： R R Kx (1 0 H ) x 可见，横向效应使传感器的灵敏度系数下降， 必须使H减小 • 丝绕式应变计的长度要长、横栅要小。 • 对横向效应分析结果的应用结果之一是箔式应 变计
t
31
2.3电阻应变计的温度效应及其补偿
1、温度自补偿法
(2)双丝自补偿应变计 敏感栅由电阻温度系数 一正一负的两种合金丝串接 而成。当工作温度变化时， 若Ra栅产生正的热输出ε a 与Rb栅产生负的热输出ε b 相等或相近，就可达到 自补偿的目的，即:
第2章 电阻应变式传感器
2
F
3.2.2 位移传感器
R4 R3 U0 R1 E R2 R1 R2 F
图2.11 应变片式线位移传感器
U
3.2.4 压力传感器
0
= k U ε = kU
3l 4 Eb h
2
F
3.2.3 加速度传感器
作业: 作业:
1. 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 2. 电阻应变式传感器的工作原理? 电阻应变式传感器的工作原理? 3. 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 以及不对称电桥的输出电压变化. 以及不对称电桥的输出电压变化.
3.2 应用
3.2.1 应变式测力与荷重传感器
kU F U 0 = 2 (1 + ) AE
图2.8 受力圆柱上应变片的粘贴
图2.9 受力薄臂环上应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
1 .092 R bδ E
2
F
图2.10 受力等强度梁应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
6l E b0 h
1
Z3 = Z 2Z 4
z1 z3 = z 2 z 4
φ1 + φ3 = φ2 + φ4
或
(R1 + jX1)(R3 + jX3 ) = (R2 + jX2 )(R4 + jX4 )
2.2 电桥的调平衡
在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节. 在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节.对于直流 电桥可采用串联或并联电位器法, 电桥可采用串联或并联电位器法,对于交流电桥一般采用阻 容调平衡法. 容调平衡法.
F
3.2.2 位移传感器
R4 R3 U0 R1 E R2 R1 R2 F
图2.11 应变片式线位移传感器
U
3.2.4 压力传感器
0
= k U ε = kU
3l 4 Eb h
2
F
3.2.3 加速度传感器
作业: 作业:
1. 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 2. 电阻应变式传感器的工作原理? 电阻应变式传感器的工作原理? 3. 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 以及不对称电桥的输出电压变化. 以及不对称电桥的输出电压变化.
3.2 应用
3.2.1 应变式测力与荷重传感器
kU F U 0 = 2 (1 + ) AE
图2.8 受力圆柱上应变片的粘贴
图2.9 受力薄臂环上应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
1 .092 R bδ E
2
F
图2.10 受力等强度梁应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
6l E b0 h
1
Z3 = Z 2Z 4
z1 z3 = z 2 z 4
φ1 + φ3 = φ2 + φ4
或
(R1 + jX1)(R3 + jX3 ) = (R2 + jX2 )(R4 + jX4 )
2.2 电桥的调平衡
在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节. 在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节.对于直流 电桥可采用串联或并联电位器法, 电桥可采用串联或并联电位器法,对于交流电桥一般采用阻 容调平衡法. 容调平衡法.
传感器原理及应用-第2章
电桥电路
力、加速度、荷重等
应变
电阻变化
电压、电流
图2-1 电阻应变式传感器典型结构与测量原理
电阻应变片：利用金属丝的电阻应变效应或半导 体的压阻效应制成的一种传感元件。
电阻应变片的分类： 金属应变片和半导体应变片。
一、电阻应变片
（一）工作原理——应变效应
导体或半导体材料在外力的作用下产生机械变形时， 其电阻值相应发生变化的现象称为应变效应。
第二章 应变式传感器
主要内容：
一、电阻应变式传感器 二、压阻式传感器
本章重点：
电阻应变式传感器的构成原理及特性 电桥测量电路的结构形式及特点 压阻式传感器的工作原理
基本要求：
掌握电阻应变式传感器的构成原理及特性， 掌握电桥测量电路的结构形式及和差特性，掌握 压阻式传感器的工作原理及设计特点。
in2x
图2-10 应变片对应变波的动态响应
应变片对正弦应变波的响应是在其栅长 l 范围内所
感受应变量的平均值 m，低于真实应变波 t ，从而
产生误差。
t 瞬时应变片中点的应变(真实应变波) 值为：
t
0
s
in2
xt
t 瞬时应变片的平均应变(实际响应波) 值为：
m
也可写成增量形式
RRKs
l l
Ks
式中，Ks——金属丝的应变灵敏系数。物理意义是单位应变 所引起的电阻相对变化量。
金属丝的灵敏系数取决于两部分：
①金属丝几何尺寸的变化， 0 .3 (1 2 ) 1 .6
②电阻率随应变而引起的变化
Hale Waihona Puke 金属丝几何尺寸 金属本身的特性C
如康铜，C≈1， Ks ≈2.0。其他金属， Ks一般在1.8~4.8范围内。
传感器与检测技术第2章-1_应变式传感器
E 4
R1 R
R2 R
R3 R
R4 R
EK 4
1
2
3
4
当仅桥臂AB单臂工作时，理想输出电压为
Ug E R E K
4R 4
44
电桥分类
B R1=R
A
Ug
R2=R C
R3=R’ R4=R’
E
D
第一对称电桥
2、第一对称电桥
若电桥桥臂两两相等，即R1 =R2=R ， R3=R4=R′ ， 则 称
16
2.1数 （二）横向效应 （三）动态特性
17
应变片的电阻值 R
• 应变片在未经安装也不受外力情况下， 于室温下测得的电阻值
• 电阻系列：60、120、200、350、500、1000 Ω
电阻值大
可以加大应变片承受电压， 输出信号大， 敏感栅尺寸也增大
18
25
设环境引起的构件温度变化为Δt（℃）时，
粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系
数为αt ，则应变片产生的电阻相对变化为
R R
1
t t
26
由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当
Δt 存在时，引起应变片的附加应变，其值为
2t g s t
βg—试件材料线膨胀系数；βs—敏感栅材料线膨胀系数。
金属箔式应变片
13
金属薄膜应变片
• 采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上 形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅， 再加上保护层，易实现工业化批量生产
• 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范 围广，易实现工业化生产
• 问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系
15
第二章电阻应变式传感器
R
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
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
《电阻应变传感器》课件
电阻应变传感器经过适当的封装和保 护，能够在恶劣环境下稳定工作。
电阻应变传感器的缺点
对温度敏感
电阻应变传感器的电阻 值受温度影响较大，需
要进行温度补偿。
长期稳定性问题
长时间使用下，电阻应 变传感器的性能可能会 发生漂移，需要定期校
准。
低频响应较差
对于低频范围内的应变 变化，电阻应变传感器 的响应速度可能会比较
应变式压力传感器
总结词
利用电阻应变片的形变来测量压力的大小。
详细描述
应变式压力传感器通常由压力敏感元件、基座、电阻应变片和测量电路组成。当压力作 用于敏感元件时，元件发生形变，带动应变片发生形变，导致电阻值发生变化，通过测 量电路将电阻变化转换为电信号，从而实现对压力的精确测量。应变式压力传感器广泛
《电阻应变传感器》ppt课件
$number {01}
目录
• 电阻应变传感器简介 • 电阻应变传感器的类型与结构 • 电阻应变传感器的测量电路 • 电阻应变传感器的应用实例 • 电阻应变传感器的优缺点与展望
01
电阻应变传感器简介
电阻应变传感器的定义与工作原理
定义
电阻应变传感器是一种将应变转 换为电阻变化的传感器。
05
电阻应变传感器的优缺点与 展望
电阻应变传感器的优点
高灵敏度
电阻应变传感器能够检测到微小的应 变变化，因此具有很高的灵敏度。
稳定性好
电阻应变传感器易于与微电子技术相 结合，实现小型化和集成化。
线性响应
电阻应变传感器的输出与输入之间具 有良好的线性关系，使得测量结果更 为准确。
易于实现小型化和集成化
陶瓷电阻应变片
总结词
陶瓷电阻应变片具有耐高温、耐腐蚀、抗辐射等优点，适用于各种恶劣环境下的 测量。
电阻应变传感器的缺点
对温度敏感
电阻应变传感器的电阻 值受温度影响较大，需
要进行温度补偿。
长期稳定性问题
长时间使用下，电阻应 变传感器的性能可能会 发生漂移，需要定期校
准。
低频响应较差
对于低频范围内的应变 变化，电阻应变传感器 的响应速度可能会比较
应变式压力传感器
总结词
利用电阻应变片的形变来测量压力的大小。
详细描述
应变式压力传感器通常由压力敏感元件、基座、电阻应变片和测量电路组成。当压力作 用于敏感元件时，元件发生形变，带动应变片发生形变，导致电阻值发生变化，通过测 量电路将电阻变化转换为电信号，从而实现对压力的精确测量。应变式压力传感器广泛
《电阻应变传感器》ppt课件
$number {01}
目录
• 电阻应变传感器简介 • 电阻应变传感器的类型与结构 • 电阻应变传感器的测量电路 • 电阻应变传感器的应用实例 • 电阻应变传感器的优缺点与展望
01
电阻应变传感器简介
电阻应变传感器的定义与工作原理
定义
电阻应变传感器是一种将应变转 换为电阻变化的传感器。
05
电阻应变传感器的优缺点与 展望
电阻应变传感器的优点
高灵敏度
电阻应变传感器能够检测到微小的应 变变化，因此具有很高的灵敏度。
稳定性好
电阻应变传感器易于与微电子技术相 结合，实现小型化和集成化。
线性响应
电阻应变传感器的输出与输入之间具 有良好的线性关系，使得测量结果更 为准确。
易于实现小型化和集成化
陶瓷电阻应变片
总结词
陶瓷电阻应变片具有耐高温、耐腐蚀、抗辐射等优点，适用于各种恶劣环境下的 测量。
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。
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05:52
（1）金属电阻应变片的结构和类型
金属电阻应变片的基本结构如图3.1所示。它由盖层、敏感栅、 基底及引线四部分组成。敏感栅可金属丝、金属箔制成，它是转 换元件，被粘贴在基底上。用粘合剂粘贴在传感器弹性元件或试 件上的应变片通过基底把应变传递到敏感栅上，同时基底起绝缘 作用。盖层起绝缘保护作用。焊接于敏感栅两端引线连接测量导 线之用。
第二章 电阻应变式传感器
一、电阻应变式传感器工作原理
1、电阻应变效应
导体 轴向力
拉伸/压缩
电阻变化
l 、A、变化
电阻相对变化：dR dl dA d
R l A
dR (1 2) d
R
dl/l = ：轴向应变，单位：微应变 dA/A = 2dr/r = -2：--材料泊松比
d/ ：电阻率相对变化
蠕变和零漂：粘接
内应力
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
正弦响应：幅值降低
胶层
敏感栅
阶跃响应：震荡
滞后
2020/6/6
6
05:52
4、电阻应变式传感器的测量电路
作用：R/R
V/I；（信号转换）
组成： 电 桥
放大器
放大微弱信号
变片的规格一般以使用面积（L×b）和敏感栅的电阻
值来表示பைடு நூலகம்阻值一般在50—1000Ω范围内，常用的为 120Ω。
•
箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很
薄的金属薄栅，厚度在0.003-0.010mm。其优点是表面
积与截面积之比大，散热条件好，允许通过电流较大，
可制成各种需要的形状，便于大批量生产。
阻抗
平衡条件： Z1Z3 Z2Z4 Z ze j 导线的分布电容影响：容抗(频率)
z1z3 z2 z4
平衡 输出
1 3 2 4
平衡条件：一般电桥： R1R3 R2R4
C1R4 C2R3
全等臂电桥： R1 R3 R2 R4
C1 C2
交流电桥的调平：未受载，无应变时，输出=零
电阻调平法：串联电阻法 / 并联电阻法： 可调R5
•
金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积的方法
制成，它将可产生形变的金属或合金直接沉积在弹性
元件上而不用粘合剂。这样应变片的性能更好，灵敏
度高。所谓薄膜指厚度在0.1μm以下的金属膜。厚度在
25μm左右的称厚膜箔式应变片即属厚膜。
2020/6/6
4
05:52
3、电阻应变式传感器的特性
(1) 静态特性：
半导体材料： d k kE
dR R
Ks
正比
(压阻效应) Ks (1 2) kE
：轴向应力
E：弹性膜量 k：压阻系数
半导体应变灵敏系数
一般：kE>>(1+2)
Ks kE Ks = (50~80) Km
半导体材料的电阻应变效应以压阻效应为主：灵敏度极高
2、电阻应变式传感器结构
1–敏感栅：敏感元件，金属丝/金属箔，
电容调平法：差动法---C3 / C4 同轴差动电容（大小相等、极性相反） 阻容法---RC阻容电路
2020/6/6
8
05:52
(3) 电桥的非线性及其补偿：
近似：
U 0
U 4
R1 R1
准确：
U
' 0
U 4
R1 R1
/(1
1 2
R1 ) R1
非线性误差：
eL
U 0
U
' 0
U
' 0
U 4
R1
R1 U
U 4
R1
R1 /(1 1 R1 )
R1
2 R1
/(1 1 R1 )
1 2
R1 R1
1 2
K1
4 R1
2 R1
例：某金属应变传感器，K=2.5，max=5000，全等臂电桥，单臂工作， 非线性误差： eL 0.5 2.5 0.005 0.625% 基本线性
若为半导体应变传感器：K=120，eL 0.5120 0.005 30% 非线性严重 差动电桥补偿法：
U0
(R1 R1)( R3 R3) (R2 R2 )( R4 R4 ) U (R1 R1 R2 R2 )( R3 R3 R4 R4 )
等臂电桥：R1= R3
=
R2 =R4=R
U0
U 4
( R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 ) /[1 R4
1 ( R1 2 R1
R2 R2
R3 R3
灵敏系数：
电阻变化率
R K R
K R / 灵敏系数
R
传感器灵敏系数 < 敏感栅灵敏系数 ？
传感器 = 敏感栅 + 基底 + 盖层 + 粘接剂 + 引线
横向系数：
2020/6/6
R R
Kxx
Kyy
H Ky / Kx
横向效应系数
5
05:52
机械滞后：粘接 --- 过热/过载 残余变形
不重合
预载/重复加载
相敏检波
滤波器
(1) 直流电桥：
振荡器
U：电源电压 U0：输出电压 RL：负载电阻
电压输出桥：RL=（接高阻抗放大器）
输出电压： U0
R1R3 R2R4 U (R1 R2 )( R3 R4 )
I0=0
初始状态：R1 R3 = R2 R4 平衡 输出U0=0
工作状态： R1 R3 R2 R4
金属材料：d C dV C( dl dA) C(1 2)
V lA
dR R
Km
正比
系数： Km (1 2) C(1 2) 金属材料的应变灵敏系数
2020/6/6
康铜：0.3，C1 （1+2)1.6 > C(1-2) 0.4
金属材料的电阻应变效应以尺寸变化为主，电阻率变化为辅
1
05:52
R4 )] R4
近似：R<<R
U0
U 4
( R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 R4
)
U 4
K (1
2
3
4 )
相对桥臂相加 相邻桥臂相减
单臂工作：R1-应变片，R2-补偿片，R3、R4固定电阻
2020/6/6
7
U 0
U 4
R1 R015:52
(2) 交流电桥： 原理：相同 ； 输入输出：直流
交流， 电阻
电阻值100以上，康铜/硅, P44
2-基底：保持敏感栅的形状、尺寸、位置， 传递应变，胶粘，薄0.02~0.04mm
3-引线：与敏感栅连接，镀锡铜线，钎焊
4-盖层：保护层，防潮、防蛀、防损，纸/胶
5-粘接剂：制造时：盖层+敏感栅；
2020/6/6
使用时：基底+被测部位—传递应变
2
(a) 丝式 (b) 箔式 (c) 半导体
图3.1 应变式电阻传感器的结构原理示意图 1—敏感栅 2—基底 3—引线 4—盖层 5—粘贴剂
2020/6/6
3
05:52
• 目前，常用的金属电阻应变片主要有：金属丝式应变 片、箔式应变片、及金属薄膜应变片等结构形式。
• 金属丝式应变片的敏感栅由金属丝绕制而成。金属
丝材料为电阻率大而电阻温度系数小的材料。丝式应
（1）金属电阻应变片的结构和类型
金属电阻应变片的基本结构如图3.1所示。它由盖层、敏感栅、 基底及引线四部分组成。敏感栅可金属丝、金属箔制成，它是转 换元件，被粘贴在基底上。用粘合剂粘贴在传感器弹性元件或试 件上的应变片通过基底把应变传递到敏感栅上，同时基底起绝缘 作用。盖层起绝缘保护作用。焊接于敏感栅两端引线连接测量导 线之用。
第二章 电阻应变式传感器
一、电阻应变式传感器工作原理
1、电阻应变效应
导体 轴向力
拉伸/压缩
电阻变化
l 、A、变化
电阻相对变化：dR dl dA d
R l A
dR (1 2) d
R
dl/l = ：轴向应变，单位：微应变 dA/A = 2dr/r = -2：--材料泊松比
d/ ：电阻率相对变化
蠕变和零漂：粘接
内应力
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
正弦响应：幅值降低
胶层
敏感栅
阶跃响应：震荡
滞后
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4、电阻应变式传感器的测量电路
作用：R/R
V/I；（信号转换）
组成： 电 桥
放大器
放大微弱信号
变片的规格一般以使用面积（L×b）和敏感栅的电阻
值来表示பைடு நூலகம்阻值一般在50—1000Ω范围内，常用的为 120Ω。
•
箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很
薄的金属薄栅，厚度在0.003-0.010mm。其优点是表面
积与截面积之比大，散热条件好，允许通过电流较大，
可制成各种需要的形状，便于大批量生产。
阻抗
平衡条件： Z1Z3 Z2Z4 Z ze j 导线的分布电容影响：容抗(频率)
z1z3 z2 z4
平衡 输出
1 3 2 4
平衡条件：一般电桥： R1R3 R2R4
C1R4 C2R3
全等臂电桥： R1 R3 R2 R4
C1 C2
交流电桥的调平：未受载，无应变时，输出=零
电阻调平法：串联电阻法 / 并联电阻法： 可调R5
•
金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积的方法
制成，它将可产生形变的金属或合金直接沉积在弹性
元件上而不用粘合剂。这样应变片的性能更好，灵敏
度高。所谓薄膜指厚度在0.1μm以下的金属膜。厚度在
25μm左右的称厚膜箔式应变片即属厚膜。
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3、电阻应变式传感器的特性
(1) 静态特性：
半导体材料： d k kE
dR R
Ks
正比
(压阻效应) Ks (1 2) kE
：轴向应力
E：弹性膜量 k：压阻系数
半导体应变灵敏系数
一般：kE>>(1+2)
Ks kE Ks = (50~80) Km
半导体材料的电阻应变效应以压阻效应为主：灵敏度极高
2、电阻应变式传感器结构
1–敏感栅：敏感元件，金属丝/金属箔，
电容调平法：差动法---C3 / C4 同轴差动电容（大小相等、极性相反） 阻容法---RC阻容电路
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(3) 电桥的非线性及其补偿：
近似：
U 0
U 4
R1 R1
准确：
U
' 0
U 4
R1 R1
/(1
1 2
R1 ) R1
非线性误差：
eL
U 0
U
' 0
U
' 0
U 4
R1
R1 U
U 4
R1
R1 /(1 1 R1 )
R1
2 R1
/(1 1 R1 )
1 2
R1 R1
1 2
K1
4 R1
2 R1
例：某金属应变传感器，K=2.5，max=5000，全等臂电桥，单臂工作， 非线性误差： eL 0.5 2.5 0.005 0.625% 基本线性
若为半导体应变传感器：K=120，eL 0.5120 0.005 30% 非线性严重 差动电桥补偿法：
U0
(R1 R1)( R3 R3) (R2 R2 )( R4 R4 ) U (R1 R1 R2 R2 )( R3 R3 R4 R4 )
等臂电桥：R1= R3
=
R2 =R4=R
U0
U 4
( R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 ) /[1 R4
1 ( R1 2 R1
R2 R2
R3 R3
灵敏系数：
电阻变化率
R K R
K R / 灵敏系数
R
传感器灵敏系数 < 敏感栅灵敏系数 ？
传感器 = 敏感栅 + 基底 + 盖层 + 粘接剂 + 引线
横向系数：
2020/6/6
R R
Kxx
Kyy
H Ky / Kx
横向效应系数
5
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机械滞后：粘接 --- 过热/过载 残余变形
不重合
预载/重复加载
相敏检波
滤波器
(1) 直流电桥：
振荡器
U：电源电压 U0：输出电压 RL：负载电阻
电压输出桥：RL=（接高阻抗放大器）
输出电压： U0
R1R3 R2R4 U (R1 R2 )( R3 R4 )
I0=0
初始状态：R1 R3 = R2 R4 平衡 输出U0=0
工作状态： R1 R3 R2 R4
金属材料：d C dV C( dl dA) C(1 2)
V lA
dR R
Km
正比
系数： Km (1 2) C(1 2) 金属材料的应变灵敏系数
2020/6/6
康铜：0.3，C1 （1+2)1.6 > C(1-2) 0.4
金属材料的电阻应变效应以尺寸变化为主，电阻率变化为辅
1
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R4 )] R4
近似：R<<R
U0
U 4
( R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 R4
)
U 4
K (1
2
3
4 )
相对桥臂相加 相邻桥臂相减
单臂工作：R1-应变片，R2-补偿片，R3、R4固定电阻
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U 0
U 4
R1 R015:52
(2) 交流电桥： 原理：相同 ； 输入输出：直流
交流， 电阻
电阻值100以上，康铜/硅, P44
2-基底：保持敏感栅的形状、尺寸、位置， 传递应变，胶粘，薄0.02~0.04mm
3-引线：与敏感栅连接，镀锡铜线，钎焊
4-盖层：保护层，防潮、防蛀、防损，纸/胶
5-粘接剂：制造时：盖层+敏感栅；
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使用时：基底+被测部位—传递应变
2
(a) 丝式 (b) 箔式 (c) 半导体
图3.1 应变式电阻传感器的结构原理示意图 1—敏感栅 2—基底 3—引线 4—盖层 5—粘贴剂
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• 目前，常用的金属电阻应变片主要有：金属丝式应变 片、箔式应变片、及金属薄膜应变片等结构形式。
• 金属丝式应变片的敏感栅由金属丝绕制而成。金属
丝材料为电阻率大而电阻温度系数小的材料。丝式应