金属电阻应变式传感器--应变片1
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/
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
电阻式传感器(应变式传感器
d E
（2-10）
8
式中： π——半导体材料的压阻系数; σ——半导体材料的所受应变力; E——半导体材料的弹性模量; ε——半导体材料的应变。
将式（2-10）代入式（2-9）中得
dR (1 2 E)
R
（2-11）
实验证明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半导 体应变片的灵敏系数为
14
表2-1 常用金属电阻丝材料的性能 15
康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于它有很多 优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常 数， 进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；康铜的电阻 温度系数较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，可使电阻 温度系数在±50×10-6/℃的范围内；康铜的加工性能好，易于 焊接， 因而国内外多以康铜作为应变丝材料。
量为ΔR时，便可得到被测对象的应变值， 根据应力与应变的关
系，得到应力值σ为
σ=E·ε
.2.1 金属电阻应变片的种类
引线
覆盖层 基片
b
l 电 阻 丝式 敏 感 栅
图2-2 金属电阻应变片的结构
11
敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其 上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。金属电阻 应变片的敏感栅有丝式和箔式两种形式，如图2-3所示。丝式金 属电阻应变片的敏感栅由直径0.01～0.05mm的电阻丝平行排列 而成。箔式金属电阻应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一 种很薄的金属箔栅， 其厚度一般为0.003~0.01mm，可制成各种 形状的敏感栅（即应变花），其优点是表面积和截面积之比大， 散热性能好，允许通过的电流较大，可制成各种所需的形状， 便于批量生产。覆盖层与基片将敏感栅紧密地粘贴在中间，对 敏感栅起几何形状固定和绝缘、保护作用，基片要将被测体的 应 变 准 确 地 传 递 到 敏 感 栅 上 ， 因 此 它 很 薄 ， 一 般 为 0.03 ～ 0.06mm, 使它与被测体及敏感栅能牢固地粘合在一起，此外它 还应有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性能。基片和覆盖层 的材料有胶膜、纸、玻璃纤维布等。
电阻应变式传感器
提出问题？
当Ui值确定后, n值取何值时使K最高？
解决办法：
当dK/dn=0 时，求K的最大值。
U0 n K Ui R1 ( 1 n )2 R1
dK 1 n 3 dn 1 n
Ui 求得n=1时, K为最大值 K 4 即： 在电桥电压确定后, 当R1=R2=R3=R4时, 电桥电 压灵敏度最高, 此时有
结论：
U i R1 U0 4 R
当电桥电压Ui和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时, 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值, 且与各桥臂电 阻阻值大小无关。
d.存在的不足
R1
B R2
Io
A
R3 D R4
C RL
Uo
放大器
（1）考虑：
＋
Ui －
应变片R1工作时, 其电阻值变化很小， 即：△R1很小 电桥相应输出电压也很小，即：Uo很小
Ui －
K
分析可知：
U0 n Ui R1 (1 n)2 R1
—— 电桥电压灵敏度
① 电桥电压灵敏度K正比于电桥供电电压Ui Ui↑→ K↑ 但供电电压Ui的提高受到应变片允许功耗的限 制，所以要作适当选择; ② 电桥电压灵敏度K=K(n) ， 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。
特点： （1）测量量程大；
（2）防爆；
（3）可靠； （4）成本低。
钢丝
煤气包
原理 直接将代表煤气包储量的高度 变化转换为钢丝的电阻变化
玩具机器人（广州中鸣数码）
原理
直接将关节驱动电机的转动角 度变化转换为电阻器阻值变化
电子称
原理 将物品重量通过悬臂梁转化结 构变形再通过应变片转化为电 量输出。
第二章、应变式传感器1
（1）应变片的敏感栅具有一定温度系数； （2）应变片材料与测试材料的线膨胀系数不同。
3.4 电阻应变片的测量电路
单臂应变电桥
工作臂 双臂应变电桥 全臂应变电桥
应
变
电源
直流电桥：
电
交流电桥:
桥
电源端对称
桥臂关系 半等臂电桥 输出端对称
全等臂电桥
3.4.1 直流电桥
平衡条件 R1R4=R2R3
n=R2/R1=R4/R3
常用金属薄膜应变片
金属应变片的基本结构
转换元件 F
敏感元件
二、半导体应变片结构 体型、薄膜型和扩散型
1、体型半导体应变片 半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成片状小
条，经腐蚀压焊粘贴在基片上制成。
体型半导体应变片的结构
2、薄膜型半导体应变片
通过薄膜制备技术，在带有绝缘层的试件上沉积 半导体材料薄膜而制成。
对电阻丝材料应有如下要求：
① 灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数； ②ρ值大； ③ 电阻温度系数小，以免环境温度变化改变其阻值； ④ 与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小； ⑤ 机械强度高， 具有优良的机械加工性能。
表3-1 常用金属电阻丝材料的性能
康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于 它有很多优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形 范围内能保持为常数， 进入塑性变形范围内也基本上 能保持为常数；康铜的电阻温度系数较小且稳定，当 采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在 ±50×10-6/℃的范围内；康铜的加工性能好，易于焊 接， 因而国内外多以康铜作为应变丝材料。
Κ κ 卡帕 Kappa 介质常数 Λ λ 兰姆达 Lambda 波长（小写）；体积 Μ μ 缪 Mu 磁导系数；微 ;放大因数（小写） Ν ν 纽 Nu 磁阻系数 Ξ ξ 克西 Xi Ο ο 奥米克戎 Omicron Π π 派 Pi 圆周率=圆周÷直径=3.1416 Ρ ρ 柔 Rho 电阻系数（小写） Σ σ 西格玛 总和（大写），表面密度；跨导（小写） Τ τ 陶 Tau 时间常数 Υ υ 宇普西隆 Upsilon 位移 Φ φ 斐(佛爱) Phi 磁通； 角 Χ x 西 Chi Ψ ψ 普西 Psi 角速；介质电通量（静电力线）；角 Ω ω 欧米伽 Omega 欧姆（大写）；角速（小写）；
第3章电阻应变片式传感器1-PPT讲义
产生的原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏 感栅的应变量逐渐减少。
电阻应变片的选择、粘贴技术
1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等缺陷，有 缺陷的应变片不能粘贴。
2.用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一 电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆.
3.试件表面处理：贴片处用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。
应变传感器在承重梁上
➢电阻应变片品种繁多, 形式多样。 ➢常用的应变片可分为两类: 金属电阻应变片和半导体电 阻应变片。
应变效应分析
•电阻应变片的工作原理是基于应变效应 •应变效应：即导体或半导体材料在外界力的作
用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，
这种现象称为“应变效应”。
l
l
F
F
r
4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹 均匀，立即放在应变贴片位置。
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。
传感器实验报告
传感器实验报告传感器实验报告实验⼀⾦属箔式应变⽚——单臂电桥性能实验⼀、实验⽬的:了解⾦属箔式应变⽚的应变效应，并掌握单臂电桥⼯作原理和性能。
⼆、基本原理:电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定⼯艺粘贴电阻应变⽚来组成。
⼀种利⽤电阻材料的应变效应将⼯程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。
此类传感器主要是通过⼀定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变⽚将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。
它可⽤于能转化成变形的各种⾮电物理量的检测，如⼒、压⼒、加速度、⼒矩、重量等，在机械加⼯、计量、建筑测量等⾏业应⽤⼗分⼴泛。
1、应变⽚的电阻应变效应所谓电阻应变效应是指具有规则外形的⾦属导体或半导体材料在外⼒作⽤下产⽣应变⽽其电阻值也会产⽣相应地改变，这⼀物理现象称为“电阻应变效应”。
以圆柱形导体为例：设其长为：L、半径为r、材料的电阻率为ρ时，根据电阻的定义式得（1—1）当导体因某种原因产⽣应变时，其长度L、截⾯积A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变化为dR。
对式（1—1）全微分得电阻变化率 dR/R为：（1—2）式中：dL/L为导体的轴向应变量εL; dr/r为导体的横向应变量εr由材料⼒学得：εL= - µεr (1—3)式中：µ为材料的泊松⽐，⼤多数⾦属材料的泊松⽐为0.3～0.5左右；负号表⽰两者的变化⽅向相反。
将式（1—3）代⼊式（1—2）得：（1—4）式（1—4）说明电阻应变效应主要取决于它的⼏何应变（⼏何效应）和本⾝特有的导电性能（压阻效应）。
2、应变灵敏度它是指电阻应变⽚在单位应变作⽤下所产⽣的电阻的相对变化量。
(1)、⾦属导体的应变灵敏度K：主要取决于其⼏何效应；可取（1—5）其灵敏度系数为：K =⾦属导体在受到应变作⽤时将产⽣电阻的变化，拉伸时电阻增⼤，压缩时电阻减⼩，且与其轴向应变成正⽐。
第二章-1电阻应变片
∆R = K xε x + K y ε y R
K
K
x
轴向灵敏系数 横向灵敏系数
y
横向灵敏度： 横向灵敏度：
H =
K K
y x
一般H<5% 一般
ε
1+ H y εx ∆R = K x (ε x + Hε y ) = K s [ ]ε x = K 0 ε x R 1+ H
K0—应变片的灵敏系数 应变片的灵敏系数
（1）应变片检查 ） 外观检查：应变片有无折痕. ①外观检查：应变片有无折痕.断丝等缺陷 电阻值检查： ②电阻值检查：用数字万用表测量应变片电阻值大 同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5 小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于 欧姆. 欧姆 （2）修整应变片 ） 对没有标出中心线标记的应变片，应在其基底上标出中心线； ①对没有标出中心线标记的应变片，应在其基底上标出中心线； 对基底较光滑的胶基应变片，可用细沙将基底轻轻的稍许打磨， ③对基底较光滑的胶基应变片，可用细沙将基底轻轻的稍许打磨，并用 溶剂洗净。 溶剂洗净。 （3）试件表面处理 将要贴应变片的试件表面部分使之平整光洁，无油漆、锈斑、氧化层、 将要贴应变片的试件表面部分使之平整光洁，无油漆、锈斑、氧化层、 油污和灰尘等。一般用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。 油污和灰尘等。一般用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。
10
应变片的主要参数
f）横向灵敏度： 横向灵敏度：
由于由于丝栅圆弧段的存在，电阻丝的变形不但受轴向应变εx的作用， 由于由于丝栅圆弧段的存在，电阻丝的变形不但受轴向应变εx的作用，同 εx的作用 时也受横向应变εy的作用。 εy的作用 时也受横向应变εy的作用。
金属应变片(正式课件)
dR d dl dS R lS
（2-2）
式中：dl/l——长度相对变化量
dS/S——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半
径，微分后可得dS=2πr dr，则
dS 2 dr Sr
（2-3）
第2章 应变式传感器
由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸 长， 沿径向缩短 令dl/l=ε为金属电阻丝的轴向应变，
dr/r=εr为金属电阻丝的径向应变 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为
dr dl
r
l
（2-4）
式中, μ为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。
第2章 应变式传感器
又有， 综上，
d c(1 2)
（2-5）
dR d dl dS C(1 2) (1 2) dl C(1 2) (1 2)
RlS
l
dR R
ks
（2-6）
dR
Ks
R dl
（2-8）
l
KS：金属导体应变灵敏系数，物理含义是单位轴（纵）向 应变引起电阻的相对变化量。
大量实验证明，在金属丝的拉伸极限内，金属丝电阻的相对
变化与金属丝的轴向应变成正比，即Ks为常数。
第2章 应变式传感器
dR d dl dS C(1 2) (1 2) dl C(1 2) (1 2)
第2章 应变式传感器
半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体 材料的压阻效应。压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力 作用时， 其电阻率ρ发生变化的现象。
当半导体应变片受轴向力作用时， 其电阻相对变化为
dR (1 2) d
R
（2-9）
式中dρ/ρ为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体
传感器实验报告(电阻应变式传感器)
传感器技术实验报告院（系）机械工程系专业班级姓名同组同学实验时间 2014 年月日，第周，星期第节实验地点单片机与传感器实验室实验台号实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。
二、实验仪器：应变传感器实验模块、托盘、砝码（每只约20g）、、数显电压表、±15V、±4V电源、万用表（自备）。
三、实验原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：ΔR/R=Kε，式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化。
金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件，如图1-1所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。
图1-1通过这些应变片转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图1-2所示R5、R6、R7为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压εk E R RR R R E U 4R 4E 21140=∆⋅≈∆⋅+∆⋅= （1-1） E 为电桥电源电压，R 为固定电阻值，式1-1表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为%10021L ⋅∆⋅-=RR γ。
四、实验内容与步骤1．图1-1应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R 1、R 2、R 3、R 4上，可用万用表测量判别，R 1=R 2=R 3=R 4=350Ω。
2．从主控台接入±15V 电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端U i 短接，输出端Uo 2接数显电压表（选择2V 档），调节电位器Rw 3，使电压表显示为0V ，Rw 3的位置确定后不能改动，关闭主控台电源。
图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图3．将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R 1）接入电桥与R 5、R 6、R 7构成一个单臂直流电桥，见图1-2，接好电桥调零电位器Rw 1，直流电源±4V （从主控台接入），电桥输出接到差动放大器的输入端U i ，检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节Rw 1,使电压表显示为零。
电阻应变片式压力传感器1 (1)ppt课件
传感器简图：
灵敏度与误差分析：
误差来源
电阻应变片引起的误差 用应变片测量时，由于环境温度所引起的电阻变化与试 件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产 生很大的测量误差。 造成应变片温度误差的原因主要有 两个：
（1）应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；
（2）电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。
本设计的称重传感器就是利用应变片阻值的变化量来确定弹性 元件的微小应变，从而利用力，受力面积及应变之间的关系来确定 力的大小，进而求得产生作用力的物体的质量。应变片阻值的变化 可以通过后续的处理电路求得。
设计初衷：
随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到 各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机 的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成 为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗 等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制。
(1 2)
由材料电阻率变化引起的
( ) 1
对于金属材料 ( ) 1 项的值比 (1 2) 小很多，可以忽略， 所以 K 1 2 大量实验证明， 在电阻丝拉伸比例极限内，电阻 的相对变化与应变对于金属丝材料成正比，即为常数。通常金属丝 的=1.7-3,6。可写成
电阻应变片式 压力传感器1 (1)
光电传感器
超声波液位传感器
与此相比我们的传感器具有结构简单，定位精度 较高，不需调试，灵敏度较高，耗电少，体积小 等诸多优点。
较之不足的就是定位精度稳定性与市场成熟的传 感器还有差距
设计初衷：
随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到 各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机 的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成 为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗 等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制。
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。
应变片式传感器工作原理及特性
应变⽚式传感器⼯作原理及特性1、电阻应变⽚⼯作原理电阻应变⽚的⼯作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界⼒的作⽤下产⽣机械变形时，其电阻值相应发⽣变化，这种现象称为“应变效应”。
2、应变⽚的种类、材料及粘贴⾦属电阻应变⽚的种类有丝式和箔式两种。
1）丝式：直径0．01～0．05mm，材料为胶膜、纸、玻璃纤维布等。
图1 ⾦属电阻应变⽚的结构2）箔式应变⽚：直径0．003~0．01mm原理：它是利⽤照相制版或光刻腐蚀法将电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形的应变⽚；优点：1）敏感栅尺⼨准确，线条均匀；2）其弯头横向效应可以忽略；3）可通过较⼤的电流；4）散热性好，寿命长；5）⽣产效率⾼；3、电阻应变⽚的特性（⼀）电阻应变⽚主要特性：1）灵敏系数2）横向效应3）机械滞后，零漂及蠕变4）温度效应5）应变极限、疲劳寿命6）动态响应特性（⼆）应变⽚的温度误差及补偿由于测量现场环境温度的改变⽽给测量带来的附加误差，称为应变⽚的温度误差。
1）电阻温度系数的影响敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可⽤下式表⽰：Rt=R0（1+α0Δt） ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。
试件与电阻丝线膨胀系数不同时，产⽣附加电阻变化。
由于温度变化⽽引起的应变⽚总电阻相对变化量为：可知，因环境温度变化⽽引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变⽚⾃⾝的性能参数（K0, α0, βs）以及被测试件线膨胀系数βg有关。
通常温度误差补偿⽅法有两类：1）线路补偿法完全补偿：①R3=R4;②R1和RB相同;③粘贴材料⼀样;④同⼀温度场2）应变⽚的⾃补偿法则被测试件的线膨胀系数βg已知时，如果合理选择敏感栅材料,则达到温度⾃补偿的⽬的。
（三）应变⽚式电阻传感器的测量电路直流电桥直流电桥平衡条件直流电桥电压灵敏度电桥的⾮线性误差直流电桥平衡条件：交流电桥交流电桥的平衡条件交流应变电桥的输出特性及平衡调节直流电桥输出电压很⼩，须放⼤但直流放⼤器易于产⽣零漂。
国家开放大学-传感器与测试技术-实验一金属箔式应变片一电桥性能实验
实验一金属箔式应变片一电桥性能实验一、实验目的1、了解金属箔式应变片的应变效应，电桥工作原理、基本结构及应用。
2、比较单臂、半桥、全桥输出的灵敏度和非线性度，得出相应结论。
3、了解温度对应变测试系统的影响以及补偿方法。
4、掌握应变片在工程测试中的典型应用。
二、基本原理电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应。
描述电阻应变效应的关系式为：△R/R =kε式中：△R/R 为电阻丝电阻相对变化，k 为应变灵敏系数，ε=△L／L 为电阻丝长度相对变化。
同时，由于应变片敏感栅丝的温度系数的影响，以及应变栅线膨胀系数与被测试件的线膨胀系数不一致，产生附加应变，因此当温度变化时，在被测体受力状态不变时，由于温度影响，输出会有变化。
金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化。
电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
对单臂电桥输出电压 U01=EKε/4。
当应变片阻值和应变量相同时，半桥输出电压 U02=EKε/2。
全桥输出电压 U03=EK ε，其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性度和温度误差均得到改善。
三、需用器件与单元应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码（每只约 20g)、数显表、±15V 电源、±4V 电源、万用表。
四、实验方法与步骤(一）应变传感器实验模板电路调试及说明1、实验模板说明实验模板如图 1.1 所示，Ri、R2、Ra、R4 为应变片，没有文字标记的 5 个电阻符号下面是空的，其中 4 个组成电桥模型是为实验者组成电桥方便而设，图中的粗红曲线表示连接线。
根据图 1. 1 应变式传感器（电子秤传感器）已装于应变传感器模板上。
传感器中 4 片应变片和加热电阻已连接在实验模板左上方的 R1、R2、Ra、R4 和加热器上。
传感器左下角应变片为 R1; 右下角为 R4;右上角为 Ra、左上角为 R2。
第一节应变传感器
ρ / ρ 电阻率随应变而引起的( 压阻效应" :电阻率随应变而引起的(称"压阻效应"). l / l
金属材料:以前者为主, 金属材料:以前者为主,则KS≈ 1+2μ; 半导体: 值主要由电阻率相对变化所决定. 半导体: KS值主要由电阻率相对变化所决定. 实验表明:在金属丝拉伸比例极限内, 实验表明:在金属丝拉伸比例极限内,电阻相对变化 与轴向应变成正比. 1.8～3.6范围内 范围内. 与轴向应变成正比.通常KS在1.8～3.6范围内. 4
11
设环境引起的构件温度变化为Δ 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 = α t t R 1
由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同, 由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同, 存在时,引起应变片的附加应变, 当Δt 存在时,引起应变片的附加应变,其值为
构件受弯 曲应力
R1 R2 (a) F F R1 R2 (b) R5 F
构件受单 向应力
采用热敏电阻进行补偿
R1
R2
Rt E
R3 USC
R4
18
�
7
(3) 机械滞后
定义:应变片粘贴在被测试件上,当温度恒定时, 定义:应变片粘贴在被测试件上,当温度恒定时,其加 载特性与卸载特性不重合,即为机械滞后. 载特性与卸载特性不重合,即为机械滞后. 产生原因:应变片在承受机械应变后, 产生原因:应变片在承受机械应变后,其内部会产生残 余变形,使敏感栅电阻发生少量不可逆变化; 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, 粘贴应变片时,如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结 剂固化不充分. 剂固化不充分. 机械滞后值还与应变 指 示 片所承受的应变量有关, 片所承受的应变量有关, 应 加载时的机械应变愈大, ε 加载时的机械应变愈大, 变 i 卸载时的滞后也愈大. 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, 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. 的实验误差.
金属薄膜电阻应变片
金属薄膜电阻应变片是一种常见的传感器，用于测量物体的应变。
它由一个薄的金属薄膜和一个固定在物体上的支撑架组成。
当物体受到外力作用时，金属薄膜会发生形变，导致其电阻值发生变化。
通过测量电阻值的变化，可以计算出物体的应变。
金属薄膜电阻应变片具有灵敏度高、响应速度快、稳定性好等优点，广泛应用于各种工程领域。
例如，在桥梁、建筑物等结构物的监测中，可以使用金属薄膜电阻应变片来检测结构的应力和变形情况，以确保其安全性和可靠性。
此外，金属薄膜电阻应变片还可以用于材料力学性能测试、机器人控制等领域。
总之，金属薄膜电阻应变片是一种重要的传感器技术，对于提高工程安全性和效率具有重要意义。
随着科技的不断进步和发展，金属薄膜电阻应变片的应用前景将会更加广阔。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2
金属丝：
dR dl 2dr d R l r
金属丝体积不变：
dr dl r l
有：
dR d 2 R
金属丝应变片：
对金属材料，导电率不变：
dR (1 2 ) R
应变计Leabharlann 金属应变计半导体应变计
dR dl 2dr d R l r
2 工作原理
金属应变片的电阻R为
R l / A
l
上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数
代入
l dR dl 2 dA d A A A R l / A
dl dA d dR R R R l A
有：
dR dl dA d R l A
3、晶闸管
4、输出信号指示 用双向晶闸管控制发光二极 管的导通。
色 环 色 标
颜色 黑 棕 红 橙 黄 绿 兰 紫 灰 白 金 银
I 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
II 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
III 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
倍率 100 101 102 103 104 105
5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。
6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于500M欧。
7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。
电阻应变式传感器的应用：测力
标准产品
案例：桥梁固有频率测量
案例：电子称
原理 将物品重量通过悬臂梁转化结 构变形再通过应变片转化为电 量输出。
金属丝应变片：
dR (1 2 ) R
V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变
电阻应变片的选择、粘贴技术
1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。 2.用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于0.5欧姆. 3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。 4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。
4
应变片测量电路
R1 R2
E
R3
V
R4
R2 R4 R1 R3 V E ( R1 R4 )(R2 R3 )
R2 R4 R1 R3 V E ( R1 R4 )(R2 R3 )
令：
R1 R R2 R3 R R4 R dR
R( R dR) RR E dR V E 4 R ( R R dR)(R R)
学习情境一
[目的要求]
电子秤的力测量系统
了解应变传感器的类型、结构及应用。 [学习重点] 应变传感器的类型、结构。
[学习建议]
通过设计组装电子秤电路全面掌握应变式传感器。 [学习内容] -
（一）电路原理分析 （二）电路设计 （三）元件参数分析 （四）电路组装调试
一、金属电阻应变式传感器--应变片
1、电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变 效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时， 其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而 发生变化象。
案例：冲床生产记数 和生产过程监测
3.2 电阻式传感器 案例：机器人握力测量
3.2 电阻式传感器 案例：振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打 洞、爆破等破坏行为均可及时发现。
电子秤的制作实训案例： 1、电路原理图、ICL7126集成块
2、元件选取
1）IC1选用ICL7126集成块；IC2、IC3选用高 精度低温标精密运放OP-07；IC4选用LM3851.2V 2)传感器R1选用E350-ZAA箔式电阻应变片， 其常态阻值350Ω 3）各电阻元件宜选用精密金属膜电阻 4）RP1选用精密多圈电位器，RP2、RP3经调 试后可分别用精密金属膜电阻代替 5)电容中C1选用云母电容或瓷介电容
误差 ±1% ±2%
±0.5% ±0.25% ±0.1%
10－1 10－2
±5% ±10%
色 环 认 识 的 规律
• 从上页幻灯片可知，金色和银色只能 是乘数和允许误差，一定放在右边。 • 表示允许误差的色 环比别的色环稍宽， 离别的色 环稍远。 • 我们用的电阻大都允许误差是±5% 的，用金色色 环表示，因此金色一般都 在最右边。
简化为：
dR d E R
• 优点：灵敏度大;体积小; • 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。
3 应变片的主要参数
1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 b×L表示。
2）电阻值：应变计的原始电阻值。
3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。
4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。
四、元件的安装
注意布置要合理，锡焊要焊实，焊点要小， 要均匀。
五、调试 1）在秤体自然下垂无负载时调RP1，显示 为零； 2）再调整RP2，使体承担满量程2KG时显示 满量程值； 3）然后在悬秤钩下悬挂1KG的标准砝码， 观察显示器是否显示1.000，如有偏差可调整 RP3，使之准确显示1.000； 4）重新进行2、3步骤，使之均满足要求为 止； 5）准确测量RP2、RP3值，用固定精密电阻 替代。