应变式传感器及其应用

2.2.1 电阻应变片的结构及工作原理


应变效应 导体或半导体在受到外力作用变形时，其电阻值 也将随之变化，这种现象称为“应变效应”。 设有一金属导体，长度为，截面积为，电阻率为， 则该导体的电阻为：
L R A
2.2.2 测量电路

在应变式电阻传感器中最常用的转换电路是桥式电 路。按电源的性质不同，桥式电路可分为交流电桥 和直流电桥两类。在大多数情况下，采用的是直流 电桥电路。


应变式电阻传感器的工作原理为电阻应变效应， 金属电阻应变片主要是由于导体的长度和半径 发生改变而引起电阻变化，半导体电阻应变片 是由于其电阻率发生变化而引起电阻变化（即 压阻效应）。 应变式电阻传感器采用桥式测量转换电路，一 般采用全桥形式，其输出电压为：
Uo Ui K (1 2 3 4 ) 4
2.4 应变式电阻荷重传感器
2.4.1 应变式电阻荷重传感器 2.4.2 电阻应变式荷重传感器在电子衡器中的 应用

2.4.1 应变式电阻荷重传感器

应变式电阻荷重传感器是一种用于测力和称重等方 面的传感器。
F F ε ε
Fm=100× 103 N KF=2 mV /V
3
ε ε


钢制圆筒在受到沿轴向的挤压力时，会产生轴向压 应变和径向拉应变。 实际应用中，荷重传感器的铭牌上均标出灵敏度， 以及满量程，并把荷重传感器的灵敏度定义为
2 3 1 4 1
2 3 1 4
2
图2-8
1
扩散硅压力传感器
1--引出线 2--电极 3--扩散电阻引线 4--扩散型应变片 5--单晶硅膜片 6--硅杯 7--玻璃粘接剂 8--玻璃基板

扩散硅在汽车上的应用 在汽车电喷发动机中采用进气压力传感器来检测进气量,称为D型喷射系 统（速度密度型）
小 结
高等职业教育电子信息类贯通制教材（机电技术专业）
传感器原理及应用技术 （第2版）
主 编 刘伟
电子工业出版社
第2章 应变式传感器及其应用



2.1 弹性敏感元件 2.2 应变式电阻传感器原理及测量电路 2.3 应变式电阻传感器的使用注意事项 2.4 应变式电阻荷重传感器 2.5 应变式电阻加速度传感器 2.6 扩散硅压力传感器 小 结
2 3 1
( ) ( )
4
δ
a)
b)
2.6 扩散硅压力传感器

半导体受力时，其电阻率会随应力的变化而变化， 这种现象称做压阻效应。压阻式传感器就是利用半 导体的压阻效应和集成电路工艺制成的传感器。由 于它的核心部分是一块方形的单晶硅膜片，并在硅 膜片上扩散出由四个阻值相等的电阻组成的惠斯登 电桥，因此这种传感器也被称为扩散硅型传感器。
2.1.2 弹性敏感元件的分类

1. 变换力的弹性敏感元件 变换力的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。


2. 变换压力的弹性敏感元件 弹簧管弹性敏感元件 波纹管弹性敏感元件 薄壁圆筒弹性敏感元件
2.2 应变式电阻传感器原理及测量电 路
2.2.1 电阻应变片的结构及工作原理 2.2.2 测量电路
图2-4 荷重传感器
a)外形图 b)内部图 c)圆柱展开图
a)
b)
c)
U om KF UB
2.4.2 电阻应变式荷重传感器在电子 衡器中的应用

传感器在电子秤中的应用 荷重传感器在电子汽车秤中的应用 传感器在动态电子汽车秤中的应用
2.5 应变式电阻加速度传感器

由牛顿第二定律可知，物体的加速度与其质量的乘 积就是作用在物体上的力F。因此要检测物体的加 速度，可以通过测量其所受的力来获得。应变式电 阻加速度传感器就是利用这个原理来测量物体的加 速度的。


在应变式电阻传感器的实际应用中，如果不采取一 些措施，温度变化对传感器输出值的影响比较大， 将产生较大的测量误差。减小、消除这种误差，或 对它进行修正，以求出仅由应变引起的电桥输出的 措施，称为温度补偿。在应变式电阻传感器中常采 用桥路自补偿法。 当桥路是双臂半桥或全桥形式时，电桥相邻两臂的 电阻随温度变化的幅度和方向均相同，相互抵消， 从而达到桥路温度自补偿的目的。这种补偿方式就 称为桥路自补偿法。
2.3

应变式电阻传感器的使用注意事 项
2.3.1 应变片的粘贴 2.3.2 实际应用中电桥的调零电路 2.3.3 传感器的温度补偿
2.3.1 应变片的粘贴

（1）黏合剂种类的选用 （2）试件的表面处理 （3）贴片位置的确定 （4）应变片的粘贴 （5）固化 （6）粘贴质量的检查 （7）引线的焊接与防护
2.1 弹性敏感元件
2.1.1 弹性敏感元件的特性参数 2.1.2 弹性敏感元件的分类

2.1.1 弹性敏感元件的特性参数

刚度 刚度是弹性敏感元件在外力作用下变形大小的量度， 一般用表示，即
K dF dx



式中，为作用在弹性敏感元件上的外力； 为弹性敏感元件 的变形量。 灵敏度 灵敏度是指弹性敏感元件在单位力的作用下产生变 形的大小，它为刚度的倒数，用S表示。 弹性滞后 弹性后效 固有频率
2.3.2 实际应用中电桥的调零电路

即使是相同型号的电阻应变片，其阻值也有细小的 差别，因此在测量前，电桥的四个桥臂电阻不完全 相等，桥路可能不平衡（即有电压输出），这必然 会造成测量误差。针对这种情况，在应变式电阻传 感器的实际应用中，总是采用在原基本电路之上加 调零电路，尽量减小测量误差。
2.3.3 传感器的温度补偿
R1 Ui UO R4
R2
R3

1. 双臂半桥形式电桥电路
Ui ULeabharlann Baidu 4
R1 R2 U i K (1 2 ) R2 4 R1

2. 单臂半桥形式电桥电路

U i R1 U i Uo K1 4 R1 4 3. 全桥式电桥电路
Ui U o K (1 2 3 4 ) 4


全桥形式具有温度自补偿功能。 应变式电阻传感器广泛应用在力、加速度等有 关物理量的测量中；扩散硅压力传感器应用在 测量气体和液位的压力中。