电阻应变片传感器课件

半导体式
（1）金属丝式应变片
金属丝式应变片的基本工作原理是利用金属材料的电阻
定律。当应变片在外力作用下其结构尺寸发生变化时，其电
阻值也会发生相应的变化。
下面推导应变片电阻变化与应变的关系。
一个长度为l，截面积为A，电阻率为ρ的导体
l
l
F r
r
F
金属丝电阻
l R A
当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长Δl，横截面积 相应减小 ΔA ，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响 而改变了dρ，从而引起电阻值相对变化量为
当电桥平衡时，Uo=0，则有
B R1 A R2
Io ＋ C RL Uo －
R1R4=R2R3
或
R1 R3 R2 R4
R3 D E
R4
为电桥平衡条件。 这说明欲使电桥平衡， 其相邻两臂电
阻的比值应相等， 或相对两臂电阻的乘积应相等。 为使电桥
灵敏度最大，一般常采用R1=R2=R3=R4。
注意：“相邻”和“相对”是对于B、D两点而言的 为什么？
若此时被测试件有应变 ε 的作用，则工作应 变片电阻 R1 又有新的增量 ΔR1=R1Kε ，而补偿 片因不承受应变，故不产生新的增量， 此时 电桥输出电压为
Uo AR1R4 K
由上式可知，电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变ε有关， 而 与环境温度无关。
应当指出，若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下 4个条件：
②发电式：将输入的工程参数信号直接转换成电信号输出的 传感器，如压电式、磁电式、光电式等，工作时其本身有 内在的能量转换，又称为有源式传感器。
5.2 参数式传感器的信号获取与调理
参数式传感器的工作原理是将输入的工程参数变化转变为 电参数的变化，主要包括电阻式、电感式和电容式。
5.2.1 电阻式传感器及调理电路
① 在应变片工作过程中，保证R3=R4
② R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、线膨胀
系数β、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。
③ 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料
必须一样，两者线膨胀系数相同。
④ 两应变片应处于同一温度场。
3) 应变片的自补偿法 这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片 (称 之为温度自补偿应变片 )来补偿的。根据温度自补偿应变片的工 作原理来设计的。
5.2.1.2 直流电桥的调理作用
测量电路
B R1 R2 C R3 D RL Io ＋ Uo －
电阻— —→电压（电流）
1.直流电桥的工作原理
A
直流电桥平衡条件
当RL→∞时，电桥输出电压为
R4
E
直流电桥
R1 R3 Uo E R R R R 2 3 4 1
（5－7）
d dR R (1 2 )
式中 dρ/ρ 为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半 导体敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为
t
t
d

E t
dR (1 2 E ) t R
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
常用材料：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、 贵金属（铂、铂钨合金等）材料
2.电阻应变式传感器的使用 （ 1 ）粘贴要求：应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。 粘结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测件应变传递到敏感栅 上。选择粘结剂时必须考虑应变片材料和被测件材料性能，不
仅要求粘接力强，粘结后机械性能可靠，而且粘合层要有足够
dl 轴向应变 t l
径向应变
dR dl dA d R l A
根据材料的 泊松比定律
dA dr 2 A r
dr dl t r l
式中, μ为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变与轴向方向相反。
得:
dR d (1 2 ) t R
d dR R K 1 2
t
t
通常把单位应变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。
d dR R K 1 2
灵敏系数K的影响因素： 一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2μ； 另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即 （ d ρ/ ρ） / ε 。 对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中 1+2μ 的 值要比(dρ/ρ)/ε大得多， 半导体材料的(dρ/ρ)/ε项的值比1+2μ大得多。 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K为常数。
5.1.3 传感器的基本特性及标定
• 基本特性：静态特性和动态特性。 • 特性标定：用实验的方法求出传感器特性曲线的过程。 • （1）静态标定：求出传感器静态特性曲线的过程；
• （2）动态标定：求出传感器动态特性曲பைடு நூலகம்的过程。
• 注意：现场标定；系统标定。
5.1.4 传感器的分类
分类方法很多，按输入输出功能分： ⑴按输入量分类：分为温度、压力、位移、速度、湿度等； ⑵按输出量分类： ①参数式：将输入的工程参数变化转变为电参数变化的传感 器，如电阻式、电感式和电容式，工作时本身没有内在的 能量转换，也称为无源传感器。
① 电阻温度效应的影响
② 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 线膨胀系数：温度每变化1度材料长度变化的百分率。 固体物质的温度每改变1摄氏度时，其长度的变化和它在O℃ 时长度之比，叫做“线膨胀系数”。单位为1/开。符号为al。
实际中常采用自补偿和桥路补偿法来进行温度误差补偿
RB
2) 桥路补偿法
金属丝式
a、c回线式 b、d短接式
回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴， 但其应变横向效应较大。 短接式应变片两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝短接 。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。
常用材料：康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。
金属箔式
它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.003～0.01mm的金属箔 片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。 优点：①可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长l可 做到0.2mm，以适应不同的测量要求；②与被测件粘贴结面积 大；③散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；④.横向 效应小；⑤.蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。 缺点：电阻值的分散性比金属丝的大，有的相差几十欧姆， 需做阻值调整。 在常温下，金属箔式应变片已逐步取代了金属丝式应变片。
温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此
时有
Uo A( R1R4 RB R3 ) 0
工程上，一般按R1 = RB = R3 = R4 选取桥臂电阻。
当温度升高或降低Δt=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻 变化量相等，电桥仍处于平衡状态， 即
Uo A[(R1 R1t ) R4 ( RB RBt ) R3 ] 0
dR K R E
t
半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高50～80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。
（4）金属电阻应变片的材料
对电阻丝(敏感栅)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，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； ③ 电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值； 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。
大的剪切弹性模量， 良好的电绝缘性，蠕变和滞后小，耐湿，
耐油，耐老化，动态应力测量时耐疲劳等。 还要考虑到应变片
的工作条件，如温度、相对湿度、稳定性要求以及贴片固化时 加热加压的可能性等。
（2）贴片方向
• 一般应变片灵敏度是在应变片纵向受力情
况下标定的，因此使用应变片传感器时，
应变片输出值反映了被测对象在应变片纵
5.2.1.1 信号获取原理
电阻式传感器是一种把被测参量转换为电阻变化的传感 器。常用的电阻式传感器有电阻应变式、电位器式等类型。 我们主要学习的是电阻应变式（应变片）。 应变式传感器结构简单，尺寸小，重量轻，使用方便， 性能稳定可靠，分辨率高，灵敏度高，价格又便宜，工艺 较成熟。因此在航空航天、机械、化工、建筑、医学、汽 车工业等领域有很广的应用。
向的变形。
（3）应变片粘贴步骤:
• • • • • • •
检查：外观、电阻值、修整 试件表面处理：光洁度要求、划定位线 粘贴：厚度、方法 固化处理 粘贴质量的检查：电阻值和绝缘电阻值 接线端子的焊接、导线的固定 防潮处理
（4）应变式传感器的温度误差及补偿 1）应变片的温度误差 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。 产生应变片温度误差的主要因素有下 述两个方面。
各种电子秤
俗称 地磅
高 精 度 电 子 汽 车 衡
动态电子秤
电子天平
吊秤
机械秤包装机
1.电阻应变式传感器的分类及基本工作原理
引线 覆盖层 基片
典型结构： 基 片
b
l 电阻丝式敏感栅
敏感栅 覆盖层 引 线
引线
覆盖层
基片
l 电阻丝式敏感栅
提问：这4个部分的作用？
b
根据敏感栅材料的不同，应变片可分为：金属丝式、金属箔 式和半导体式。
2.电压灵敏度 R1为应变片.当受应变时，若应变片电阻变化为Δ R，其它桥臂 固定不变，电桥输出电压Uo≠0，则电桥不平衡，输出电压为
R1 R1 R3 Uo E R R R R R 1 2 3 4 1 R1R4 E ( R1 R1 R2 )( R3 R4 ) R4 R1 R3 R1 E R1 R2 R4 1 R R 1 R 1 1 3
t
t
d dR R K 1 2
t
t
• 所以，金属丝式应变片的灵敏度为
dR K R 1 2
t
（2）半导体应变片
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， 半导体材料产生应变，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
② 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，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。
设桥臂比n=R2/R1，由于
ΔR1<<R1，分母中ΔR1/R1
可忽略， 并考虑到平衡条 件R2/R1=R4/R3， 则可写 为:
n R1 Uo E 2 (1 n) R1
电桥电压灵敏度定义为
Uo n KU E 2 R1 (1 n ) R1
① 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压， 供电电压越高， 电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗 的限制，所以要作适当选择；
5.1.2 传感器的基本组成
• 传感器一般是由敏感元件和转换元件两部分组成。 1）敏感元件（预变换器）直接感受被测量（一般为非电量） 并将其转换为与被测量有确定关系的易变成电量的其他量 （包括电量）的元件。如：弹性元件。 2）转换原件（变换器）能将某些物理量直接转换为与之有 确定关系的电量的元件。如：压电晶体。 注意：有些传感器的敏感元件和转换元件是合二为一的，还 有一些传感器内部集成了一些测量电路。
5 信号的获取与调理
对于一个传感器而言，它的输出一般很微弱，这就 需要对其进行某些调整和处理，并把信号转换成易于处
理、接收和显示的形式。
本章主要介绍一些基于机电转换或光电转换原理的
传感器与信号调理电路。
5.1 传感器
5.1.1 基本概念
传感器是把被测物理量按一定规律转换成便于处理和传输 的另一种物理量的装置。 它广泛的应用于我们的生产生活中的各个方面，是基础环 节，工程实际中俗称测量头、检测器等，也称为一次仪表。
Uo F R4
R1 RB
F
U
~
(a )
R1 —工作应变片； RB—补偿应变片 (b )
U0=A（R1R4-RBR3）
式中, A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。
当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压Uo的作用
方向相反。 利用这一基本关系可实现对温度的补偿。
当被测试件不承受应变时， R1和RB又处于同一环境