电阻应变式传感器的特点1
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电阻应变片的种类
按材料分类：
引线 覆盖层
电阻 金属电阻应变片
基片
应变片 半导体电阻应变片
按结构分类：
单片、双片、特殊形状
按使用环境分类：
高温、低温、高压、磁场、水下
一、金属电阻应变片
金属应变片：丝式 箔式 薄膜式
金属丝
金属丝应变片结构
半导体应变片的灵敏系数比 金属丝式的高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，使应用范围受到 一定的限制。
半导体应变片的优点： 体积小，灵敏度高，频率 响应范围宽，输出幅值大，不 需要放大器，可直接与记录仪 连接，使测量系统简单。
《传感器原理及应用》
第2章 常用传感器工作原理
件：电阻应变片，试件上的
应力变化转换成电阻变化。 F
l
2r 2(r-dr)
F
应变效应:导体或半导体在
受到外界力的作用时，产生机械
l+ dl
变形，机械变形导致其阻值变化，
金属丝的应变效应
这种因形变而使阻值发生变化的
如果对电阻丝长度作用均匀
现象称为应变效应。
应力，则ρ、L、A的变化(dρ、
一、金属的应变效应
l
2r 2(r-dr)
若电阻丝是圆形的，则A=πr ²,
对r 微分得dA=2πr dr，则 F
F
dA A
2rdr r 2
2
dr r
令dL / L x — 金属的轴向应变 dr / r y — 金属的径向应变
在弹性范围内金属丝受拉力 时，沿轴向伸长，沿径向缩短，
l+ dl
金属丝的应变效应
即
压阻效应
制成的一种纯电阻性元件。
压阻效应：
几何形状
d
l
l E x
半导体材料的电阻率随作用应 力的变化而发生变化的现象。
dR R
（1
2
l E) x
当半导体材料受轴向力作用时，
πl 半 导 体 材 料 的 压 阻 系
电阻相对变化为
数 。 式 中 1+2μ 项 随 几 何 形 状
对于一长为L、横截面积为A、
dL、dA)将引起电阻R变化dR。通 过对上式的全微分可得dR为
电阻率为ρ的金属丝，其电阻值
R为
R L / A
dR dL L d L dA
A
A
A2
《传感器原理及应用》
第2章 常用传感器工作原理
2.1.1 电阻式传感器的工作原理
一、金属的应变效应
《传感器原理及应用》
第2章 常用传感器工作原理
2.1 电阻式传感器
2.1.1 工作原理 2.1.2 电阻应变片的主要特性 2.1.3 电阻应变片的测量电路 2.1.4 电阻应变式传感器的应用
《传感器原理及应用》
第2章 常用传感器工作原理
2.1.1 电阻式传感器的工作原理
应变效应
应变式传感器的核心元
第2章 常用传感器工作原理
2.1.1 电阻式传感器的工作原理
一、金属的应变效应
《传感器原理及应用》
第2章 常用传感器工作原理
2.1.1 电阻式传感器的工作原理
二、半导体的压阻效应
半导体材料敏感条电阻
半导体应变片又称为压阻式传 感器。
基于半导体材料的压阻效应而
率的相对变化值与其在轴向
所受的应力之比为一常数。
第2章 常用传感器工作原理
《传感器原理及应用》
应变片用于各种电子衡器
第2章 常用传感器工作原理
电子天平
磅秤
《传感器原理及应用》
材料应变的测量
第2章 常用传感器工作原理
斜拉桥上的斜拉 绳应变测试
《传感器原理及应用》
第2章 常用传感器工作原理
汽车衡称重系统
《传感器原理及应用》
汽车衡称重 系统
第2章 常用传感器工作原理
定义：KS为金属丝的灵敏系 数，表示单位应变所引起的电阻 的相对变化，则有
则轴向应变和径向应变的关系为 εy=-μεx μ为金属材料的泊松系数。
KS
dR R
/x
(1 2)
d
/x
《传感器原理及应用》
第2章 常用传感器工作原理
2.1.1 电阻式传感器的工作原理
一、金属的应变效应
KS
可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；
力、压 力、位
移
弹性 敏感 元件
电阻 应变 片
R
电桥 电路
U
工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力作用下电 阻值变化的效应——电阻应变效应 结构简单，使用方便 易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测； 灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；
《传感器原理及应用》
F
灵敏系数KS受两个因素影响： （1）应变片受力后材料几何 尺寸的变化， 即1+2μ； （2）应变片受力后材料的电 阻率的变化，即（dρ/ρ）/ εx 。
金属材料： 灵敏度系数表达式中1+2μ的值 要比(dρ/ρ)/εx大得多。
《传感器原理及应用》
l+ dl
金属丝的应变效应
应变是量纲为1的数。通 常应变很小，常用10-6来表示。 例如，当应变为0.000001时， 在工程中常表示为1×10-6或 μm/m。在应变测量中，也常 称为微应变。
dR R
（1 2 ) x
d
而变化，πlE项为压阻效应， 随电阻率而变化。
《传感器原理及应用》
第2章 常用传感器工作原理
2.1.1 电阻式传感器的工作原理
二、半导体的压阻效应
实验证明πlE比1+2μ大近百倍， 所以1+2μ可以忽略，因而半导体应
变片的灵敏系数：
KB
dR R
/x
lE
根据应力σ和应变ε的关系: 应力σ=εE，σ∝ε， 应变ε∝dR，σ∝dR。
通过弹性元件，可将应力转 换为应变，这是应变式传感器测 量应力的基本原理。
《传感器原理及应用》
第2章 常用传感器工作原理
2.1.1 电阻式传感器的工作原理
一、金属的应变效应
KS
(1
2)
d
/x
F
l
2r 2(r-dr)
Leabharlann BaidudR R
/x
(1 2)
d
/x
F
l
2r 2(r-dr)
F
确定的金属材料，(1+2μ)项 是 常 数 ， 其 数 值 约 在 1~2 之 间 ， 实验证明dρ/ρ╱εx 也是常数。
dR R
KS x ，KS
dR R
/ x
金属的电阻相对变化与应
变成正比关系。
l+ dl
金属丝的应变效应
第2章 常用传感器工作原理
《传感器原理及应用》
第2章 常用传感器工作原理
第2章 常用传感器
§2.1 电阻式传感器 §2.2 电感式传感器 §2.3 电容式传感器 §2.4 压电式传感器 §2.5 磁电式传感器 §2.6 光电式传感器 §2.7 热电式传感器
《传感器原理及应用》
电阻式传感器概述
第2章 常用传感器工作原理
按材料分类：
引线 覆盖层
电阻 金属电阻应变片
基片
应变片 半导体电阻应变片
按结构分类：
单片、双片、特殊形状
按使用环境分类：
高温、低温、高压、磁场、水下
一、金属电阻应变片
金属应变片：丝式 箔式 薄膜式
金属丝
金属丝应变片结构
半导体应变片的灵敏系数比 金属丝式的高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，使应用范围受到 一定的限制。
半导体应变片的优点： 体积小，灵敏度高，频率 响应范围宽，输出幅值大，不 需要放大器，可直接与记录仪 连接，使测量系统简单。
《传感器原理及应用》
第2章 常用传感器工作原理
件：电阻应变片，试件上的
应力变化转换成电阻变化。 F
l
2r 2(r-dr)
F
应变效应:导体或半导体在
受到外界力的作用时，产生机械
l+ dl
变形，机械变形导致其阻值变化，
金属丝的应变效应
这种因形变而使阻值发生变化的
如果对电阻丝长度作用均匀
现象称为应变效应。
应力，则ρ、L、A的变化(dρ、
一、金属的应变效应
l
2r 2(r-dr)
若电阻丝是圆形的，则A=πr ²,
对r 微分得dA=2πr dr，则 F
F
dA A
2rdr r 2
2
dr r
令dL / L x — 金属的轴向应变 dr / r y — 金属的径向应变
在弹性范围内金属丝受拉力 时，沿轴向伸长，沿径向缩短，
l+ dl
金属丝的应变效应
即
压阻效应
制成的一种纯电阻性元件。
压阻效应：
几何形状
d
l
l E x
半导体材料的电阻率随作用应 力的变化而发生变化的现象。
dR R
（1
2
l E) x
当半导体材料受轴向力作用时，
πl 半 导 体 材 料 的 压 阻 系
电阻相对变化为
数 。 式 中 1+2μ 项 随 几 何 形 状
对于一长为L、横截面积为A、
dL、dA)将引起电阻R变化dR。通 过对上式的全微分可得dR为
电阻率为ρ的金属丝，其电阻值
R为
R L / A
dR dL L d L dA
A
A
A2
《传感器原理及应用》
第2章 常用传感器工作原理
2.1.1 电阻式传感器的工作原理
一、金属的应变效应
《传感器原理及应用》
第2章 常用传感器工作原理
2.1 电阻式传感器
2.1.1 工作原理 2.1.2 电阻应变片的主要特性 2.1.3 电阻应变片的测量电路 2.1.4 电阻应变式传感器的应用
《传感器原理及应用》
第2章 常用传感器工作原理
2.1.1 电阻式传感器的工作原理
应变效应
应变式传感器的核心元
第2章 常用传感器工作原理
2.1.1 电阻式传感器的工作原理
一、金属的应变效应
《传感器原理及应用》
第2章 常用传感器工作原理
2.1.1 电阻式传感器的工作原理
二、半导体的压阻效应
半导体材料敏感条电阻
半导体应变片又称为压阻式传 感器。
基于半导体材料的压阻效应而
率的相对变化值与其在轴向
所受的应力之比为一常数。
第2章 常用传感器工作原理
《传感器原理及应用》
应变片用于各种电子衡器
第2章 常用传感器工作原理
电子天平
磅秤
《传感器原理及应用》
材料应变的测量
第2章 常用传感器工作原理
斜拉桥上的斜拉 绳应变测试
《传感器原理及应用》
第2章 常用传感器工作原理
汽车衡称重系统
《传感器原理及应用》
汽车衡称重 系统
第2章 常用传感器工作原理
定义：KS为金属丝的灵敏系 数，表示单位应变所引起的电阻 的相对变化，则有
则轴向应变和径向应变的关系为 εy=-μεx μ为金属材料的泊松系数。
KS
dR R
/x
(1 2)
d
/x
《传感器原理及应用》
第2章 常用传感器工作原理
2.1.1 电阻式传感器的工作原理
一、金属的应变效应
KS
可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；
力、压 力、位
移
弹性 敏感 元件
电阻 应变 片
R
电桥 电路
U
工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力作用下电 阻值变化的效应——电阻应变效应 结构简单，使用方便 易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测； 灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；
《传感器原理及应用》
F
灵敏系数KS受两个因素影响： （1）应变片受力后材料几何 尺寸的变化， 即1+2μ； （2）应变片受力后材料的电 阻率的变化，即（dρ/ρ）/ εx 。
金属材料： 灵敏度系数表达式中1+2μ的值 要比(dρ/ρ)/εx大得多。
《传感器原理及应用》
l+ dl
金属丝的应变效应
应变是量纲为1的数。通 常应变很小，常用10-6来表示。 例如，当应变为0.000001时， 在工程中常表示为1×10-6或 μm/m。在应变测量中，也常 称为微应变。
dR R
（1 2 ) x
d
而变化，πlE项为压阻效应， 随电阻率而变化。
《传感器原理及应用》
第2章 常用传感器工作原理
2.1.1 电阻式传感器的工作原理
二、半导体的压阻效应
实验证明πlE比1+2μ大近百倍， 所以1+2μ可以忽略，因而半导体应
变片的灵敏系数：
KB
dR R
/x
lE
根据应力σ和应变ε的关系: 应力σ=εE，σ∝ε， 应变ε∝dR，σ∝dR。
通过弹性元件，可将应力转 换为应变，这是应变式传感器测 量应力的基本原理。
《传感器原理及应用》
第2章 常用传感器工作原理
2.1.1 电阻式传感器的工作原理
一、金属的应变效应
KS
(1
2)
d
/x
F
l
2r 2(r-dr)
Leabharlann BaidudR R
/x
(1 2)
d
/x
F
l
2r 2(r-dr)
F
确定的金属材料，(1+2μ)项 是 常 数 ， 其 数 值 约 在 1~2 之 间 ， 实验证明dρ/ρ╱εx 也是常数。
dR R
KS x ，KS
dR R
/ x
金属的电阻相对变化与应
变成正比关系。
l+ dl
金属丝的应变效应
第2章 常用传感器工作原理
《传感器原理及应用》
第2章 常用传感器工作原理
第2章 常用传感器
§2.1 电阻式传感器 §2.2 电感式传感器 §2.3 电容式传感器 §2.4 压电式传感器 §2.5 磁电式传感器 §2.6 光电式传感器 §2.7 热电式传感器
《传感器原理及应用》
电阻式传感器概述
第2章 常用传感器工作原理