应变式力传感器示意图
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电阻应变式传感器的工作原理PPT课件
变时非线性比较严重等缺点。
2021
二、电阻应变片的材料 对敏感栅的材料的要求：
①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数； ②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片； ③电阻温度系数要小； ④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强； ⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度； ⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材； ⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。 对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。 具体材料见P65-66
2021
3）应变片测试原理 在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变
片随着发生相同的变化， 同时应变片电阻值也发生相应
变化。当测得应变片电阻值变化量为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
2021
3、横向效应
金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅， 测量应变时，构件的轴向应变ε使敏感栅电阻发生变化， 其横向应变εr也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化 (除了ε起作用外)，应变片的这种既受轴向应变影响， 又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效 应。
R R K S L L 2 n 2 ( n l L 1 )r K S ( n 2 1 L )r K Sr
令
Ky (n21L)rKS Kx2n l2 (nL1)rKS
则
RRKxKyr
可见，敏感栅电阻的相对变化分别是ε和εr作用的结
果。
2021
当εr=0时，可得轴向灵敏度系数
Kx
一、 电阻应变片的种类
1.丝式应变片 金属丝式应变片有回线式和短接式二种，如图2.3所示。
但回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘 贴，但其应变横向效应较大。
第2章 应变式传感器1
2.6金属丝式应变传感器的应用
1、柱式力传感器
弹性元件可分为实心和空心两种在轴向布置一个或几个应变，在圆 周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，从而构成 差动对。
1
2
[(1 ) (1 ) cos 2 ]
F SE
1
F 2 1 SE
2.6金属丝式应变传感器的应用
3、应变式压力传感器
应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力, 如动力管 道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力、 枪管及炮管内部的 压力、内燃机管道的压力等。 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。 下图为膜片式压力传感器，应变片贴在膜片内壁，在压力p作用下，膜片 产生径向应变εr和切向应变εt，表达式分别为
1、测量原理
R1 R4 R2 R3 Ig E Rg ( R1 R2 )( R3 R4 ) R1 R2 ( R3 R4 ) R3 R4 (R1 R2 )
U g I g Rg E ( R1 R4 R2 R 3 ) 1 ( R1 R2 )(R 3 R4 ) [ R1 R2 (R 3 R4 ) R 3 R4 ( R1 R2 )] Rg
E R1 Uo 2 R1
2.5电阻应变片的温度误差及其补偿
1、温度误差产生的原因
（1）温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变
(
（2）敏感栅材料与被测试件的线膨胀系数不同引起的电阻变化 R ( ) 2 K ( e g )t R
温度变化引起的总电阻变化为 R R R ( )t ( )1 ( ) 2 t t K ( e g )t R R R 相应的虚假应变为
应变式传感器
图2-2-6 交流电桥的调幅特性
2、二极管相敏检波电路 T1的一次侧 输入调幅波ui，T2 的一次侧输入参 考电压ur，ur可直 接取自载波，它 与ui频率相同， 相位相同或相反， 比ui幅度大3～5 倍。变压器的极 性标定如图所示。
图2-2-7 二极管相敏检波电路
具体分析： A.当调制信号为正时，ui与载波相位相同，故ur 与ui相位也相同。 1)在ui的正半周时， ur给二极管VD3、 VD4正向偏置使之 导通，给VD1、VD2 反向偏置使之截止。 信号路径如→所示。
汽 车 衡
2、应变式压力传感器
应变式压力传感器主要用来测量流动介质的 动态或静态压力。如动力管道设备的进出口气体 或液体的压力、发动机内部的压力变化, 枪管及 炮管内部的压力、内燃机管道压力等。应变片压 力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。应变 4～107Pa之间。 式压力传感器的测量范围在10图 2-2-8 所示为膜片式压力传感器, 应变片 贴在膜片内壁, 在压力p作用下, 膜片产生径向应 变εr和切向应变ετ。
25
25 25 15 25
4、应变片主要技术指标（续）
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）。
5、金属电阻应变片的材料
2)在ui的负半周时， ur为正，VD3、VD4 导通，VD1、VD2截 止。信号路径如→ 所示。
电流仍为上负下正
相敏检波的特点：
1）相敏检波输出信号的极性与调制信号极性相同，即能
识别方向； 2）相敏检波输出信号的幅值与调制信号的幅值相同，即
《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 。
应变片式压力传感器.pptx
一、应变片压力传感器
1—应变筒； 2— 外 壳 ； 3—密封膜片
图1 应变片压力传感器示意图
谢谢大家！专业专注源自专心《化工仪表与自动化控制》
——应变片式压力传感器
工作单位：山东轻工职业学院
主讲：石飞
一、应变片压力传感器
应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。电阻应变片有金属和半 导体应变片两类，被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩（拉伸） 应变时，其阻值减小（增加），再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输 出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力 计。
力传感器
2020/3/1
2020/3/1
1．应变式称重传感器的工作原理
电阻应变式称重传感器由弹性元件、应 变片和外壳组成。
弹性元件是称重传感器的基础，被测物 的重量作用在弹性元件上，使其在某一部位产 生较大的应变或位移；弹性元件上的应变片作 为传感元件，将弹性元件敏感的应变量或位移 完全地同步地转换为电阻值的变化量，转换成 电信号，完成了重力的测量。
这种测量方法简单、方便，成本低。 但容易损坏，受环境影响大，使用寿命短 。长期使用时，零点漂移大，需要在使用 前调节零点。
2020/3/1
方案二：在本课题中也
可以直接采用电子吊秤的方 法（课题二介绍）。购买电 子吊秤接在起重设备下，可 实现货物在线装卸测量、在 线称重，随时改变称量地点 ，可实现分次分批称重，提 高效率，但成本较高。
2020/3/1
[任务实施]
方案一：测量、控制起重设备吊运货物 的重量，可以采用在吊钩的圆柱壁上粘贴应 变片的方法，检测起吊重量。
测量吊运货物的重量， 量程较大，一般在吊钩的圆 柱壁上横竖各粘贴一片应变
片，组成双臂半桥电路。
2020/3/1
为应变电桥提供±2V稳压电源，电桥 输出信号接入差动直流放大电路，测量输 出电压。根据输出电压值可以推算出应力 的大小，即重力。也可以使用应变片专用 测量仪—电阻应变仪进行检测。
❖ 半导体应变计应用较普遍的有体型、薄膜型、 扩散型、外延型等。体型半导体应变计是将 晶片按一基片 定取向切片、研带磨状引、线 再切割P-Si 成细条, 粘贴于基片上制作而成。几种体型半导体应 变计示意图如图所示。
晶片
N-Si
电阻应变式传感器的测量电路
应变电阻变化是极其微弱的，电阻 相对变化率仅为0.2%左右。例如：应变 电阻为300Ω，电阻变化量为0.6Ω，要 精确地测量这么微小的电阻变化是非常 困难的。通常采用惠斯登电桥电路进行 测量，将电阻相对变化△R/R，转换为 电压的变化，再用测量仪表应变式传感 器测量电路便可以简单方便地进行测量。
2020/3/1
1．应变式称重传感器的工作原理
电阻应变式称重传感器由弹性元件、应 变片和外壳组成。
弹性元件是称重传感器的基础，被测物 的重量作用在弹性元件上，使其在某一部位产 生较大的应变或位移；弹性元件上的应变片作 为传感元件，将弹性元件敏感的应变量或位移 完全地同步地转换为电阻值的变化量，转换成 电信号，完成了重力的测量。
这种测量方法简单、方便，成本低。 但容易损坏，受环境影响大，使用寿命短 。长期使用时，零点漂移大，需要在使用 前调节零点。
2020/3/1
方案二：在本课题中也
可以直接采用电子吊秤的方 法（课题二介绍）。购买电 子吊秤接在起重设备下，可 实现货物在线装卸测量、在 线称重，随时改变称量地点 ，可实现分次分批称重，提 高效率，但成本较高。
2020/3/1
[任务实施]
方案一：测量、控制起重设备吊运货物 的重量，可以采用在吊钩的圆柱壁上粘贴应 变片的方法，检测起吊重量。
测量吊运货物的重量， 量程较大，一般在吊钩的圆 柱壁上横竖各粘贴一片应变
片，组成双臂半桥电路。
2020/3/1
为应变电桥提供±2V稳压电源，电桥 输出信号接入差动直流放大电路，测量输 出电压。根据输出电压值可以推算出应力 的大小，即重力。也可以使用应变片专用 测量仪—电阻应变仪进行检测。
❖ 半导体应变计应用较普遍的有体型、薄膜型、 扩散型、外延型等。体型半导体应变计是将 晶片按一基片 定取向切片、研带磨状引、线 再切割P-Si 成细条, 粘贴于基片上制作而成。几种体型半导体应 变计示意图如图所示。
晶片
N-Si
电阻应变式传感器的测量电路
应变电阻变化是极其微弱的，电阻 相对变化率仅为0.2%左右。例如：应变 电阻为300Ω，电阻变化量为0.6Ω，要 精确地测量这么微小的电阻变化是非常 困难的。通常采用惠斯登电桥电路进行 测量，将电阻相对变化△R/R，转换为 电压的变化，再用测量仪表应变式传感 器测量电路便可以简单方便地进行测量。
电阻传感器(应变片修改)
金属丝式应变片，金属丝易脱胶，逐渐 被箔式所取代。但金属丝式应变片价格便宜， 多用于大批量、一次性试验。
箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻 、腐蚀等工艺制成的。箔式应变片与片基的接 触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量 时的蠕变较小，一致性较好，目前广泛用于各 种应变式传感器中。
金属丝式应变片的 结构
a）圆片型热敏电阻 b）柱型热敏电阻 c）珠型
热敏电阻 d）铠装型 e）厚膜型 f）图形符号
1—热敏电阻
2—玻璃外壳 3—引出线
4—紫铜外壳 5—传热安装孔
PTC热敏电阻
PTC热敏电阻属于临界温度型（CTR）。 当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降， 可用于各种电子电路中抑制浪涌电流。大功率 PTC还可用作暖风机中的加热元件。
第二类：是将应变片贴于被测试件上，然后将其 接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试 件的应变量。
应变式力传感器
F
F
F
F
S型力传感器
各种悬臂梁
各种悬臂梁
F
F
固定点
固定点
电缆
应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形
应变式荷重传感器的外形及
应变片的粘贴位置
F
R4
R
R1
2
应变式荷重传感器外形及受力位置（续）
为0.2。
所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小
的变化量，将R
2021/7/22
/R转换为输出电压Uo。
33
什么是电桥
不平衡电桥由四个电阻R1、R2、R3、R4组成 一个四边形的回路，每一边称作电桥的“桥臂”。 有4个结点。在a、c结点之间接入电源Ui，而另一 对结点(b、d)之间的电压差作为输出电压端Uo 。 b、d的对地电压相等时称作 “电桥平衡”；反之， 称作“电桥不平衡”。 电桥平衡的条件是： 上下桥臂的左右位置 电阻比例相等。
箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻 、腐蚀等工艺制成的。箔式应变片与片基的接 触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量 时的蠕变较小，一致性较好，目前广泛用于各 种应变式传感器中。
金属丝式应变片的 结构
a）圆片型热敏电阻 b）柱型热敏电阻 c）珠型
热敏电阻 d）铠装型 e）厚膜型 f）图形符号
1—热敏电阻
2—玻璃外壳 3—引出线
4—紫铜外壳 5—传热安装孔
PTC热敏电阻
PTC热敏电阻属于临界温度型（CTR）。 当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降， 可用于各种电子电路中抑制浪涌电流。大功率 PTC还可用作暖风机中的加热元件。
第二类：是将应变片贴于被测试件上，然后将其 接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试 件的应变量。
应变式力传感器
F
F
F
F
S型力传感器
各种悬臂梁
各种悬臂梁
F
F
固定点
固定点
电缆
应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形
应变式荷重传感器的外形及
应变片的粘贴位置
F
R4
R
R1
2
应变式荷重传感器外形及受力位置（续）
为0.2。
所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小
的变化量，将R
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/R转换为输出电压Uo。
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什么是电桥
不平衡电桥由四个电阻R1、R2、R3、R4组成 一个四边形的回路，每一边称作电桥的“桥臂”。 有4个结点。在a、c结点之间接入电源Ui，而另一 对结点(b、d)之间的电压差作为输出电压端Uo 。 b、d的对地电压相等时称作 “电桥平衡”；反之， 称作“电桥不平衡”。 电桥平衡的条件是： 上下桥臂的左右位置 电阻比例相等。
应变式传感器的基本知识
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； 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。
？当E值确定后，n取何值时才能使KU最高？
01
02
分析：
01
引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。
原理：金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化。
K
电流: 小
施加力F
?
R
K接通时
安培表指示
安培表变化
电阻：大—>小
让我们来做个应变效应的实验Go!!!
荷重传感器原理演示
§4.3 电阻应变式传感器
荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。
01
对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。
产生的原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。
如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。
半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件 。当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率会发生变化。
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。
半导体应变片的突出优点是体积小，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。但其温度系数大，应变时非线性较严重。
应变式传感器原理及应用
e为弹性模量r3r1r5r7f截面积sr5r6r7r8u0r8r6r2r42r2r1r3r4u01a圆柱面展开图b桥路连接柱式力传感器应变片的粘贴与桥路连接f一柱式力传感器常用应变式传感器弹性元件上应变片的粘贴和电桥连接应尽可能消除偏心和弯矩的影响一般将应变片对称地贴在应力均匀的圆柱表面中部构成差动对且处于对臂位置以减小弯矩的影响
2. 第一对称电桥 3.第二对称电桥
1、等臂电桥 当R1=R2=R3=R4=R时，称为等臂电桥。 此时电桥输出可写为 RR1 R2 R3 R4 R1R4 R2 R3 Ug E 2R R1 R2 2R R3 R4
一般情况下，ΔRi（i=1，2，3，4）很小，即R>>ΔRi， R 略去上式中的高阶微量，并利用 式得到 : K R
金属丝式应变片的基本结构
4 3
2.1 金属应变式传感器
基底2和盖片3
2 1
基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置， 盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保
护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底
宽。
金属丝式应变片的基本结构
4 3
2.1 金属应变式传感器
引线4
2 1
是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。 对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、 抗氧化性能好、易于焊接。 大多数敏感栅材料都可制作引线。
R1 R R4 R2 R3 Ug E R1 R R2 R3 R4
设电桥各臂均有相应的电阻增量ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4 时,
R1 R1 R4 R4 R2 R2 R3 R3 Ug E R1 R1 R2 R2 R3 R3 R4 R4
2. 第一对称电桥 3.第二对称电桥
1、等臂电桥 当R1=R2=R3=R4=R时，称为等臂电桥。 此时电桥输出可写为 RR1 R2 R3 R4 R1R4 R2 R3 Ug E 2R R1 R2 2R R3 R4
一般情况下，ΔRi（i=1，2，3，4）很小，即R>>ΔRi， R 略去上式中的高阶微量，并利用 式得到 : K R
金属丝式应变片的基本结构
4 3
2.1 金属应变式传感器
基底2和盖片3
2 1
基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置， 盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保
护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底
宽。
金属丝式应变片的基本结构
4 3
2.1 金属应变式传感器
引线4
2 1
是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。 对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、 抗氧化性能好、易于焊接。 大多数敏感栅材料都可制作引线。
R1 R R4 R2 R3 Ug E R1 R R2 R3 R4
设电桥各臂均有相应的电阻增量ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4 时,
R1 R1 R4 R4 R2 R2 R3 R3 Ug E R1 R1 R2 R2 R3 R3 R4 R4
应变式力传感器示意图课件
n 产生机械滞后的原因，主要是金属丝、粘结剂和 基底在承受机械应变后都留有残余变形。
n 零漂：已粘贴的应变片，在温度保持恒定、试件 上没有应变的情况下，应变片的指示应变会随时 间的增长而逐渐变化，此变化就是应变片的零点 漂移。
n 蠕变：已粘贴的应变片，在温度保持恒定时，承 受某一恒定机械应变长时间的作用，应变片的指 示应变会随时间而变化。
n 当温度在-200℃--0℃范围内时，铂热电阻和温度 的关系为
当温度在0℃--850℃范围内时，铂热电阻和温度 的关系为
n 式中 t —摄氏温标下的温度值；
Rt—t℃时的阻值； R0—0℃时的阻值；
A— 常数，
B— 常数，
C— 常数，
n 2 铜热电阻传感特性 n 铜热电阻的温度系数比铂热电阻大，价格低，而
n 温度改变引起电阻变化的主要因素有二：其一是应 变片电阻丝的温度系数；其二是电阻丝材料与试件 材料的线膨胀系数不同。
n 5 应变极限
n 指当温度一定时，指示应变和真实应变的相对差值 不超过一定数值时的最大真实应变数值。一般规定 此差值为10％，即指示应变数值为真实应变的90％ 时的真实应变值称为应变片的极限。
但是在输出结果中还存在始终等于同相输入Ui+
的另一项，这使得输出电压与差分输入电压呈
非线性关系。
n 图2-34为改进的差动放大电路。利用虚短和虚 断的概念，得到Uo的表达式为
n 令Z2＝Z1，Z3=Zf
n 2.1.3 电阻应变片的主要特性
n 1 灵敏系数
n 灵敏系数为应变片的电阻相对变化与试件主应力 方向的应变之比。
n 电阻应变片的灵敏系数与单纯的电阻丝的灵敏系 数是不相同的,原因：
(1) 试件的形变是通过剪力传到敏感栅上的。
n 零漂：已粘贴的应变片，在温度保持恒定、试件 上没有应变的情况下，应变片的指示应变会随时 间的增长而逐渐变化，此变化就是应变片的零点 漂移。
n 蠕变：已粘贴的应变片，在温度保持恒定时，承 受某一恒定机械应变长时间的作用，应变片的指 示应变会随时间而变化。
n 当温度在-200℃--0℃范围内时，铂热电阻和温度 的关系为
当温度在0℃--850℃范围内时，铂热电阻和温度 的关系为
n 式中 t —摄氏温标下的温度值；
Rt—t℃时的阻值； R0—0℃时的阻值；
A— 常数，
B— 常数，
C— 常数，
n 2 铜热电阻传感特性 n 铜热电阻的温度系数比铂热电阻大，价格低，而
n 温度改变引起电阻变化的主要因素有二：其一是应 变片电阻丝的温度系数；其二是电阻丝材料与试件 材料的线膨胀系数不同。
n 5 应变极限
n 指当温度一定时，指示应变和真实应变的相对差值 不超过一定数值时的最大真实应变数值。一般规定 此差值为10％，即指示应变数值为真实应变的90％ 时的真实应变值称为应变片的极限。
但是在输出结果中还存在始终等于同相输入Ui+
的另一项，这使得输出电压与差分输入电压呈
非线性关系。
n 图2-34为改进的差动放大电路。利用虚短和虚 断的概念，得到Uo的表达式为
n 令Z2＝Z1，Z3=Zf
n 2.1.3 电阻应变片的主要特性
n 1 灵敏系数
n 灵敏系数为应变片的电阻相对变化与试件主应力 方向的应变之比。
n 电阻应变片的灵敏系数与单纯的电阻丝的灵敏系 数是不相同的,原因：
(1) 试件的形变是通过剪力传到敏感栅上的。
检测与传感第三章(3)
全桥差动
Uo E KU E R1 R1
有非线性误差
无非线性误差；电桥 电压灵敏度是单臂工 作时的两倍；
无非线性误差；电 压灵敏度为单臂工 作时的4倍；
3.4.2 交流电桥 实际中，交流电桥的应用也非常广泛。
图 交 流 电 桥 一 般 形 式
U为交流电压源， 由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得 二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于并联一个电容。
应变式数显扭矩扳手
第三章 习题
3-1 什么是应变效应？什么是压阻效应？利用应变效应和压阻效应解 释金属电阻应变片和半导体应变片的工作原理。
答：金属材料在受到外力作用时，产生机械变形，导致其阻值发生 变化的现象叫金属材料的应变效应；半导体材料在受到应力作用后， 其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。 d
R1 R1 0.2 120 0.17%
(2) 若将电阻应变片置于单臂测量桥路中，则
U0 E R1 3 0.0017 1.25mV 4 R1 4
R1 2 R1 非线性误差： l 0.085% R1 1 2 R1 （3）若要减小非线性误差，可采用半桥或全桥差动电路。 半桥差动电路的输出电压是单臂测量的两倍2.5mV，非线性误 差为0； 全桥差动电路的输出电压是单臂测量的四倍5mV ，非线性误 差也为0。
检测与传感技术
上节内容复习
3. 应变式传感器
1. 弹性敏感元件的基本特性 刚度（C） & 灵敏度（S） 2. 应变片的特性 （1）应变片电阻值 （3）横向效应 （2）应变片的灵敏系数K （4）绝缘电阻和最大工作电流 电阻温度系数的影响 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响
Rt R R R0 R0 0 t K 0 ( g s ) t [ 0 K 0 ( g s )]t
应变式传感器及其应用
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。
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
2.1.2 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
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。
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。
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
2.1.2 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
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。
第2章 应变传感器
RL
U0
-
R3
D
R4
输出电压为：
电压灵敏度为：
U0= E
R1
U0= E
应变式传感器的应用
一 应变式力传感器
柱（筒）式力传感器
作为各种电子秤与材料试验机的测力元件、发动机的推 力测试、水坝坝体承载状况监测
应变片粘贴要求： 应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分， 对称粘贴多片。 应变片接线要求： 采用电桥连接方式，横向粘贴的应变片起温度补偿的作用。
E——试件材料的弹性模量。
由此可知, 应力值σ正比于应变ε, 而试件应变ε正比于电阻
值的变化, 所以应力σ正比于电阻值的变化, 这就是利用应变片 测量应变的基本原理。
二
应变片特性
金属电阻应变片 电阻应变片的种类 半导体电阻应变片 金属应变片组成 敏感栅、 基片、 覆盖层和引线等部分 敏感栅是应变片的核心部分, 它粘贴在绝缘的基片上, 其
测量流动介质的动态和静态 压力，如动力管道设备的进 出口气体或液体的压力、 发动机内部的压力、枪管及 炮管内部的压力、内燃机管 道的压力
R1R4切向粘贴， R2R3在边缘处径向 粘贴构成全桥电路
三
应变式容器内液体重量传感器
微压传感器
电阻应变片
传压杆
感压膜 h
可以测量容器内储存 的溶液重量及液位。
当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大，将其 上两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路。 输出电压为：
4力敏荷重传感器
5支点；6减速电机；7环行皮带；8料仓。
通过放大器将测得的毫伏信号放大，再送入调 节器，与物料流量给定值进行比较后，通过控制装 置去自动调节给料机的给料量。当实测流量低时， 调节器使给料机增加给料量，直至实际流量与给定 流量相等，调节器就保持不变，反之亦然。依次循 环，达到了物料连续计量与自动调节给料量的目的。
2.1 应变式传感器-wl-1
用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用 下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化， 同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化 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
式中： σ——试件的应力; E——试件材料的弹性模量;
−
R3 ] R3 + R4
R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR
U
＝U 02
R
R
严格的线性关系
电桥灵敏度比单臂时提高一倍
43
2 1
b
l
栅长
栅宽
典型的电阻应变片结构示意图
应变片的基本结构 金属箔式应变片
2.1 金属应变式传感器
利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度 一般在0.003~0.010 mm，粘贴在基片上，上面再覆盖 一层薄膜而制成。
应变片的基本结构
2.1 金属应变式传感器
金属箔式应变片和丝式应变片相比较，有如下特点。
①金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的 应力状态更为接近。其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时， 箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工 作。第三，箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测 量的精度。
②箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，因 而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。
③ 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为 两者之差。
④ 电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻 应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工 作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。
⑤ 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。
σ=E·ε
式中： σ——试件的应力; E——试件材料的弹性模量;
−
R3 ] R3 + R4
R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR
U
＝U 02
R
R
严格的线性关系
电桥灵敏度比单臂时提高一倍
43
2 1
b
l
栅长
栅宽
典型的电阻应变片结构示意图
应变片的基本结构 金属箔式应变片
2.1 金属应变式传感器
利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度 一般在0.003~0.010 mm，粘贴在基片上，上面再覆盖 一层薄膜而制成。
应变片的基本结构
2.1 金属应变式传感器
金属箔式应变片和丝式应变片相比较，有如下特点。
①金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的 应力状态更为接近。其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时， 箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工 作。第三，箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测 量的精度。
②箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，因 而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。
③ 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为 两者之差。
④ 电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻 应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工 作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。
⑤ 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。
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6 电阻应变片的动态响应特性 动态应变是以应变波的形式在试件中传播的，
它的传播速度V与声波相同。
图2-4 应变波
2.1.4 电阻应变片的粘贴技术
应变片的粘贴步骤如下： (1) 应变片的检查与选择。 (2) 试件的表面处理。 (3) 底层处理。 (4) 贴片。 (5) 固化。 (6) 粘贴质量检查。 (7) 引线焊接与组桥连线。
产生机械滞后的原因，主要是金属丝、粘结剂和 基底在承受机械应变后都留有残余变形。
零漂：已粘贴的应变片，在温度保持恒定、试件 上没有应变的情况下，应变片的指示应变会随时 间的增长而逐渐变化，此变化就是应变片的零点 漂移。
蠕变：已粘贴的应变片，在温度保持恒定时，承 受某一恒定机械应变长时间的作用，应变片的指 示应变会随时间而变化。
面应变
l
dl l
r
dA A
2
dr rBiblioteka 2 负号表示面应变与线应变成正比，但是变化方
向相反。
综合得
dr / r dr / r
dl / l
R R
l l
(1 2)
(1 2
/ ) l
l / l l
K0
2.1.2 电阻应变片的结构、种类
l
F AE
r
F AE
图2-5 实心轴力敏感器
图2-6所示为采用实心轴力敏感器的电阻应变 式力传感器，是通过将应变片粘贴到受力的实 心轴力敏感器上而构成的。
图2-6 应变式力传感器示意图
2.2 其它电阻式传感器
2.2.1 压阻式传感器
半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生 变化，这种现象称为“压阻效应”。
2.1.5 电阻应变片的典型应用举例 电阻应变片主要有以下两种应用方式： 1) 被测量为应变 2) 被测量为除应变外的其他非电量 力可以通过实心轴、空心轴、悬臂梁、双端固
支梁等结构型式的敏感器转换为应变。 如图2-5所示为实心轴，通过材料力学知识的
推导，可得轴向应变和径向应变分别为
1 电阻应变片的结构
电阻应变片的结构如图所示，由敏感栅(金属 丝或箔)、基底、覆盖层、粘合剂、引出线等 组成。
图2-2 金属电阻应变片的结构
2 电阻应变片的种类 按敏感栅的结构形式，金属电阻应变片可分为
丝式、箔式、薄膜式等。
图2-3 金属应变片的结构形式
2.1.3 电阻应变片的主要特性
2 横向效应
横向效应：沿应变片轴向的应变 x 必然引起应 变片电阻的相对变化，而沿垂直于应变片轴向的 横向应变 y 也会引起其电阻的相对变化。
3 机械滞后，零漂及蠕变
应变片安装在试件上以后，通过实验，在一定的 温度下，在零到某一指定应变之间的应变范围内， 作出应变片电阻相对变化与试件机械应变之间加 载和卸载的特性曲线，二者并不重合，这种现象 称为应变片的机械滞后。
压阻式传感器的优点是：
①灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直 接用于测量；
②分辨率高，测压力时可测10Pa至20Pa的微压；
③元件有效面积可做得很小，故频率响应高；
④可测量低频加速度与直线加速度。
压阻式传感器的最大缺点是温度误差较大。
2.2.2 热电阻
利用电阻随温度变化的特性制成的传感器叫做电 阻式温度传感器，按采用的电阻材料可分为金属 热电阻和半导体热敏电阻两大类。
电阻式传感器的基本原理是依据某种物理、化学 或生物效应将某种非电量的变化转换成传感元件 电阻值的变化，再经过转换电路将电阻值的变化 变成电信号输出，从而完成非电量的电测量。
电阻式传感器的类型包括热电阻、应变片、热敏 电阻、湿敏电阻、光敏电阻、气敏电阻等。
2.1 电阻应变片
2.1.1 电阻应变片的工作原理——应变效应
d
设E为半导体材料的弹性模量
F E
A
同样，由电阻定律表达式可推出半导体材料压
阻效应的定量表达式
R R
dR R
[(1
2) E]
Ks
对于半导体材料 E (1 2) ，因此
R R
E
Ks
依据半导体的压阻效应，制成两类传感器。一类 是利用半导体材料的体电阻制成粘贴式应变片， 制作成半导体应变式传感器。另一类是在半导体 材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，作 为测量传感元件，亦称扩散型压阻式传感器。
1 灵敏系数
灵敏系数为应变片的电阻相对变化与试件主应力 方向的应变之比。
电阻应变片的灵敏系数与单纯的电阻丝的灵敏系 数是不相同的,原因：
(1) 试件的形变是通过剪力传到敏感栅上的。
(2) 栅丝沿长度方向承受纵向应变时，应变片弯角 部分承受横向应变，其截面积变大，则应变片直 线部分电阻增加时，弯角部分的电阻值减少，也 使应变片的灵敏度下降。
在应变片工作时，零漂和蠕变是同时存在的。在 蠕变值中包含着同一时间内的零漂值，这两项指 标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性，在 长时间测量时其意义突出。
4 温度效应
环境温度变化时，会引起粘贴到试件上的电阻应变 片阻值的变化。从电信号方面看，似乎发生了应变， 即产生了虚假应变，这种现象称为温度效应。
温度改变引起电阻变化的主要因素有二：其一是应 变片电阻丝的温度系数；其二是电阻丝材料与试件 材料的线膨胀系数不同。
5 应变极限
指当温度一定时，指示应变和真实应变的相对差值 不超过一定数值时的最大真实应变数值。一般规定 此差值为10％，即指示应变数值为真实应变的90％ 时的真实应变值称为应变片的极限。
制作温度敏感元件的电阻材料要满足以下要求：
①要有尽可能大而且稳定的电阻温度系数；
②电阻率大，以便在同样灵敏度下减小元件尺寸；
电阻应变片基于金属材料的应变效应。因形变而 使其阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。
对于横截面均匀的导体(或半导体)，其电阻为
R L
A
两边进行微分运算，求得其电阻相对变化
dR dl dA d R l A
图2-1 导体受拉伸后的参数变化
轴向线应变或纵向线应变