第3章应变式传感器(教学)
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栅长 栅宽
电阻应变片结构示意图
（4） 粘结剂
用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起 。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件 表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给 应变计的基底和敏感栅。
二、金属应变计的材料
对电阻丝材料应有如下要求：
二、金属应变计的材料
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。
R R R 两边取偏微分，得 dR dl dS d l S
其中 则
R R l R l , 2 , l S S S S
l l dR dl dS d
S S
2
S
l l dR dl dS d
2.ρ 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电阻值。 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。 康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，国内外多以康铜作为应变 丝材料。
三、金属应变计的基本原理
S=π r 2
则
2 S S S 2 dS d r 2 rdr dr 2 2 2 S r r r
l l dSl dR dl 2dS d dl d S S S S SS S l dr l dl 2 d S S r S
dR d dl d ( 1 2 ) ( 1 2 ) R l
r dr dl 其中 / r l
泊松系数是横向线度的相对缩小和纵向线度相对伸长之间 的固定比例，一般材料的μ 为常数。
d / l d / l 则 dR ( 1 2 ) ( 1 2 ) K 0 R
l
dR S 则 R
d dl dr d S r S 2 l l r S dl dr dl d 12 / l r l dl2
l dr l
dRdl drdl d 1 2 / R l r l
第 3章
3.1 3.2 3.3
应变式传感器
3.4应变式传感器应用
第 3章
应变式传感器
力/压力传感器应用广泛、影响面宽，不仅可以测量力 和压力，也可以用于测量负荷、加速度、扭矩、位移等其 他物理量，他们都与机械应力有关，所以把这类传感器称 为力学量传感器。 传统的测量力的方法是利用弹性元件的形变和位移来表 示的，其特点是成本低，不需要电源，但体积大、笨重、 输出为非电量。
电阻应变计，也称应变片，是进行应力和应变测量的关键元件，
电阻应变计按照敏感栅所使用的材料可以分为金属电阻 应变片和半导体电阻应变片两种。
一、金属应变计的结构
金属电阻应变片是一种能将机械构件上应变的变化转换 为电阻变化的传感元件。 由敏感栅1、基底2、覆盖层3、引线4和粘合剂等组 成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因 此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。
应变计
金属应变片
4
3
b 2
1 l
栅长 栅宽
电阻应变片结构示意图
（1） 敏感栅
由金属细丝绕成栅形 。电阻应变片的电阻值为 60Ω 、 120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为Biblioteka Baidu用。
（2） 基底和覆盖层
基底： （1）保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置；
（2）它是将应变传递到敏感栅的中间介质；
（3）起到敏感栅（金属丝）与试件之间的绝缘作用。
4 3 b 2 l
栅长 栅宽
1
电阻应变片结构示意图
由敏感栅1、基底2、覆盖层3、引线4和粘合剂等组 成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因 此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。
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2
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l
栅长
栅宽
电阻应变片结构示意图
应用时将应变片用粘结剂牢固地粘贴在被测试件表面上。 当试件受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，引起应变片 电阻值变化，通过测量电路将其转换为电压或电流信号输出。
dR ——电阻的相对变化 R
dl l
d ——电阻率的相对变化
dS ——金属丝长度的相对变 S 化或轴向应变，用ξ表示
——截面积的相对变化
dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr。 由材料力学知 εr= –με 式中：μ——金属材料的泊松系数
d dr dl 则 dR dl r 1 2 即 / R l r l
当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发 生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。
图 金属的电阻应变效应
设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ 的金属丝，其电 阻R为 l R
S
金属丝的电阻变化与受力后横截面积的变化、长度的变化 和电阻率的变化有关。
图 金属的电阻应变效应
l R S
4
3 b 2 1
l
栅长
栅宽
电阻应变片结构示意图
（2） 基底和覆盖层
覆盖层：既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护 敏感栅。
（3） 引线
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。
4
3
b 2
1 l
后来随着微电子技术发展，利用半导体材料的压阻效应 和弹性与集成电路工艺，研制出了半导体力和压力传感器， 使这类传感器有了长足的进步，而且半导体压力传感器正 向集成化和智能化方向发展。
3.1 工作原理
电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感
器, 传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。 当被测物理量作用在弹性元件上时, 弹性元件的变形引起应变敏 感元件的阻值变化, 通过转换电路将其转变成电量输出, 电量变化的 大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器是目前测量力、 力矩、 压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。
电阻应变片结构示意图
（4） 粘结剂
用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起 。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件 表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给 应变计的基底和敏感栅。
二、金属应变计的材料
对电阻丝材料应有如下要求：
二、金属应变计的材料
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。
R R R 两边取偏微分，得 dR dl dS d l S
其中 则
R R l R l , 2 , l S S S S
l l dR dl dS d
S S
2
S
l l dR dl dS d
2.ρ 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电阻值。 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。 康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，国内外多以康铜作为应变 丝材料。
三、金属应变计的基本原理
S=π r 2
则
2 S S S 2 dS d r 2 rdr dr 2 2 2 S r r r
l l dSl dR dl 2dS d dl d S S S S SS S l dr l dl 2 d S S r S
dR d dl d ( 1 2 ) ( 1 2 ) R l
r dr dl 其中 / r l
泊松系数是横向线度的相对缩小和纵向线度相对伸长之间 的固定比例，一般材料的μ 为常数。
d / l d / l 则 dR ( 1 2 ) ( 1 2 ) K 0 R
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dR S 则 R
d dl dr d S r S 2 l l r S dl dr dl d 12 / l r l dl2
l dr l
dRdl drdl d 1 2 / R l r l
第 3章
3.1 3.2 3.3
应变式传感器
3.4应变式传感器应用
第 3章
应变式传感器
力/压力传感器应用广泛、影响面宽，不仅可以测量力 和压力，也可以用于测量负荷、加速度、扭矩、位移等其 他物理量，他们都与机械应力有关，所以把这类传感器称 为力学量传感器。 传统的测量力的方法是利用弹性元件的形变和位移来表 示的，其特点是成本低，不需要电源，但体积大、笨重、 输出为非电量。
电阻应变计，也称应变片，是进行应力和应变测量的关键元件，
电阻应变计按照敏感栅所使用的材料可以分为金属电阻 应变片和半导体电阻应变片两种。
一、金属应变计的结构
金属电阻应变片是一种能将机械构件上应变的变化转换 为电阻变化的传感元件。 由敏感栅1、基底2、覆盖层3、引线4和粘合剂等组 成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因 此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。
应变计
金属应变片
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栅长 栅宽
电阻应变片结构示意图
（1） 敏感栅
由金属细丝绕成栅形 。电阻应变片的电阻值为 60Ω 、 120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为Biblioteka Baidu用。
（2） 基底和覆盖层
基底： （1）保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置；
（2）它是将应变传递到敏感栅的中间介质；
（3）起到敏感栅（金属丝）与试件之间的绝缘作用。
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栅长 栅宽
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电阻应变片结构示意图
由敏感栅1、基底2、覆盖层3、引线4和粘合剂等组 成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因 此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。
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栅长
栅宽
电阻应变片结构示意图
应用时将应变片用粘结剂牢固地粘贴在被测试件表面上。 当试件受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，引起应变片 电阻值变化，通过测量电路将其转换为电压或电流信号输出。
dR ——电阻的相对变化 R
dl l
d ——电阻率的相对变化
dS ——金属丝长度的相对变 S 化或轴向应变，用ξ表示
——截面积的相对变化
dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr。 由材料力学知 εr= –με 式中：μ——金属材料的泊松系数
d dr dl 则 dR dl r 1 2 即 / R l r l
当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发 生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。
图 金属的电阻应变效应
设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ 的金属丝，其电 阻R为 l R
S
金属丝的电阻变化与受力后横截面积的变化、长度的变化 和电阻率的变化有关。
图 金属的电阻应变效应
l R S
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栅长
栅宽
电阻应变片结构示意图
（2） 基底和覆盖层
覆盖层：既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护 敏感栅。
（3） 引线
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。
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1 l
后来随着微电子技术发展，利用半导体材料的压阻效应 和弹性与集成电路工艺，研制出了半导体力和压力传感器， 使这类传感器有了长足的进步，而且半导体压力传感器正 向集成化和智能化方向发展。
3.1 工作原理
电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感
器, 传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。 当被测物理量作用在弹性元件上时, 弹性元件的变形引起应变敏 感元件的阻值变化, 通过转换电路将其转变成电量输出, 电量变化的 大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器是目前测量力、 力矩、 压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。