2.1 电阻应变效应ppt课件
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电阻式传感器精品PPT课件
6. 理解应变式传感器的结构设计及应用
2
3
概述
电阻应变式传感器——利用电阻应变片将应变转换为电阻变
化的传感器。 主要用途——测量力、力矩、压力、加速度、重量等。
4
电阻应变式传感器的工作原理
将电阻应变片粘贴在弹性元件特 定表面上，当力、扭矩、速度、加速度 及流量等物理量作用于弹性元件时，会 导致元件应力和应变的变化，进而引起 电阻应变片电阻的变化。电阻的变化经 电路处理后以电信号的方式输出。
6
设有一段长为L，截面积为A，电阻率为ρ的导 体(如金属丝)，它具有的电阻为
L
2r 2(r-dr)
F
F
R l
A
L+dL
ρ:电阻系数 l:金属导线长度 A:金属导线截面积
当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其L、A和ρ
均发生变化。
7
R l
A
两边取对数：ln R ln L ln A ln
两边微分：dR d dA dl R Al
16
敏基粘感底结栅—剂——固— —定应 用敏变 粘感片 结栅中剂，最分并重别使要把敏的盖感部层和栅分敏与，感弹由栅性某固种 元结金 件于属 相基细 互底丝 绝；绕 缘在成 ； 栅应使形变用。计应应工变变作计计 时 时中 ， ，实 基 用现底粘应起结变着剂把把-电试应阻件变转应计换变基的准底敏确 再感地 粘元传 贴件递 在。给 试敏敏 件感感 表栅栅 面 合的的金作被材用测料，部的为位选 此 ，择 基 因对 底 此所必粘制须结造很剂的薄也电，起阻一着应般传变为递计应0.0性 变2～能 的0的 作.04好 用m坏 。m起。着常决 定性的作用。
——为金属材料的泊松比
d/ —金属丝电阻率的相对变化量
代入
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概述
电阻应变式传感器——利用电阻应变片将应变转换为电阻变
化的传感器。 主要用途——测量力、力矩、压力、加速度、重量等。
4
电阻应变式传感器的工作原理
将电阻应变片粘贴在弹性元件特 定表面上，当力、扭矩、速度、加速度 及流量等物理量作用于弹性元件时，会 导致元件应力和应变的变化，进而引起 电阻应变片电阻的变化。电阻的变化经 电路处理后以电信号的方式输出。
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设有一段长为L，截面积为A，电阻率为ρ的导 体(如金属丝)，它具有的电阻为
L
2r 2(r-dr)
F
F
R l
A
L+dL
ρ:电阻系数 l:金属导线长度 A:金属导线截面积
当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其L、A和ρ
均发生变化。
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R l
A
两边取对数：ln R ln L ln A ln
两边微分：dR d dA dl R Al
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敏基粘感底结栅—剂——固— —定应 用敏变 粘感片 结栅中剂，最分并重别使要把敏的盖感部层和栅分敏与，感弹由栅性某固种 元结金 件于属 相基细 互底丝 绝；绕 缘在成 ； 栅应使形变用。计应应工变变作计计 时 时中 ， ，实 基 用现底粘应起结变着剂把把-电试应阻件变转应计换变基的准底敏确 再感地 粘元传 贴件递 在。给 试敏敏 件感感 表栅栅 面 合的的金作被材用测料，部的为位选 此 ，择 基 因对 底 此所必粘制须结造很剂的薄也电，起阻一着应般传变为递计应0.0性 变2～能 的0的 作.04好 用m坏 。m起。着常决 定性的作用。
——为金属材料的泊松比
d/ —金属丝电阻率的相对变化量
代入
电阻应变式传感器PPT课件
R R
KS x
（2-9）
2.2.4 应变片的测试原理
用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于对 象上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械 变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的 变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。
第6页/共53页
2.3 电阻应变片的种类、材料和参数
2.3.1 电阻应变片的种类 1. 丝式应变片
令
KS dR/ R (1 2) d /
x
x
（2-8）
K S 称为金属丝的灵敏系数 。表示金属丝产生单位变
形时，电阻相对变化的大小。
第5页/共53页
2.2.3 应变片的特性
实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相
对变化 dR / R 与应变x 成正比，因而 KS 为一常数。
式（2-8）以增量表示为
2.5 电阻应变式传感器的温度误差及其补偿
2. 应变片自补偿法 粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变
化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种特殊应
变片称为应变片自补偿法。下面介绍两种自补偿应变
片。
（1）选择式自补偿应变片
由式(2-23)可知，实现温度补偿的条件为
t
at K
(m
g )t
0
则
K(m g )
பைடு நூலகம்
t1
0 (m g )t
（2-19）
折算为应变，则
第22页/共53页
2. 试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产 生附加应变
l
t
t (m g )t
l0
t 引起的电阻变化为
R R t 0 K(m g)t
（2-20） （2-21）
金属电阻应变片 ppt课件
60
25
ppt课件
6
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）。
ppt课件
7
5、金属电阻应变片的材料
1）类型： 金属电阻应变片：丝式、箔式和薄膜式 半导体应变片：体型、薄膜型和扩散型
2）结构 金属电阻应变片的类型和结构如下图所示，它由敏感
栅粘贴在基底上，上面覆盖保护层构成。基底有纸基和胶 基两种。
应变片的纵向尺寸为工作长度，反映被测应变，其横 向应变将造成测量误差。
ppt课件
4
引线
覆盖层 基片
b
8
6、应变片的使用
（1）应变片的选择 主要考虑尺寸、初始电阻、 绝缘电阻及允许工作电流。
（2）应变片粘贴 应变片的粘合剂的种类很多， 要根据基片材料、工作温度、潮湿程度、稳定性， 是否加温加压以及粘贴时间等多种因素合理选择 粘合剂。应变片的粘贴工艺包括： 1）试件的表面处理。清洁 2）确定贴片位置。在试件应变最大的部位。 3）粘贴。清洗试件表面和应变片的底面, 涂敷粘 合剂，将应变片贴在确定的位置处。贴片后，在 应变片上盖上一张玻璃纸并加压，排出多余的胶 水和气泡。
Uo
≈Ui 4
( R1 R1
-
R2 R2
)
式（2-2-5）
ppt课件
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(3)差动工作方式：
为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥如图2-2-3所示， 在
试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变， 接入电
《电阻应变传感器》PPT课件
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§3 电阻应变片的温度误差及补偿
3.2 温度补偿方法
两大类： 桥路补偿和应变片自补偿。
39
一、桥路补偿法
桥路补偿是称补偿片法。 图(a)是电桥补偿法的原理图。 电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为：
Uo=A(R1R4-RBR3)
R1
RB
Uo
R3
R4
U
~
(a)
F
R1
F
RB
R1—工 作 应 变RB片—；补 偿 应 变 片
dr dl
r
l
式中, μ为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。
10
dR (1 2 ) d
R
dR dl dS d RlS
或dRd源自R (1 2 ) 通常把单位应变能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，其表达
式为
dR
d
K R 1 2
当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t 的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有
Uo A(R1R4 RBR3) 0
工程上，一般按R1 = RB = R3 = R4 选取桥臂电阻。
41
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
折算应变为：
t
lt
l0
( 丝 试 )t
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3.1 应变片的温度误差产生原因
由此引起电阻的变化为：
Rt R0 K t R0 K ( 丝 试 )t
则引起总的电阻的变化为：
Rt Rt Rt R0t R0 K ( 丝 试 )t
则附加虚假应变量为：
《电阻应变片传感器》PPT课件
23
4. 允许电流 是指不因电流产生热量影响测量精度，应变片允许
通过的最大电流在静态测量时，允许电流一般为 25mA；在动态测量时，允许电流可达75~100mA。
5. 应变极限 指在温度一定时，指示应变值和真实应变值的相
对差值不超过一定数值时的最大真实应变数值，一般 差值规定为10%，当指定应变值大于真实应变值的10% 时，真实应变值称为应变片的极限应变。
电阻应变片是应变测量的关键元件，为适应各种领域 测量的需要，可供选择的电阻应变片的种类很多，但按其 敏感栅材料及制作方法可分类如下表：
3
电阻应变片的种类
4
2.2 电阻应变片的工作原理
2.2.1 金属的应变效应 ❖ 金属应变效应是指金属导体在外力作用下发生机械变形时，
其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变 化的现象。由于
因温度变化引起的电阻变化作用相互抵消，这样就起到了温度补 偿的作用。
31
图2-6 桥路补偿法
32
2. 应变片自补偿法
粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产
生的附加应变为零或相互抵消，这种特殊应变片称为应变片自 补偿法。下面介绍两种自补偿应变片。
（1）选择式自补偿应变片
由式(2-23)可知，实现温度补偿的条件为
是利用两种电阻丝材料的电阻温度系数不同（一个为正，一个为
负）的特性，将二者串联绕制成敏感栅，如图2-7所示。若两段敏
感栅的电阻R1和 R2 ，由于温度变化而产生的电阻变化
大小相等而符号相反，就可以实现温度补偿，电阻
R1t
R2t
R R R /
1
2t
2
R R R /
2
1t 1
R R 而其中 ( ) ( )
4. 允许电流 是指不因电流产生热量影响测量精度，应变片允许
通过的最大电流在静态测量时，允许电流一般为 25mA；在动态测量时，允许电流可达75~100mA。
5. 应变极限 指在温度一定时，指示应变值和真实应变值的相
对差值不超过一定数值时的最大真实应变数值，一般 差值规定为10%，当指定应变值大于真实应变值的10% 时，真实应变值称为应变片的极限应变。
电阻应变片是应变测量的关键元件，为适应各种领域 测量的需要，可供选择的电阻应变片的种类很多，但按其 敏感栅材料及制作方法可分类如下表：
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电阻应变片的种类
4
2.2 电阻应变片的工作原理
2.2.1 金属的应变效应 ❖ 金属应变效应是指金属导体在外力作用下发生机械变形时，
其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变 化的现象。由于
因温度变化引起的电阻变化作用相互抵消，这样就起到了温度补 偿的作用。
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图2-6 桥路补偿法
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2. 应变片自补偿法
粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产
生的附加应变为零或相互抵消，这种特殊应变片称为应变片自 补偿法。下面介绍两种自补偿应变片。
（1）选择式自补偿应变片
由式(2-23)可知，实现温度补偿的条件为
是利用两种电阻丝材料的电阻温度系数不同（一个为正，一个为
负）的特性，将二者串联绕制成敏感栅，如图2-7所示。若两段敏
感栅的电阻R1和 R2 ，由于温度变化而产生的电阻变化
大小相等而符号相反，就可以实现温度补偿，电阻
R1t
R2t
R R R /
1
2t
2
R R R /
2
1t 1
R R 而其中 ( ) ( )
岩土工程测试技术(2)ppt课件
假设 R 1 R 2 R 3 R 4 阻值分别有
R1 R2 R 3 R4 的变化
UDB
R R R R R R R R 1 3 2 4 3 1 4 2 U E DB ( R R )( R R ) 1 2 3 4
第二章：电阻应变片测量技术
2.2 应变测量电路
第二章：电阻应变片测量技术
2.1 电阻应变片
⑦绝缘电阻：敏感栅及引线与被测试件之间的电阻。
⑧疲劳寿命：在恒定加载幅值交变应力作用下，应变片疲劳损坏的加
载次数。
⑨最大工作电流：允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流。
第二章：电阻应变片测量技术
2.1 电阻应变片
5)应变片的选用
①工作环境
②被测材料的性质 ③被测试件的受力状态和应变性质 ④测量精度
2）类型
敏 感 栅 金属丝 材 式 料 丝绕式 横向效应大，价格便宜
短接线式 横向效应小，疲劳寿命低 箔式 横向效应小，散热条件好，蠕变小，疲劳 寿命长
半导体
灵敏度系数高，温度稳定性好
第二章：电阻应变片测量技术
2.1 电阻应变片
敏感栅 形状
单轴 应变花
用于测量单向的应力应变 用于平面应力测量
第二章：电阻应变片测量技术
R R , R R ) ②输入对称电桥 ( 1 2 3 4
R R , R R ) ③电源对称电桥 ( 1 4 2 3 R R 令： 2 3 a R1 R4
有： U DB
aSE ( ) 2 3 4 2 1 ( 1 a )
第二章：电阻应变片测量技术
惠根斯直流电桥
B R1 A R3 D R4 R2 C UDB
R1 R2 R 3 R4 的变化
UDB
R R R R R R R R 1 3 2 4 3 1 4 2 U E DB ( R R )( R R ) 1 2 3 4
第二章：电阻应变片测量技术
2.2 应变测量电路
第二章：电阻应变片测量技术
2.1 电阻应变片
⑦绝缘电阻：敏感栅及引线与被测试件之间的电阻。
⑧疲劳寿命：在恒定加载幅值交变应力作用下，应变片疲劳损坏的加
载次数。
⑨最大工作电流：允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流。
第二章：电阻应变片测量技术
2.1 电阻应变片
5)应变片的选用
①工作环境
②被测材料的性质 ③被测试件的受力状态和应变性质 ④测量精度
2）类型
敏 感 栅 金属丝 材 式 料 丝绕式 横向效应大，价格便宜
短接线式 横向效应小，疲劳寿命低 箔式 横向效应小，散热条件好，蠕变小，疲劳 寿命长
半导体
灵敏度系数高，温度稳定性好
第二章：电阻应变片测量技术
2.1 电阻应变片
敏感栅 形状
单轴 应变花
用于测量单向的应力应变 用于平面应力测量
第二章：电阻应变片测量技术
R R , R R ) ②输入对称电桥 ( 1 2 3 4
R R , R R ) ③电源对称电桥 ( 1 4 2 3 R R 令： 2 3 a R1 R4
有： U DB
aSE ( ) 2 3 4 2 1 ( 1 a )
第二章：电阻应变片测量技术
惠根斯直流电桥
B R1 A R3 D R4 R2 C UDB
1电阻应变效应
溅射薄膜应变片：通过溅射技术在基底上形成一层金属薄膜，具有较好的耐久性和高温性能。
厚膜应变片：采用丝网印刷技术在陶瓷基底上印刷一层金属浆料，具有较低的成本和较好的重复性。
电阻应变片的工作原理
应变片的构造
敏感栅：电阻材料制成的敏感元件，用于感受应变
基底：将敏感栅粘贴在基底上，起到固定和传递应变的作用
误差影响：测量精度下降
应变片的漂移问题
单击添加标题
适用范围有限：电阻应变效应主要适用于金属材料，对于非金属材料和复合材料的测量效果不佳。
单击添加标题
应变片的漂移问题：由于温度、湿度等环境因素的影响，应变片在使用过程中会发生漂移现象，导致测量结果不准确。
单击添加标题
对被测物体表面处理要求高：为了获得准确的测量结果，被测物体表面需要经过特殊处理，如涂层、打孔等，增加了测量的复杂性和成本。
基底和胶粘剂的限制：应变片基底和胶粘剂的限制可能导致测量范围和灵敏度的限制。
其他局限性及解决方法
温度稳定性差：需要采取温度补偿措施
灵敏度较低：需要提高应变片的灵敏度
长期稳定性差：需要定期校准和更换
易受电磁干扰：需要采取电磁屏蔽措施
感谢您的观看
汇报人：
电阻应变片在振动和冲击测量中的应用广泛，可用于各种工程结构的健康监测、振动控制和冲击测试等领域。
在温度测量中的应用
电阻应变片能够感应温度变化引起的应变，从而测量温度
通过测量电阻值的变化，可以推算出温度的变化
电阻应变片具有灵敏度高、响应速度快等优点
在工业生产和科学实验中，电阻应变片广泛应用于温度测量和控制系统
电阻应变效应的应用
在力学量测量中的应用
电阻应变片用于测量应变
测量结构物的应变分布
传感器与检测技术第2章-1_应变式传感器
E 4
R1 R
R2 R
R3 R
R4 R
EK 4
1
2
3
4
当仅桥臂AB单臂工作时，理想输出电压为
Ug E R E K
4R 4
44
电桥分类
B R1=R
A
Ug
R2=R C
R3=R’ R4=R’
E
D
第一对称电桥
2、第一对称电桥
若电桥桥臂两两相等，即R1 =R2=R ， R3=R4=R′ ， 则 称
16
2.1数 （二）横向效应 （三）动态特性
17
应变片的电阻值 R
• 应变片在未经安装也不受外力情况下， 于室温下测得的电阻值
• 电阻系列：60、120、200、350、500、1000 Ω
电阻值大
可以加大应变片承受电压， 输出信号大， 敏感栅尺寸也增大
18
25
设环境引起的构件温度变化为Δt（℃）时，
粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系
数为αt ，则应变片产生的电阻相对变化为
R R
1
t t
26
由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当
Δt 存在时，引起应变片的附加应变，其值为
2t g s t
βg—试件材料线膨胀系数；βs—敏感栅材料线膨胀系数。
金属箔式应变片
13
金属薄膜应变片
• 采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上 形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅， 再加上保护层，易实现工业化批量生产
• 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范 围广，易实现工业化生产
• 问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系
15
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。
电阻应变计的原理及使用ppt课件优选全文
应变花
基底材料分：
纸基应变计 胶基应变计 金属基（高温应变片类型之一） 临时基底（高温应变片类型之一）
Hale Waihona Puke 安装方式：粘贴式， 焊接式， 喷涂式， 埋入式
电阻值：
市售金属电阻应变片的电阻值已趋于标准化， 主要规格有60Ω、120Ω、350Ω、600Ω和 1000Ω等，其中120Ω用得最多。
2.3 应变片的工作特性
（一）电阻丝的应变效应
定 义：
（W.Thomas）金属丝（大部分）受到 拉伸（或缩短）时，电阻值会增大（或 减小），这种电阻值随变形发生变化的 物理现象------电阻应变效应
规律
：在一定的变形范围内电阻值的相对变化（电阻变
化率）与其长度的相对变化（应变）之间保持线性
半导体应变片
半导体应变片的敏感栅为半导 体，灵敏系数高，用数字欧姆 表就能测出它的电阻变化，可 作为高灵敏度传感器的敏感元 件。
几何尺寸变化引起的电阻变化远小于由材
料电阻率变化引起的电阻变化，前者可忽
略不计，可得
△R R
L E
从而可得半导体应变片灵敏度系数为
KS=πＬE
最突出优点
半导体应变片的最突出优点是灵敏度大，Ｓ 可达60～150，
场,核辐射等。 5 自动化程度高,可以实现遥控测量
将应变仪与计算机结合,可以实现图 形显示,磁带记录,多点测量,自动打印。 6 制造多种传感器（载荷、扭距、压 力、加速度）
（六）、缺点
1 单点测量
一片电阻应变片只能测定构件表面上一点的 某个方向的应变 ; 并且只代表栅长范围内的平均应变。 2 应变片一般只能测量构件表面的应力应变, 3对结构三维应力测量很难进行。 4 尽管应变片很小,但对应力集中的测量,仍无 法精确。
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晶片
N-Si
图2.4 体型半导体应变计示意图
第2章 应变式传感器
薄膜型半导体应变计是利用真空沉 积技术将半导体材料沉积于绝缘体或蓝 宝石基片上制成的。
扩散型半导体应变计是将P型杂质扩 散到高阻的N型硅基片上, 形成一层极薄 的敏感层制成的。
外延型半导体应变计是在多晶硅或 蓝宝石基片上外延一层单晶硅制成的。
第2章 应变式传感器
(a)
(b)
(c)
图 2.2
第2章 应变式传感器
箔式应变计的线栅是通过光刻、腐 蚀等工艺制成很薄的金属薄栅（厚度一 般在0.003～0.01mm）。与丝式应变计相 比有如下优点:
(1) 工艺上能保证线栅的尺寸正确、 线条均匀, 大批量生产时, 阻值离散程度 小。
(2) 可根据需要制成任意形状的箔式 应变计和微型小基长（如基长为0.1 mm） 的应变计。
铁铬铝合金、 铁镍铬合金等。 常温下使用的应变计多由康 铜制成。 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定取向 切片、研磨、再切割成细条, 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2.4所示。
第2章 应变式传感器
基片
带状 引线
P-Si
电阻丝较细, 一般在0.015~0.06 mm, 其两端焊有较粗的低阻镀锡铜丝 （0.1~0.2mm）4作为引线, 以便与测量电 路连接。 图2.1中, L称为应变计的标距, 也称（基）栅长, a称为（基）栅宽,L×a 称为应变计的使用面积。
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4
3
a
2
1
l
蚀刻箔片
衬底
电阻丝
衬底
(a)丝式
应变计
金属属性
体形
丝式 箔式
薄膜型
体型 半导体式 薄模型
扩散型 外延型 Pn结及其它形式
第2章 应变式传感器
半导体式体型薄膜型、扩散型、外延型、PN结及其他 形式 金属电阻应变计常见的形式有丝式、 箔式、 薄膜式 等。 丝式应变计是最早应用的品种。
金属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角, 如图2.2所 示。 弯曲部分作成圆弧（U）形是最早常用的一种形式, 制 作简单但横向效应较大。 直角（H）形两端用较粗的镀银 铜线焊接, 横向效应相对较小, 但制作工艺复杂, 将逐渐被横 向效应小、 其他方面性能更优越的箔式应变计所代替。
敏感栅是应变片的核心部分, 它粘贴在绝缘的基片上, 其上再粘贴起保护作用的覆盖层, 两端焊接引出导线。金属 电阻应变片的敏感栅有丝式、 箔式和薄膜式三种。
主要的分类方法是根据敏感元件材料的不同, 将应变计 分为金属式和半导体式两大类。从敏感元件的形态又可进
一步分类如下:
第2章 应变式传感器
第2章 应变式传感器
第2章 应变式传感器
2.1 电阻应变效应
应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器, 是常用的传感器之一。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。
第2章 应变式传感器
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
图2.3 几种箔式应变计
第2章 应变式传感器
薄膜式应变计是采用真空溅射或真空沉积技术, 在薄 的绝缘基片上蒸镀金属电阻薄膜（厚度在零点几纳米到 几百纳米）, 再加上保护层制成。 其优点是灵敏度高, 允 许通过的电流密度大, 工作温度范围广, 可工作于-197～ 317°C, 也可用于核辐射等特殊情况下。
应变式传感器的核心元件是电阻应变计, 电阻应变计, 也称应变计或应变片, 是一种能将机械构件上的应变的变 化转换为电阻变化的传感元件。 图2.1为其构造简图。 排列成网状的高阻金属丝、栅状金属箔或半导体片构成 的敏感栅1, 用粘合剂贴在绝缘的基片2上。敏感栅上贴有 盖片（即保护片）3。
第2章 应变式传感器
第2章 应变式传感器
半导体应变计有如下优点:
第2章 应变式传感器 (1) 灵敏度高。 比金属应变计的灵敏度约大50~100倍。
工作时, 可不必用放大器就可用电压表或示波器等简单仪
(2) 体积小, 耗电省。 (3) 由于具有正、 负两种符号的应力效应（即在拉伸时 P型硅应变计的灵敏度系数为正值; 而N型硅应变计的灵敏 度系数为负值。 (4) 机械滞后小, 可测量静态应变、 低频应变等。
第2章 应变式传感器 (3) 敏感栅截面积为矩形, 表面积大, 散热好, 在相同
截面情况下能通过较大电流。 (4) 厚度薄, 因此具有较好的可挠性, 它的扁平状箔栅
有利于形变的传递。 (5) 蠕变小, 疲劳寿命高。 (6) 横向效应小。 (7) 便于批量生产, 生产效率高。 图2.3画出了几种箔式应变计。
第2章 应变式传感器
工作原理
电阻应变片的工作原理是基于应变效应, 即在导体产生机 械变形时, 它的电阻值相应发生变化。
如图 3 - 1 所示, 一根金属电阻丝, 在其未受力时, 原始电阻
值为
.L
R= S
（3 -1）
式中: ρ——电阻丝的电阻率; L——电阻丝的长度; S——电阻丝的截面积。
第2章 应变式传感器
引出导线 (b)箔式
图 2.1 电阻应变计构造简图
第2章 应变式传感器 2.1.2 应变计的分类
应变计有很多品种系列: 从尺寸上讲, 长的有几百mm , 短的仅0.2 mm; 由结构形式上看, 有单片、双片、应变花和 各种特殊形状的图案; 就使用环境上说, 有高温、低温、水、 核辐射、 高压、磁场等; 而安装形式, 有粘贴、非粘贴、焊 接、火焰喷涂等。 金属应变片由敏感栅、 基片、 覆盖层和引线等部分组成, 如图 3 - 2 所示。
第2章 应变式传感器
制作应变计敏感元件的金属材料应 Байду номын сангаас如下要求:
(1) k0大, 并在尽可能大的范围内保持 常数。
(2) 电阻率ρ大。 这样, 在一定电阻值 要求下, 同样线径, 所需电阻丝长度短。
(3) 电阻温度系数小。高温使用时, 还 要求耐高温氧化性能好。
(4) 具有良好的加工焊接性能。
第2章 应变式传感器 常用的敏感元件材料是康铜（铜镍合金）、镍铬合金、