应变式传感器的基本知识
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盖层
基底与面胶—中间介质和绝缘作用 电阻丝(敏感栅)—转换元件
电阻应变片式传感器是 目前用于测量力、力矩、压 力、加速度、质量等参数最 广泛的传感器之一。
箔式应变片
➢ 原理： 它是利用照相制版或光刻
腐蚀法将电阻箔材在绝缘基 底上制成各种图形的应变片； ➢ 优点： ▪ 敏感栅尺寸准确，线条
均匀； ▪ 其弯头横向效应可以忽
略； ▪ 可通过较大的电流； ▪ 散热性好，寿命长； ▪ 生产效率高；
常用应变片一
常用应变片二
常用应变片三
金属应变计
2．半导体应变片
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。
当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相 对变化为 :
R R
（1
2
) x
（2 10）
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。
• 结构： –应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成
• 应用： –广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的
测量
应变效应分析
•电阻应变片的工作原理是基于应变效
应
•即导体或半导体材料在外界力的作用
下产生机械变形时，其电阻值相应发生 变化， 这种现象称为“应变效应”。
l
l
F
F
r
r
一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：
单位应变ε所引起的电阻相对变化量。其表达
式为
R K
R
课堂作业： p52 第3题
灵敏系数K受两个因素影响
• 一是应变片受力后材料几何尺寸的变化 • 二是应变片受力后材料的电阻率发生的
变化 • 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。
应变片的基本结构
引线--连接测量导线之用
应变式电阻传感器
2.1 2.2 电阻应变片的重要特性 2.3 2.4 电阻应变片的测量电路 2.5 应变式传感器的应用
应变效应
R导原体理在：受金到属外导力体作或用半时，
会产生相应的应变，其 电阻也将随之发生变化。
电阻：大—>小 施加力F
让我们来做个应变效
?
的因电为阻：与金其属电应导阻的体率或实及半几验导何体尺DCGo!电!流!:
思考
• 应变式力传感器的工作原理：弹簧钢制成的梁形元件 右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的 自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面 压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面的电阻变 小．F越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化就越 大．如果让应变片中通过的电流保持恒定，则上面应 变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变 小．因此可得，外力越大，输出的电压差值也就越 大．
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。
θ
dθ
dl
图2-5 敏感栅半圆弧形部分
2.2.3 机械滞后、零漂及蠕变
应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加 载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。
指
卸载
示
应
Δε
变εi
加载
机械应变εR
Δε1
图2-6 应变片的机械滞后
2.1 工作原理
• 应变 –物体在外部压力或拉力作用下发生形变的
• 现象 弹性应变 –当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸 和形状的应变
• 弹性元件 –具有弹性应变特性的物体
应变式传感器概述
• 是利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器 • 工作原理：
–当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、 力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变 或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变 片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输 出的电量大小反映被测量的大小。
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。
思考
• 应变力传感器：它能够把机械变形转换成电阻变 化．
2.2 电阻应变片的重要特性
灵敏度系数. 物理意义：单位应变所引起的电阻相对变化. 横向效应.（图2-2） 机械滞后. 零点漂移和蠕变. 应变极限. 动态响应特性.（图2-3）
2.2.1 灵敏度系数
金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变 之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示。当金 属丝做成应变片后，其电阻—应变特性与金属单 丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电 阻—应变特性重新测定。实验表明，金属应变片
R l
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Δρ，从而引起电阻值变化量为
dR＝ l A
d ＋ dl
A
l
A2
dA
电阻相对变化量： dR dl dA d R l A
式中：dl/l——长度相对变化量
定义：应变片的灵敏系数（物理意义）：
产生原因：应变片在承受机械应变后的残余 变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化； 在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的不适 当的变形或粘结剂固化不充分等。
机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关， 加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。 所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若 干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。
寸（长度、面积）有关，当6V +
小
其受到外力作用时，这些参
A
数发生变化，因而引起其+的
+-
电阻的变化，进而引 起电安培表指示 流的变化。
实验一
R K接通时
大
K
安培表变化
§4.3 电阻应荷变重式传传感感器器原理演示
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。
例2-2 梁式力传感器
的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线
性关系。
即:来自百度文库
R K 或 K R （2 14）
R
R
K为金属应变片的灵敏系数。
测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于
线材的灵敏系数KS。原因主要是胶层传递变形 失真及横向效应。
2.3.2 横向效应
金属丝式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，而其横向应变εr也使敏感栅半 圆弧部分的电阻发生变化。
基底与面胶—中间介质和绝缘作用 电阻丝(敏感栅)—转换元件
电阻应变片式传感器是 目前用于测量力、力矩、压 力、加速度、质量等参数最 广泛的传感器之一。
箔式应变片
➢ 原理： 它是利用照相制版或光刻
腐蚀法将电阻箔材在绝缘基 底上制成各种图形的应变片； ➢ 优点： ▪ 敏感栅尺寸准确，线条
均匀； ▪ 其弯头横向效应可以忽
略； ▪ 可通过较大的电流； ▪ 散热性好，寿命长； ▪ 生产效率高；
常用应变片一
常用应变片二
常用应变片三
金属应变计
2．半导体应变片
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。
当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相 对变化为 :
R R
（1
2
) x
（2 10）
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。
• 结构： –应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成
• 应用： –广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的
测量
应变效应分析
•电阻应变片的工作原理是基于应变效
应
•即导体或半导体材料在外界力的作用
下产生机械变形时，其电阻值相应发生 变化， 这种现象称为“应变效应”。
l
l
F
F
r
r
一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：
单位应变ε所引起的电阻相对变化量。其表达
式为
R K
R
课堂作业： p52 第3题
灵敏系数K受两个因素影响
• 一是应变片受力后材料几何尺寸的变化 • 二是应变片受力后材料的电阻率发生的
变化 • 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。
应变片的基本结构
引线--连接测量导线之用
应变式电阻传感器
2.1 2.2 电阻应变片的重要特性 2.3 2.4 电阻应变片的测量电路 2.5 应变式传感器的应用
应变效应
R导原体理在：受金到属外导力体作或用半时，
会产生相应的应变，其 电阻也将随之发生变化。
电阻：大—>小 施加力F
让我们来做个应变效
?
的因电为阻：与金其属电应导阻的体率或实及半几验导何体尺DCGo!电!流!:
思考
• 应变式力传感器的工作原理：弹簧钢制成的梁形元件 右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的 自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面 压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面的电阻变 小．F越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化就越 大．如果让应变片中通过的电流保持恒定，则上面应 变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变 小．因此可得，外力越大，输出的电压差值也就越 大．
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。
θ
dθ
dl
图2-5 敏感栅半圆弧形部分
2.2.3 机械滞后、零漂及蠕变
应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加 载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。
指
卸载
示
应
Δε
变εi
加载
机械应变εR
Δε1
图2-6 应变片的机械滞后
2.1 工作原理
• 应变 –物体在外部压力或拉力作用下发生形变的
• 现象 弹性应变 –当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸 和形状的应变
• 弹性元件 –具有弹性应变特性的物体
应变式传感器概述
• 是利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器 • 工作原理：
–当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、 力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变 或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变 片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输 出的电量大小反映被测量的大小。
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。
思考
• 应变力传感器：它能够把机械变形转换成电阻变 化．
2.2 电阻应变片的重要特性
灵敏度系数. 物理意义：单位应变所引起的电阻相对变化. 横向效应.（图2-2） 机械滞后. 零点漂移和蠕变. 应变极限. 动态响应特性.（图2-3）
2.2.1 灵敏度系数
金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变 之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示。当金 属丝做成应变片后，其电阻—应变特性与金属单 丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电 阻—应变特性重新测定。实验表明，金属应变片
R l
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Δρ，从而引起电阻值变化量为
dR＝ l A
d ＋ dl
A
l
A2
dA
电阻相对变化量： dR dl dA d R l A
式中：dl/l——长度相对变化量
定义：应变片的灵敏系数（物理意义）：
产生原因：应变片在承受机械应变后的残余 变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化； 在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的不适 当的变形或粘结剂固化不充分等。
机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关， 加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。 所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若 干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。
寸（长度、面积）有关，当6V +
小
其受到外力作用时，这些参
A
数发生变化，因而引起其+的
+-
电阻的变化，进而引 起电安培表指示 流的变化。
实验一
R K接通时
大
K
安培表变化
§4.3 电阻应荷变重式传传感感器器原理演示
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。
例2-2 梁式力传感器
的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线
性关系。
即:来自百度文库
R K 或 K R （2 14）
R
R
K为金属应变片的灵敏系数。
测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于
线材的灵敏系数KS。原因主要是胶层传递变形 失真及横向效应。
2.3.2 横向效应
金属丝式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，而其横向应变εr也使敏感栅半 圆弧部分的电阻发生变化。