应变式传感器的基本知识
应变式压力传感器的原理及应用
应变式压力传感器的原理及应用
一、应变式压力传感器的工作原理
应变式压力传感器是通过应变测量物体受力大小的一种传感器。
其工作原理是：在物体内部或表面放置应变片，当外部施加压力时，应变片就会发生形变并沿着其敏感方向产生感应电阻的变化。
传感器接收感应电阻的信号，并将其转化为电信号输出。
因此，当外界的压力改变时，应变感应电阻的值也随之改变，进而实现对压力变化的检测与测量。
二、应变式压力传感器在电子秤中的应用
电子秤是应变式压力传感器的主要应用领域之一。
在电子秤中，传感器被安装在秤盘下面，在物品放在秤盘上时，其所承受的重力会被传感器感知并转化为电信号，进而计算出物品的重量。
目前，市面上电子秤的类型繁多，其中最为流行的是称重范围较小（数百克至数千克）的电子秤。
这类秤采用应变式压力传感器作为其核心部件，具有灵敏度高、精度高、反应迅速的特点。
同时，由于应变式压应力传感器具有结构简单，易于维护等优点，因此在电子秤中的应用也较为广泛。
电阻应变式称重传感器基础知识
电阻应变式称重传感器基础知识电阻应变式称重传感器1 .电阻应变式称重传感器等工作原理2.称重传感器常用技术参数3. 称重传感器选用的一般规则4. 使用称重传感器注意事项1.电阻应变式称重传感器等工作原理电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。
由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。
下面就这三方面简要论述。
一、电阻应变片电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。
他的一个重要参数是灵敏系数K。
我们来介绍一下它的意义。
设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。
当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：R = ρL/S（Ω）（2—1）当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。
设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。
此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。
对式（2--1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。
我们有：ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 （2—2）用式（2--1）去除式（2--2）得到ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L –ΔS/S （2—3）另外，我们知道导线的横截面积S = πr2，则Δs = 2πr*Δr，所以ΔS/S = 2Δr/r （2—4）从材料力学我们知道Δr/r = -μΔL/L （2—5）其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。
μ是表示材料横向效应泊松系数。
把式（2—4）（2—5）代入（2--3），有ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L=（1 + 2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L= K *ΔL/L （2--6）其中K = 1 + 2μ +（Δρ/ρ）/（ΔL/L）（２--７）式（2--6））说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。
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
力、压力传感器 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器基础知识
课程内容
1 . 电阻的应变效应 2. 电阻应变片的结构 3. 应变片测量原理 4. 电阻应变片的分类
电阻应变式传感器是一种利用电阻材料的应变效应，将工程结构 件的内部变形转换为电阻变化的传感器。
此类传感器主要是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。 通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变
13
3.应变片测量原理
测试时，将应变片用粘接剂牢固的粘贴在被测试件的表面上，随着试件受力变形，应变 片的敏感栅也获得同样的变形，从而使其电阻值随之发生变化，而此电阻值的变化是与 试件应变成比例的，因此如果通过一定的测量线路将这种电阻的变化转换为电压或电流 变化，然后再用显示记录仪表将其显示记录下来，就能知道被测试件应变量的大小。
2.电阻应变片的结构
引线作用：连接敏感栅和测量电路。
2.电阻应变片的结构
黏合剂作用：将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。用于使 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。
课程内容
1 . 电阻的应变效应 2. 电阻应变片的结构 3. 应变片测量原理 4. 电阻应变片的分类
受
受
压
拉
课程内容
1 . 电阻的应变效应 2. 电阻应变片的结构 3. 应变片测量原理 4. 电阻应变片的分类
15
4.电阻应变片的分类
丝式
ห้องสมุดไป่ตู้
按其敏感栅不同
箔式 半导体应变片
应
低温
变 片
按使用温度不同
常温 中温
分
高温应变片
类
单向力测量应变片
按用途不同 平面应力分析应变片（应变花） 特殊用途应变片等
简析电阻应变式传感器电桥测量电路
电阻应变式传感器是一种常用的测量物体受力或变形情况的传感器，通过测量物体的应变来获取所需的物理量。
而电桥测量电路则是用来测量电阻变化的一种常见电路，结合两者可以实现对物体受力或变形情况的准确测量。
一、电阻应变式传感器的基本原理和特点电阻应变式传感器是一种将物理量（如力、压力等）转化为电信号的传感器。
它的基本原理是通过应变片（或称为应变贴片）来感知物体的受力或变形情况，进而将其转化为电阻值的变化。
当物体受到外力作用时，应变片会产生应变，从而导致其电阻值发生变化，通过测量电阻的变化可以间接得到受力或变形的大小。
电阻应变式传感器的特点包括灵敏度高、响应速度快、结构简单、成本低廉等，因此在工业控制和自动化领域得到了广泛的应用。
二、电桥测量电路的基本原理和特点电桥测量电路是一种常见的用于测量电阻变化的电路，它利用电桥平衡原理来测量电阻的变化。
电桥由四个电阻组成，当电桥中的电阻发生变化时，会导致电桥的电平发生变化，通过测量这种变化可以得到电阻的大小。
电桥测量电路的特点包括精度高、稳定性好、适用范围广等，因此被广泛应用于各种电阻测量场合。
三、电阻应变式传感器与电桥测量电路的结合将电阻应变式传感器与电桥测量电路结合起来，可以实现对物体受力或变形情况的准确测量。
具体而言，可以通过将电阻应变式传感器的应变片接入电桥测量电路中来实现对电阻变化的测量，从而间接得到物体受力或变形的大小。
结合两者的特点，可以实现对物体受力或变形情况的高精度、高稳定性测量，适用于各种工业控制和自动化领域。
四、电阻应变式传感器电桥测量电路的优化和应用在实际应用中，为了提高测量的精度和稳定性，可以对电阻应变式传感器电桥测量电路进行优化。
可以根据具体的应用场景选择合适的电阻应变式传感器和电桥测量电路，进行匹配和调试，以实现最佳的测量效果。
电阻应变式传感器电桥测量电路在工业控制和自动化领域有着广泛的应用，例如在机械设备的负载检测、结构件的变形监测、地质勘探等领域都有着重要的作用。
应变式力传感器原理
应变式力传感器原理
应变式力传感器利用材料的弹性变形特性来测量力的大小。
其工作原理如下：
1. 工作原理简述：
应变式力传感器由弹性材料制成，通常是金属或合金材料。
当外部施加力作用于传感器时，传感器内部的弹性材料会发生变形，而该变形会导致材料内部的应变产生变化。
2. 弹性材料的工作原理：
弹性材料具有弹性恢复能力，即当外力去除后能够恢复到初始状态。
在施加力之前，弹性材料的晶体结构处于初始状态，其晶体格子之间的距离是稳定的。
而当外力作用于材料时，晶格结构会发生略微的变化，晶体格子之间的距离会发生微小的变化。
3. 应变的产生：
当外力作用于弹性材料时，晶格结构的微小变化会导致材料内部产生应变。
应变是指单位长度的变形量，通常用应变率（单位长度的变形比例）来表示。
弹性材料的应变率与外力的大小成正比。
4. 电桥测量原理：
为了测量应变的变化，应变式力传感器通常采用了电桥测量原理。
电桥由四个电阻组成，其中一个电阻位于弹性材料上。
当材料受到外力作用时，其内部的应变发生变化，导致电阻值发生微小变化。
这会导致电桥的输出电压发生变化，从而可以通
过测量输出电压的变化来确定外界施加的力的大小。
总结：
应变式力传感器通过利用弹性材料的应变特性，测量外界施加的力的大小。
其工作原理主要包括弹性材料的应变产生和电桥测量原理。
通过测量电桥输出电压的变化，可以确定外界施加的力的大小。
应变式传感器的基本知识(2)
p52 第8题
课堂作业：
WHY？？？
➢应变符号相同的接入相对桥臂上。 ➢应变符号相反的接入相邻桥臂上。
2.4.2 交流电桥
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。
由于供桥电源为交流电源 U，引线分布电容使得二
桥臂应变片呈现复 阻抗特性，即相当于两只应变片 各并联了一个电容。
？ 当E值确定后，n取何值时才能使KU最高？
分析思路：dKU/dn = 0求KU的最大值
dKU dn
1 (1
n2 n)4
0
当n=1时，KU为最大值。即在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4 时，电桥电压灵敏度最高，此时有
Uo
E 4
R1 R1
KU
E 4
结论：当电源电压E和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时， 电桥的 输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。
当受应变时：若应变片电阻变化为ΔR，电桥输出电压
Uo≠0，则电桥不平衡，输出电压为
Uo
E
R1 R1 R1 R1 R2
R3 R3 R4
R1R4
( R1 R1 R2 )(R3 R4 )
R4 R1
E
R3 R1
1
R1 R1
R2 R1
1
R4 R3
设桥臂比n=R2/R1，由于ΔR1<<R1，分母中ΔR1/R1可忽略， 并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3， 则上式可写为
单臂电桥 ：电桥中一桥臂为电阻应变片，其阻值变化为
ΔR，其他桥臂为固定阻值。
若ΔRi<<Ri，R1=R2＝R3=R4＝R，则得
应变式压力传感器工作原理
应变式压力传感器工作原理
应变式压力传感器是一种将物理量转换为电信号输出的传感器。
它的工作原理是利用应变效应，将物体在受力后产生的应变转换为电信号输出。
应变效应是指物体在受力后发生微小的形变，这种形变随着力的大小和方向的变化而变化。
应变式压力传感器利用这种应变效应来实现压力的测量。
具体而言，应变式压力传感器通常由一个弹性体和一些电阻片组成。
当弹性体受到压力时，会发生微小的应变，使得电阻片的电阻值发生变化。
这种变化可以通过电路进行测量，并转换为电信号输出，从而实现压力的测量。
这里需要注意的是，弹性体的形状和材料都会对传感器的灵敏度和精度产生影响。
因此，设计和选择弹性体时需要考虑实际应用的要求，以达到较好的测量效果。
应变式压力传感器还需要进行校准，以保证测量结果的准确性。
校准的方法通常是在已知压力下进行比较测量，然后根据测量结果进行调整。
应变式压力传感器是一种常用的压力传感器，可以实现高精度的压力测量。
它的工作原理是利用应变效应，将物体在受力后产生的微
小应变转换为电信号输出。
在实际应用中，需要根据要求进行弹性体的选择和设计，并进行校准以保证测量结果的准确性。
应变传感器的工作原理
应变传感器的工作原理应变传感器是一种常见的传感器，它可以测量物体的应变变化，从而得出物体的变形情况。
应变传感器广泛应用于各种领域，如工业自动化、机器人、航空航天、医疗设备等。
本文将介绍应变传感器的工作原理及其应用。
一、应变传感器的基本原理应变传感器是一种基于电阻变化的传感器。
当物体受力变形时，物体内部的应变会导致电阻的变化。
应变传感器利用这种电阻变化来测量物体的应变变化。
应变传感器的基本构造包括弹性体、导电材料、电极和导线。
弹性体是应变传感器的核心部件，它可以感应到物体的应变变化。
导电材料涂覆在弹性体的表面上，用于传递应变信号。
电极连接在导电材料的两端，用于测量电阻变化。
导线连接在电极上，用于将电阻变化转化为电信号。
应变传感器的工作原理可以用以下公式描述：ε = ΔL/L其中，ε表示应变，ΔL表示物体的长度变化，L表示物体的初始长度。
应变传感器通过测量物体的应变来得出物体的长度变化。
二、应变传感器的应用应变传感器广泛应用于各种领域，如工业自动化、机器人、航空航天、医疗设备等。
以下是应变传感器的几种常见应用。
1. 工业自动化应变传感器可以用于测量机械设备的变形情况，从而判断设备是否正常运行。
例如，应变传感器可以用于测量机械臂的变形情况，从而控制机械臂的运动轨迹。
2. 机器人应变传感器可以用于测量机器人的变形情况，从而调整机器人的姿态和运动轨迹。
例如，应变传感器可以用于测量机器人手臂的变形情况，从而控制机器人手臂的运动轨迹和力度。
3. 航空航天应变传感器可以用于测量航空航天器的变形情况，从而判断航空航天器是否正常运行。
例如，应变传感器可以用于测量飞机机翼的变形情况，从而调整飞机的姿态和飞行速度。
4. 医疗设备应变传感器可以用于测量人体的变形情况，从而判断人体是否正常运行。
例如，应变传感器可以用于测量人体骨骼的变形情况，从而诊断骨折和关节疾病。
三、应变传感器的优缺点应变传感器具有以下优点：1. 测量精度高应变传感器可以测量微小的应变变化，从而得出高精度的测量结果。
电阻应变式传感器
晶面(crystal face): 在晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面。
晶向(crystal direction): 在晶格中,任意两原子之间的连线所指的方向。
晶向指数: 用密勒(Miller)指数对晶格中某一原子排列在空间的位向进行标定。
使用方法: 设置坐标; 求截距; 取最小整数。
半导体应变片在不同晶向上受相同大小应力作用时电阻率变化情况不同。例如p型硅在[111]晶向上的灵敏度k约为150，而在[100]晶向上仅为10左右。
2.1 应变式传感器
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一. 弹性体及其应变
弹性体（敏感元件）的基本概念：物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象称为变形。如果变形后的物体在外力去除后又恢复原来形状的变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。
（1）刚度：弹性元件产生单位变形所需的力。 （2）灵敏度：在单位力作用下弹性元件产生的变形。
双弯曲梁
R4
R2
R3
R1
F
电阻应变片种类： 丝式(绕线式)、箔式、半导体式
引出线
电阻丝(丝栅)
基底
二. 电阻应变片及其电阻变化
1．金属应变片
金属电阻应变片的结构如右图所示，它由敏感栅、基体、覆盖层（保护片）和引出线四部分组成
敏感栅是转换元件，由金属丝、金属箔制成，它被粘贴在基体上。通过基体把应变传递给它。 基体起绝缘作用。 覆盖层（保护片）起绝缘保护作用。 引出线焊接于敏感栅两端，作连接测量导线之用。 电阻应变片有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。金属电阻应变片又有丝式、箔式和薄膜式等结构形式。 机电设备中传感器的连接与信号获取
电阻应变片的粘贴
粘贴步骤：
3.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶 ，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡 。
第一节 应变式传感器
固有振动频率
0.32 f 0 2 2r 0 l 2l
E
r0—筒的内半径（d=2r0）；h—筒的厚度；p—筒壁作用压 力；E—弹性模量；l—圆筒长度；μ—圆筒材料泊松比； ρ—材料密度。
3.1.6
扭转圆柱
在力矩测量中常用到扭转圆柱，其结构如图3-9所示。
当圆柱承受扭矩Mt作用时，在柱表面产生的最大剪切应力为
应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是
应变片，测量转换电路一般为桥路；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。
lim F dF K （ ） x 0 x dx
F——作用在弹性元件上的外力 x——弹性元件产生的变形
dF K tg dx
6.灵敏度Sn:刚度的倒数，单位力产生的变形大小
dx Sn dF
当 S C n 元件；
当
，则
1 K C
，说明弹性元件是线性
Sn C
，说明弹性元件是一非线性元件。
等强度梁各处的应变值为
6l F 3 Eb0 h
自由端挠度为
6l 3 y F 3 Eb0 h
固有振动频率为
0.316h f 0 l2
灵敏度结构系数为：6
E
3.1.3
弹性圆环
如图3-4所示为一弹性圆环，集中载荷F加在顶部，圆环 A、B处的应力为
54 Fd 100bh 2
式中，b—圆环纵向宽度；h—环的厚度；d—圆环平均直径。
当弹性元件由多个元件串联或并联： 弹性元件并联时，总灵敏度Sn计算公式为：
Sn
1 1 i 1 Sni
1
串联时： 7.弹性滞后：
应变式传感器的工作原理
应变式传感器的工作原理
应变式传感器的工作原理是基于材料的应变特性。
当外部施加力或扭矩作用于传感器时，传感器内部的材料会发生形变。
这种形变会引起材料的电阻、电容或电感等电性质的变化。
通过测量这些电性质的变化，可以间接地得到外部施加力或扭矩的大小。
具体而言，常见的应变式传感器采用电阻应变片作为核心部件。
电阻应变片是由一种电阻材料制成的细片，其具有较高的导电性。
当电阻应变片受到外力作用而发生形变时，其电阻值会随之发生变化。
这是因为电阻应变片的形变会改变其中电阻材料的长度、宽度或截面积，进而改变导电路径的长度或截面积，从而影响电阻值。
因此，通过测量电阻值的变化，可以推算出外力的大小。
除了电阻应变片外，应变式传感器还可以采用压阻应变片、电容应变片等其他形式的传感器材料。
这些材料的工作原理类似，即通过测量电性质的变化来间接测量外力的大小。
总之，应变式传感器通过材料的形变引起的电性质变化，来间接测量外力或扭矩的大小。
应变式压力传感器
应变式压力传感器
应变式压力传感器是一种常用于工程和科学领域的传感器，其原理是利用材料
在受力作用下发生形变的特性来检测压力。
这种传感器对于测量各种物体的压力具有广泛的应用，比如在汽车制造中用于监测轮胎压力、在医疗设备中用于监测生理信号等。
工作原理
应变式压力传感器通常由弹性材料制成，当物体受到压力作用时，传感器的形
状会发生微小的变化，其电阻值也会随之改变。
这种电阻值的变化可以通过电路进行测量和记录，从而得到受力物体的压力值。
应用领域
应变式压力传感器在工业控制、医疗设备、航空航天等领域都有广泛的应用。
在工业控制中，它可以用于检测流体管道的压力，帮助进行流体控制和监测。
在医疗设备中，应变式压力传感器可用于测量心跳、血压等生理信号，帮助医生进行疾病诊断和治疗。
在航空航天领域，这种传感器可用于飞行器和宇航设备的压力监测，确保设备安全运行。
优点与局限
应变式压力传感器具有结构简单、成本低廉、灵敏度高的优点，但也存在一些
局限性。
例如，受限于弹性材料的特性，这种传感器的工作范围和耐久性可能受到一定的限制，需要根据具体的应用场景选择合适的传感器类型。
综上所述，应变式压力传感器作为一种常用的传感器类型，在工程和科学领域
具有重要的应用意义，其基本原理、应用领域和优缺点都值得我们深入了解和研究。
通过不断提升传感器技术水平，可以进一步拓展其在各个领域的应用，为现代科技发展提供更多可能性。
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。
应变式传感器的基本知识
目 录
• 引言 • 工作原理 • 类型与分类 • 应用领域 • 优缺点分析 • 发展趋势与未来展望
01
CATALOGUE
引言
定义与概述
定义
应变式传感器是一种用于测量应 变的传感器，通过将应变转换为 电信号，实现对应变量的测量。
概述
应变式传感器广泛应用于工程领 域，如压力、力、位移、速度等 的测量，具有高精度、高可靠性 、长寿命等特点。
化的现象。
应变片的电阻值变化是由于敏感 栅的形变导致其长度和截面积发
生变化，从而改变了电阻值。来自电阻应变效应是应变式传感器的 基本原理，广泛应用于各种物理
量的测量。
温度对应变式传感器的影响
温度变化对应变式传感器的测量结果产生影响，主要是由于温度对应变片的电阻值和弹性体的热膨胀 系数有较大影响。
为了减小温度对应变式传感器的影响，通常采用温度补偿措施，如采用热敏电阻、桥路自动补偿技术等 。
向发展，具有更小的体积和更高的精度。
智能化
02
集成化、智能化的传感器已成为趋势，能够实现自校准、自诊
断、自补偿等多种功能，提高测量精度和使用寿命。
多功能化
03
开发具有多种感知功能的复合传感器，如同时测量压力、温度
、湿度等参数的多参数传感器。
新材料的应用
新型敏感材料
如石墨烯、碳纳米管等新型材料具有优异的物理性能，为应变式 传感器的性能提升提供了新的可能。
度补偿。
输出信号小
应变片的阻值变化通常较小， 需要配置放大器来放大输出信 号。
粘贴工艺要求高
应变片的粘贴工艺要求较高， 如果粘贴不当，会影响传感器 的性能。
成本较高
相对于一些其他类型的传感器 ，应变式传感器的制造成本较
电阻应变式传感器工作原理
电阻应变式传感器工作原理
电阻应变式传感器是一种利用电阻值随物体形变而发生变化的传感器，常被用于测量材料的应变或力的大小。
其工作原理基于导电材料在受到应变时电阻值发生变化的特性。
以下是电阻应变式传感器的基本工作原理：
1. 导电材料的特性：电阻应变式传感器通常使用导电性能较好的金属材料，如铜或铂。
这些材料在受到外部应变（例如拉伸或压缩）时，会导致其内部原子结构的变化，从而改变电阻值。
2. 应变引起电阻变化：当导电材料受到应变时，晶格结构发生变化，导致电子流通的路径发生扭曲或拉伸，从而引起电阻值的变化。
这个变化通常是线性的，与应变的大小成正比。
3. 电桥电路：电阻应变式传感器常常被集成到电桥电路中。
电桥电路包括多个电阻，其中一个是电阻应变式传感器。
当传感器受到应变时，其电阻值发生变化，导致整个电桥电路的电阻不平衡。
通过测量电桥电路两个对角线上的电压差，可以确定电阻变化的大小，从而计算出应变的值。
4. 信号放大和处理：电阻应变式传感器输出的信号较小，通常需要进行放大和处理。
使用放大器、滤波器等电子元件来增强和调整传感器输出的信号，以便更准确地测量和记录应变值。
5. 应变测量与力/压力关联：应变是由物体的形变引起的，通过测量电阻应变式传感器的电阻变化，可以间接地得知物体的形变情况。
进一步，通过已知材料的弹性特性，可以将应变转换为物体所受的力或压力值。
总体而言，电阻应变式传感器通过测量导电材料在应变作用下的电阻变化，实现对物体形变的测量，从而可以用于测量受力物体的力或压力。
这种传感器在工程、结构监测和材料测试等领域得到广泛应用。
应变式传感器知识讲解
dL L
x
dr r
y
（金属丝的轴向应变量） （金属丝的径向应变量）
在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩 短。轴向和径向应变的关系可表示为：
y x ：金属材料的泊松系数
称为金属丝的应变灵敏系数。其物理意义是
单位应变所引起的电阻相对变化，灵敏系数受两
个因素的影响，一个是受力后材料几何尺寸的变
常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘 结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯 酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。 无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、 硼酸盐等。
第3章 应变式传感器 3.3电阻应变片的特性
（1）应变片的灵敏系数
➢ 金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝 不同；实验证明，应变片灵敏系数K < K0电阻丝灵 敏系数，产品的灵敏系数称“标称灵敏系数”。
➢广泛应用于－
各种电子秤
第3章 应变式传感器 概述
高 精 度 电 子 汽 车 衡
动态电子秤 电子天平
第3章 应变式传感器 概述
吊秤
机械秤包装机
第3章 应变式传感器
概述
应变式传感器作为测力的主要传感器，测力范 围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到 0.01—0.1%。
特点: ✓结构简单、精度高、测量范围广、体积小、特 性好。 ✓是目前测量力、力矩、压力、加速度等物理量 应用最广泛的传感器之一。
丝式应变片如图所示，它是将金属丝按图示 形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成,电阻丝两 端有引出线，使用时只要将应变片贴于弹性体上 就可构成应变式传感器。
a）丝式
b）箔式
c）半导体
第3章 应变式传感器 3.2 应变片的种类、材料及粘贴
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• 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：
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。
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:
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。
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 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。
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。
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
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。
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）：
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
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Βιβλιοθήκη 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 :
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．
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
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