电阻应变式传感器的工作原理及应用 2
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⑤.蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。 缺点：电阻值的分散性比金属丝的大，有的相差几十欧姆， 需做阻值调整。在常温下，金属箔式应变片已逐步取代了金
属丝式应变片。
3、薄膜应变片
薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝 缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅, 最后再加 上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大, 允许电流密度大, 工作范围广。
图为 应变片敏感栅半
圆弧部分的形状。沿 轴向应变为ε，沿横向 应变为εr 。
θ
dθ
dl
丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分
若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴
向应变ε作用下，全部纵栅的变形视为ΔL1
ΔL1= n lε 半圆弧横栅同时受到ε和εr的作用，在任一微小段长度
d l = r dθ上的应变εθ可由材料力学公式求得
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
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。
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。
1.2 电阻应变片的工作原理
1
电阻应变片结构示意图
2）电阻-应变特性
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
R l
S
两边取对数，得
ln R ln ln l ln S
等式两边取微分，得
dR d dl dS RlS
dl l
d—RR—金—属—丝电长阻度的相相对对变变化化，；用dε表示—，—ε=电阻率dl的称相为对金变属化丝；长度
1、应变效应 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。 2、电阻应变片的结构和工作原理 1）应变片的结构
由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4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。
43
b
2
l
栅宽
栅长
l l
KS
金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在 比例关系。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。
物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。
KS由两部分组成： 前一部分是（1+2μ），由材料的几何尺寸变化引起，一 般金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6； 后一部分为 / ，电阻率随应变而引起的（称“压 阻效应”）。 l / l
短接式应变片两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝 短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复 杂
图中 应变片 a、c回线式 b、d短接式
2.箔式应变片 它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.003～0.01mm的金
属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。 优点：①.可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长l可 做0.2mm，以适应不同的测量要求；②.与被测件粘贴结面积 大； ③.散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏 度； ④.横向效应小。
应变式传感器特征： ➢不同材料类型；金属应变片、半导体应变片 ➢应用范围；应变力、压力、转矩、位移、加速度； ➢主要优点；使用简单、精度高、范围大、体积小。
概述
➢广泛应用于－ 各种电子秤
概述
高 精 度 电 子 汽 车 衡
动态电子秤 电子天平
概述
机械秤包装机
吊秤
1.1 电阻应变式传感器的工作原理
dS
l
方向上的应变或轴向应变； S ——截面积的相对变化。
S=π r 2
dS /S=2·dr/r
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
dR d dl (1 2) d (1 2 )
R l
将微分dR、dρ改写成增量ΔR、Δρ，则
R R
(1 2
/ )
l / l
系数c。即
c
Ky Kx
ຫໍສະໝຸດ Baidu
n 1r 2nl n 1r
由上式可见，r愈小，l愈大，则c愈小。即敏感栅越
窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小
1.3 电阻应变片的种类、材料和参数
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。
2nl
(n 1)r
2L
KS
(n 1)r
2L
KSr
令
Ky
(n
1)r
2L
KS
Kx
2nl
(n 1)r
2L
KS
则
R R
Kx
K y r
可见，敏感栅电阻的相对变化分别是ε和εr作用的结
果。
当εr=0时，可得轴向灵敏度系数
Kx
R R
x
同样，当ε=0时，可得横向灵敏度系数
Ky
R R
y
r
横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应
传 感 器 原理
设计及应用
传 感 器 原理
设计及 应用
主要内容
电阻应变式传感器的工作原理 电阻应变片的工作原理 电阻应变片的种类、材料和参数 电阻应变片的动态响应特性 粘合剂和应变片的粘贴技术 电阻应变片传感器的温度误差及其补偿 电阻应变式传感器的信号调节电路及电阻应变仪 电阻应变式传感器
概述
电阻式应变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%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲 式、剪切式。
对金属材料，以前者为主，则KS≈ 1+2μ； 对半导体， KS值主要由电阻率相对变化所决定。 实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与 轴向应变成正比。通常KS在1.8～3.6范围内。
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
1
2
r
1
2
r cos2
每个圆弧形横栅的变形量Δl为
l
r
0
dl
0 rd
r
2
r
纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅
的变形量为
L2
n
1r
2
r
应变片敏感栅的总变形为
L
L1
L2
2nl
n
2
1r
n
1r
2
r
敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则 电阻相对变化为
R R
KS
L L
属丝式应变片。
3、薄膜应变片
薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝 缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅, 最后再加 上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大, 允许电流密度大, 工作范围广。
图为 应变片敏感栅半
圆弧部分的形状。沿 轴向应变为ε，沿横向 应变为εr 。
θ
dθ
dl
丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分
若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴
向应变ε作用下，全部纵栅的变形视为ΔL1
ΔL1= n lε 半圆弧横栅同时受到ε和εr的作用，在任一微小段长度
d l = r dθ上的应变εθ可由材料力学公式求得
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
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。
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。
1.2 电阻应变片的工作原理
1
电阻应变片结构示意图
2）电阻-应变特性
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
R l
S
两边取对数，得
ln R ln ln l ln S
等式两边取微分，得
dR d dl dS RlS
dl l
d—RR—金—属—丝电长阻度的相相对对变变化化，；用dε表示—，—ε=电阻率dl的称相为对金变属化丝；长度
1、应变效应 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。 2、电阻应变片的结构和工作原理 1）应变片的结构
由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4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。
43
b
2
l
栅宽
栅长
l l
KS
金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在 比例关系。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。
物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。
KS由两部分组成： 前一部分是（1+2μ），由材料的几何尺寸变化引起，一 般金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6； 后一部分为 / ，电阻率随应变而引起的（称“压 阻效应”）。 l / l
短接式应变片两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝 短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复 杂
图中 应变片 a、c回线式 b、d短接式
2.箔式应变片 它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.003～0.01mm的金
属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。 优点：①.可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长l可 做0.2mm，以适应不同的测量要求；②.与被测件粘贴结面积 大； ③.散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏 度； ④.横向效应小。
应变式传感器特征： ➢不同材料类型；金属应变片、半导体应变片 ➢应用范围；应变力、压力、转矩、位移、加速度； ➢主要优点；使用简单、精度高、范围大、体积小。
概述
➢广泛应用于－ 各种电子秤
概述
高 精 度 电 子 汽 车 衡
动态电子秤 电子天平
概述
机械秤包装机
吊秤
1.1 电阻应变式传感器的工作原理
dS
l
方向上的应变或轴向应变； S ——截面积的相对变化。
S=π r 2
dS /S=2·dr/r
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
dR d dl (1 2) d (1 2 )
R l
将微分dR、dρ改写成增量ΔR、Δρ，则
R R
(1 2
/ )
l / l
系数c。即
c
Ky Kx
ຫໍສະໝຸດ Baidu
n 1r 2nl n 1r
由上式可见，r愈小，l愈大，则c愈小。即敏感栅越
窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小
1.3 电阻应变片的种类、材料和参数
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。
2nl
(n 1)r
2L
KS
(n 1)r
2L
KSr
令
Ky
(n
1)r
2L
KS
Kx
2nl
(n 1)r
2L
KS
则
R R
Kx
K y r
可见，敏感栅电阻的相对变化分别是ε和εr作用的结
果。
当εr=0时，可得轴向灵敏度系数
Kx
R R
x
同样，当ε=0时，可得横向灵敏度系数
Ky
R R
y
r
横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应
传 感 器 原理
设计及应用
传 感 器 原理
设计及 应用
主要内容
电阻应变式传感器的工作原理 电阻应变片的工作原理 电阻应变片的种类、材料和参数 电阻应变片的动态响应特性 粘合剂和应变片的粘贴技术 电阻应变片传感器的温度误差及其补偿 电阻应变式传感器的信号调节电路及电阻应变仪 电阻应变式传感器
概述
电阻式应变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%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲 式、剪切式。
对金属材料，以前者为主，则KS≈ 1+2μ； 对半导体， KS值主要由电阻率相对变化所决定。 实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与 轴向应变成正比。通常KS在1.8～3.6范围内。
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
1
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r
1
2
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每个圆弧形横栅的变形量Δl为
l
r
0
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纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅
的变形量为
L2
n
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2
r
应变片敏感栅的总变形为
L
L1
L2
2nl
n
2
1r
n
1r
2
r
敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则 电阻相对变化为
R R
KS
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