电阻应变片式传感器及应用

UK 4
(1
2
3
4)
特点：相邻相减，相对相加
例题1：
R1
R2
R4
R3
设：R1 R2 R3 R4 120，无外力作用时，电桥平衡Uo 0 当给试件施加外力F之后，各应变片阻值变化如下：
R1' R1 1，R2' R2 1，R3' R3 1，R4' R4 1， 求此时的电桥输出电压为多少？
环境 引起应变片温度变化的因素通电发热
机械能
T R 误以为受力
应变片受温度变化影响 电阻丝与粘贴材料线膨胀不一致而产生的附加应力
所以温度变化会对应变片的测量带来误差。 解决的办法就是在测量电路中加入温度补偿环节。
二、测量电路
应变片可以把应变转换为电阻的变化，为了显示和记录应变大小， 还需要把电阻变化再转换为电压或电流的变化。
R1 R R1 R R R2 R R2 R R
Uo
U 2
R
R R U R R R
U R R U 2 2R
R U 2R
通过上式，说明双臂工作时，如果差动双臂应变大小一致（极性相反），则不 存在（或很小的）非线性误差，并可起到温度补偿作用。
3）三臂工作（同理） 4）四臂工作（同理）
3、其他问题
1）电桥的平衡点的调整 自由状态下进行
串联
并联
2）温度补偿：采用半桥或全桥 3）应变自补偿
选择式：选择电阻丝材料，使得t
R
线膨胀
R
相互抵消
组合式：选择分别为正负温度系数的两段电阻丝
热敏电阻补偿：测量电路中加入热敏电阻进行温度补偿
四、半导体应变片
金属电阻应变片的缺点是灵敏系数低（k一般为2.0~3.6），半导体应 变片k比金属电阻高约50倍。
R R
(1
2
r E)
r E
R (1 2 )
R
半导体应变片灵敏度高，K>100可不用放大器， 但半导体应变片有明显缺点：阻值，灵敏度等随温度变化大， 非线性大，所以使用时应采取温度补偿和非线性补偿措施。
电阻应变片传感器应用 案例：桥梁固有频率测量
原理
在桥中设置一三角形障碍物，利 用汽车碍时的冲击对桥梁进行激 励，再通过应变片测量桥梁动态 变形，得到桥梁固有频率。
1）单臂工作：
设固定电阻R2 R3 R4 R，采用一个应变片R1 R R1
Uo
U 2
R
U
R R1 R
R1 U 2R R1 2
U 4
R1 R
1
1 R1 2R
R
R1
R1 2R
0
1 1 1 R1 2R
U o
U 4
R1 R
以上说明：单臂工作时，输出电压与应变片电阻变化率之间是近 似的线性关系，实际上是非线性关系。这会带来非线性误差。
1、工作原理：（压阻效应）
R R
K
(1 2
)
(1 2)
对半导体来说：当某一轴向施加一定应力，电阻率发生变化称为压阻
效应，不同类半导体，不同加力方向，压阻效应不一样。
若半导 r体 r只沿 t纵t 向受应力，则
r E
式E 中：半导r体t 弹性纵模向数、横向压阻系数
纵向r应t 变纵向、横向应力
又 K R R (1 2)
从上式我们可以看出，K的大小主要由两个因素决定：
①由几何尺寸改变引起的1 2
②材料受力后的变化引起的
（因材料自由电子的活动能力和数量均发生变化而引起的电阻率变化）
2、应变极限 m
只有在电阻丝拉伸的极限之内，K才能保持常数
3 、 初 始 电 阻 ： 自 由 状 态 下 的 应 变 片 阻 值 ， 一 般 有 ： 60Ω ， 90Ω,120Ω，200Ω,300Ω,500Ω,1000Ω 4、允许电流：流过应变片的阻值应小于25mA 5、其他常数：如：横向效应，零漂，机械滞后 6、最高使用温度
低压进气口
高压进气口
小型压阻式固态差压传感器（续）
可用于呼吸、透析和注射泵等设备
电缆引出
p1进气管 p2进气管
小型压阻式固态压力传感器（续）
p1进气管 表压压力传感器
汽车子午线轮胎胎压的测量 汽车胎压传感器
的安装
子午线轮
投入式液位计
压阻式固态压力传感器的p1进气孔用柔性不锈
钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力。硅杯不与液体 相通，耐腐蚀。
Uo
( 121 119 121
119 ) 2.4 119 121
20mV
或U o
U 4
( R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 R4
)
2.4 1111 4 120
20mV
例题2：如图所示，测量一个悬臂梁受力情况，若测量电路已经确定 试摆放4个应变片的位置
R1
R3
R2
R4
2、应变片电桥的一般组成
应变式力传感器
F
F
F
F
S型力传感器
各种悬臂梁
各种悬臂梁
F
F
固定点
固定点
电缆
应变片在悬臂梁上的粘贴及变形
应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置
F
R4
R
R1
2
应变式荷重传感器外形及受力位置（续）
FF
应变式荷重传感器外形及受力位置（续）
F
F
荷重传感器原理演示
贴在荷重传感 器表面的应变 片在向下力的 作用下产生变 形。轴向变短， 径向变长。
若将输出电压的式子用泰勒级数展开
则有：U o
U 4
R1 R
1
1 R1
U 4
R1 R
[1
R1 2R
( R1 2R
)2
( R1 )3 2R
]
2R
这时，非线性误差e f
R1 ( R1 )2 ( R1 )3 2R 2R 2R
R1 100% 2R
2）双臂工作（差动半桥）
金属应变片有:丝式和箔式
优点:稳定性和温度特性好. 缺点:灵敏度系数小.
应变效应： 受外力F作用 应力 L，S， R
对R按应力求全微分得：dR d
S
dL
d
L d S d
L
S2
dS
d
对于微小变化，d
故有，R
S
L
L S
L
S2
S
R L S R LS
引入两个概念应变： 泊松比：
吊钩秤 如何将信号传 送到计算机中？
便携式
电子秤中的各类弹性元件
应变式数显扭矩扳手
数显扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制 造和家用电器等领域，准确控制紧固螺栓的装配扭矩。量程 2~500N·m，耗电量≤10mA，有公制/英制单位转换、峰值保 持、自动断电等功能。
应变式数显扭矩 扳手（续）
L
L D
D
L L
S D2 S 2DD
4
4
S 2 D
S
D
R (1 2)
R
因此有K R R (1 2)
K称为应变灵敏度，对金属应变片，再弹性范围内有 R K
R
1、分类
回线式
丝式应变片
（结构简单，性能稳定，价格便宜）
箔式应变片（短常接温式下应用较多）
源自文库
薄膜应变片（灵敏系数高）
电阻应变仪（续）
（参考东方振动和噪声技术研究所资料）
右图所示的静动态 应变仪技术指标：
量程：1±10000 μ ε
频率范围：0～150kHz • 平衡方式：手动 • 精度：0.3% • 零点飘移和灵敏度变
化：
±0.1 μ ε /℃ ±0.5 μ ε /24小
时 • 信噪比：52dB
电阻应变仪（续）
3.1电阻应变片式传感器及应用
• 电阻应变测量原理，是以电阻应变片作为传感元件，将其牢固地粘贴在构 件的测点上，构件受力后由于测点发生应变，应变片也随之变形而使应变片 的电阻发生变化，再由专用仪器测得应变片的电阻变化大小，并转换为测点 的应变值。
导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象， 称为电阻应变效应
当Ri Ri，负载电阻无限大时（放大器输入阻抗很高，可认为电阻为无穷大）
Uo
R1R2 (R1 R2 )2
( R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 R4
)U
特别当R1 R2，R3 R4时
Uo
U 4
( R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 R4
)
而当R1
R2
R3
R4时，将
Ri Ri
K
带入
i
则有：U o
压阻式固态压力传感器
利用扩散工艺制作的 四个半导体应变电阻处于同一 硅片上，工艺一致性好，灵敏 度相等，漂移抵消，迟滞、蠕
变非常小，动态响应快。
压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片
隔离、承 压膜片可以将腐蚀性 的气体、液体与硅膜 片 隔离开来。
p
压阻式固态 压力传感器
内部结构
信号处 理电路
小型压阻式固态压力传感器
与计算机接口的多路电阻应变测量模块
材料应变的测量
斜拉桥上的斜拉 绳应变测试
材料应变的测量（续）
预应力管桩的质量检验： 工作人员正在贴应变片 应变片粘贴在管桩上， 引出线应良好固定
感谢下 载
案例：电子称
原理
将物品重量通过悬臂梁转化结 构变形再通过应变片转化为电 量输出。
四、应变效应的应用
电阻应变片的应用可分为两大类： 第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量 转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。 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。
半导体应变片（尺寸小，灵敏系数大，非线性严重）
应变片的材料选择： 1、K应尽量的大，并在应变范围内保持常数。 2、电阻率要大，使得应变片栅状总长减小 3、电阻温度系数要小，使得应变片受发热影响小。 4、优良加工焊接性能，使应变片拉压自如
主要特性参数：
1、灵敏系数： K R R
( L) L
表示单位应变的电阻相对变化率。
汽车衡
测量装货量或 判断超载
汽车衡称重系统（参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 ）
荷重传感器用于 构件的称重
荷重传感器
（共 3个，120度分布， 以达到均衡目的，另两 个未拍出）
垫块
底座
电缆
电子秤
远距离 显示
磅秤
超市打印秤
电子天平
电子天平的精度 可达十万分之一
人体秤
怎样改造，才能适合 盲人使用？
由于应变信号一般都很微弱，故采用电桥来测量
1、直流电桥不平衡输出
Uo
U BC
U CA
R3 R3 R4
U
R2 R1 R2
U
R1R3 R2 R4 U (R1 R2 )(R3 R4 )
测量前应使电桥平衡，使Uo=0，即： R1R3 R2 R4
桥式电路中，四个电阻的任何一个都可以是应变片电阻
投入式液位计外形（续）
橡胶 背压管
压阻 式固态 压力传
感器
进水孔
与水位 成正比 的光柱
投入式液位传感器
投入式液 位传感器必须使用 安装支架，适应于 深度为 几米 至 几十米，且混有 大 量 污物、杂质 的水或其他液体的
液位测量。
电阻应变仪
下图所示的静态应变仪测量范围： ±19999με； 分辨率： 1 μ ε；电桥电压：直流2.5V； 应变片：120Ω或其他阻值； 测量点数： 8/16点；