2.1 电阻应变式传感器(一)
电阻式传感器(应变式传感器
d E
（2-10）
8
式中： π——半导体材料的压阻系数; σ——半导体材料的所受应变力; E——半导体材料的弹性模量; ε——半导体材料的应变。
将式（2-10）代入式（2-9）中得
dR (1 2 E)
R
（2-11）
实验证明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半导 体应变片的灵敏系数为
14
表2-1 常用金属电阻丝材料的性能 15
康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于它有很多 优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常 数， 进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；康铜的电阻 温度系数较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，可使电阻 温度系数在±50×10-6/℃的范围内；康铜的加工性能好，易于 焊接， 因而国内外多以康铜作为应变丝材料。
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
.2.1 金属电阻应变片的种类
引线
覆盖层 基片
b
l 电 阻 丝式 敏 感 栅
图2-2 金属电阻应变片的结构
11
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和箔式两种形式，如图2-3所示。丝式金 属电阻应变片的敏感栅由直径0.01～0.05mm的电阻丝平行排列 而成。箔式金属电阻应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一 种很薄的金属箔栅， 其厚度一般为0.003~0.01mm，可制成各种 形状的敏感栅（即应变花），其优点是表面积和截面积之比大， 散热性能好，允许通过的电流较大，可制成各种所需的形状， 便于批量生产。覆盖层与基片将敏感栅紧密地粘贴在中间，对 敏感栅起几何形状固定和绝缘、保护作用，基片要将被测体的 应 变 准 确 地 传 递 到 敏 感 栅 上 ， 因 此 它 很 薄 ， 一 般 为 0.03 ～ 0.06mm, 使它与被测体及敏感栅能牢固地粘合在一起，此外它 还应有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性能。基片和覆盖层 的材料有胶膜、纸、玻璃纤维布等。
《电阻应变式传感器》课件
1
电阻应变效应简介
深入了解电阻应变效应的基本原理和工作机制。
2
变形与电阻变化的关系
解释传感器受力变形时导致电阻变化的关系。
3
应变片的材料和制作工艺
探索应变片所使用的材料和制作工艺，以及其对传感器性能的影响。
电路设计
桥式电路的原理
了解桥式电路在电阻应变式传感 器中的作用和原理。
电阻应变式传感器的电路 设计要点
常见故障及排除方法
提供常见故障和ห้องสมุดไป่ตู้题的排除方法，确保传感器 的正常运行。
结论
1 优缺点和特点
总结电阻应变式传感器的优缺点和特点，了解其适用性和局限性。
2 市场前景和研究方向
展望电阻应变式传感器在未来的市场前景和可能的研究方向。
《电阻应变式传感器》 PPT课件
这是一份关于电阻应变式传感器的课件，将介绍该传感器的概述、原理、电 路设计和应用实例，帮助您理解其优缺点和市场前景。
传感器的概述
电阻应变式传感器
了解什么是电阻应变式传感器以及其在不同领 域的应用。
传感器的类型和特点
探索不同类型的传感器及其独特的特点和优势。
电阻应变式原理
探索设计电路时需要注意的关键 要点。
信号放大与滤波电路的设计
讲解信号放大和滤波电路在传感 器中的设计原则。
应用实例
1
工业自动化控制
展示电阻应变式传感器在工业领域中实
航空航天、汽车和建筑
2
际应用的案例。
探索电阻应变式传感器在航空航天、汽 车和建筑等领域的广泛应用。
维护与保养
维护周期和方法
讲解电阻应变式传感器的维护周期和适当的维 护方法。
第2章电阻式传感器及应用
2019/11/7
15
4.焊接：检查合格 后用烙铁焊接引出 线，注意不要把端 子扯断。
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16
5.固定：焊接后 用胶布将引线和 被测对象固定在 一起，防止损坏 引线和应变片。
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17
二、应变片的工作原理
金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。
R
l A
l
r2
例如，当x为0.000001时，在工程中常表示为110-6
或m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变(με)。
对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变 最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可能超过 材料的极限强度而导致断裂。
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24
应变片用于测量力F的计算公式：
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19
电阻丝变形过程
• 以圆柱形导体为例：电阻R（根据电阻的定义式）
图2-3 金属电阻丝应变效应
电阻丝 电阻率
电阻丝 截面积
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R
l A
l
r2
电阻丝 长度
电阻丝 半径
20
当导体因某种原因产生应
变时，其长度L、截面积A和 电阻率ρ的变化为dL、dA、 dρ相应的电阻变化为dR。
1）单臂电桥
R1为工作应变片， R2、R3、R4为固定电阻。 假设桥臂R1的阻值变为 R1+Δ R1。 则输出电压：
UO=U14-U24 =[R2/(R1+Δ R1+R2) -R4/(R3+R4）]U
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经运算：U0=-[ΔR1R4/（R1+ΔR1+R2）（R3+R4）]U 分子分母同除以R1R3，
2.1 电阻应变式传感器
r r0
(a) 拉伸
(b) 压缩
绝对伸长 Δl 0
绝对压缩 Δl 0
Δr 0
Δr 0
传感器及检测技术
轴向应变 径向应变 泊松系数
y
Δl F l0 AE E
x
r r0 Δr F r0 r0 AE
y x
反映物质形变程度， 反映物质弹性特征（0.2 ~ 0.4）， E是材料的弹性模量. E钢=2.0*1011N/m2 E铝=0.7*1011N/m2
在AB，BC两个臂上分别接上工作片，温度影响将互相抵消。
4
3
U
BD
E R1 4 R1
R R
3
3
EK 4
1 2
对臂测量
传感器及检测技术
在AB，CD两个臂上接工作片，BC，DA接温度补偿 片。四个臂的电阻同处一个温度场，温度影响相互抵消。
传感器及检测技术
电阻相对变化量为：
l
dR dL d dA R L A
2r 2(r-dr)
F 若电阻丝是圆形的， 则A=πr ²,对r 微分 得dA=2πr dr，则： l+ dl
金属丝的应变效应
dA 2rdr dr 2 2 A r r
传感器及检测技术
令
dL y — —金属的轴向应变 L dr x — —金属的径向应变 r
E R1 R2 R3 R4 EK U DB （ ） U DB 4 1 2 3 4 4 R1 R2 R3 R4
读
1
2
3
4
式中： 1、 2、 3、 4分别代表四个应变片所感受的应变值，
电阻应变式传感器练习题(1)
课堂练习卷（二）姓名：
一、填空（42%）：
1.能将被测 (如应变、温度、湿度等)的变化转换成的变化的装置，称为电阻式传感器。
2.导电材料的电阻不仅与材料的、有关，还与、和等因素有关。
3.常用的有电阻应变式传感器、传感器、电阻传感器、电阻传感器、电阻传感器、电阻传感器等。
4.电阻应变式传感器是利用电阻应变片受后发生致使发生变化
的原理，来测量被测物理量的大小。
5. 应变片根据所使用的材料不同，可分为应变片和应变片两大类。
6. 利用电阻应变原理制成的传感器可用来测量诸如、、等参数。
7. Resistance strain-gage transducter的中文是。
二、选择填空（18%）
下图为测量某一试件受力情况示意图。
试分别说明六种情况下测量的效果。
➢无测量作用的为：
➢能测量，但无温度补偿作用且不能提高灵敏度的为：
➢能测量、有温度补偿作用，但不能提高灵敏度的为：
➢能测量、无温度补偿作用但能提高灵敏度的为：
R1R1R2R
1
R1R2
R1
R2 R1
（A）（B）（C）（D）（E）（F）
1
三、问答题：
1.画出电桥测量电路，并分别说明四种不同的应用（要写出应用的名称和对应的输入输出关系式）。
（25%）
2.右图是应变式加速度传感器的原理图，说明其工作原
理，并指出该测量方法是否有温度补偿作用、能否提高灵敏
度。
（15%）
返回
2。
电阻应变式传感器介绍
最低固化条件 室温10小时或
60℃2小时 室温1小时 室温24小时 室温2.5小时 200℃2小时 150℃3小时 150℃1小时 190℃3小时 200℃3小时 280℃2小时 400℃1小时 400℃3小时
固化压力 /104Pa 0.5~1
粘合时指压
0.3~0.5 粘合时指压 粘合时指压
2 1~2 — — 1~3
基底材料有纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等 制成胶膜, 厚度约0.03～0.05mm
3.黏合剂材料
用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。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。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和 敏感栅。
2.3应变片的主要参数
1.应变片电阻值（R0） 电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、350Ω，500Ω和1000Ω 等 多种规格，以120Ω最为常用。 应变片的电阻值越大，允许的工作电压就大，传感器的输出电压 也大，相应地应变片的尺寸也要增大，在条件许可的情况下，应 尽量选用高阻值应变片。
2.绝缘电阻(敏感栅与基底间电阻值: 要求>1010欧姆；
在金属丝的弹性范围内，灵敏系数KS 为常数，即 :
R R
Ks
线性关系
通常很小, 常用10-6表示之。例如, 当 为0.000001时, 在工程中 常表示为1 10-6或 m/m。在应变测量中, 也常将之称为微应变
(με)。对金属材料而言, 当它受力之后所产生的轴向应变最好不要 大于1 10-3, 即1000 m/m, 否则有可能超过材料的极限强度而 导致断裂。
合剂
化环已酮、萘酸钴干料
环氧树脂、聚硫酚铜胺、 固化剂
环氧树脂类 酚醛环氧、无机填料、
第2章 电阻应变式传感器
F
3.2.2 位移传感器
R4 R3 U0 R1 E R2 R1 R2 F
图2.11 应变片式线位移传感器
U
3.2.4 压力传感器
0
= k U ε = kU
3l 4 Eb h
2
F
3.2.3 加速度传感器
作业: 作业:
1. 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 2. 电阻应变式传感器的工作原理? 电阻应变式传感器的工作原理? 3. 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 以及不对称电桥的输出电压变化. 以及不对称电桥的输出电压变化.
3.2 应用
3.2.1 应变式测力与荷重传感器
kU F U 0 = 2 (1 + ) AE
图2.8 受力圆柱上应变片的粘贴
图2.9 受力薄臂环上应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
1 .092 R bδ E
2
F
图2.10 受力等强度梁应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
6l E b0 h
1
Z3 = Z 2Z 4
z1 z3 = z 2 z 4
φ1 + φ3 = φ2 + φ4
或
(R1 + jX1)(R3 + jX3 ) = (R2 + jX2 )(R4 + jX4 )
2.2 电桥的调平衡
在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节. 在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节.对于直流 电桥可采用串联或并联电位器法, 电桥可采用串联或并联电位器法,对于交流电桥一般采用阻 容调平衡法. 容调平衡法.
第二章 电阻应变式(1)2013
d dV C V
dV dL d (r 2 ) 1 2 x 2 V L r
R [1 2 C 1 2 ] x K s x R
Ｋs 越大越好！
金属材料应 变灵敏系数
Ｋs：导线每单位应变引起的电阻值的相对变化量。
S L 2 S L
为材料的泊松比, 金属:０.2~０.4 ；半导体:0.35。
R L 1 2 R L
2.1.1 电阻应变片的工作原理
定义轴向应变为
x ，径向应变为 L/ L
y r / r
公式（2-6）
R L 1 2 x 1 2 R L
U o I1 R2 I 2 R4 UR2 UR4 R1 R2 R3 R4
R2 R3 R1 R4 Uo U ( R1 R2 )(R4 R3 )
当电桥平衡时，U0=0， 则有：
U I1 R1 R2
U I2 R3 R4
R1R4 R2 R3
或
R1 R3 R2 R4
直流电桥电路
（1）直流电桥平衡条件
R1R4 R2 R3 Uo E ( R1 R2 )(R4 R3 )
R1R4 R2 R3
R1 R3 R2 R4
2.1.3 测量电路
（2）电压灵敏度
单臂电桥：只有一个臂的应变片电阻变化， 其他的桥臂无变化，这时的输出电压 U 0 0 ， 电桥处于非平衡状态。
优点：灵敏系数大，比金属电阻应变片打50~70倍；把弹性元 件与应变电阻集成一体，易于大批量生产，能够方便实现微型 化、集成化、智能化。 缺点：电阻和灵敏系数的温度系数大、非线性大和分散性大。
电阻应变式传感器的工作原理
电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器是一种常用的传感器，它可以将被测物体的应变变化转化为电阻值的变化，从而实现对被测物体应变的测量。
其工作原理主要包括应变测量原理和电阻变化原理两个方面。
首先，我们来看看电阻应变式传感器的应变测量原理。
当外力作用于被测物体时，物体会产生应变，即单位长度或单位面积上的形变。
而电阻应变式传感器的测量原理就是利用被测物体在受力作用下产生的微小应变，使其表面上的电阻值发生相应的变化。
这种应变导致了电阻值的变化，进而实现了对应变的测量。
其次，电阻应变式传感器的电阻变化原理也是其工作原理的重要部分。
在电阻应变式传感器中，通常会使用一种特殊的材料制成弹性应变片，当被测物体产生应变时，这些应变片也会受到影响而发生微小的形变。
这种形变会导致应变片上的电阻值产生相应的变化，从而实现了对应变的测量。
总的来说，电阻应变式传感器的工作原理是利用被测物体在受力作用下产生的微小应变，使其表面上的电阻值发生相应的变化，从而实现了对应变的测量。
通过测量电阻值的变化，我们可以准确地了解被测物体所受到的应变情况，为工程实践和科学研究提供了重要的数据支持。
除此之外，电阻应变式传感器还具有灵敏度高、响应速度快、可靠性高等优点，因此在工业自动化控制、航空航天、汽车工业、建筑工程等领域得到了广泛的应用。
它不仅可以用于测量金属、非金属材料的应变，还可以用于测量温度、压力等物理量，因此在工程领域具有重要的地位和作用。
综上所述，电阻应变式传感器的工作原理是基于应变测量原理和电阻变化原理，通过对被测物体产生的微小应变和电阻值的变化进行测量，从而实现了对应变的准确测量。
它在工业领域有着广泛的应用前景，对于提高生产效率、保障产品质量具有重要的意义。
2-1 力传感器_应变式-2013
平均应变εm与中点应变εt相对误差δ为：
t
m
1 m
s 1
t
t
in l
l
可见，δ只取决于 l。
误差δ的计算结果
l
δ（%）
1/10
1.62
1/20
0.52
由表可知，应变片栅长与正弦应变波波长之比愈小，δ愈小。
当应变片栅长为应变波长的1/10~1/20时，δ小于2%。
取l/=1/10，则由=v/f 得：f=0.1v/l。
x 0 sin
2
x
应变片中点的应变为
t
0 sin
2
xt
xt为t时刻应变片的中点坐标。 测试得到的应变片在栅长范围内的平均应变为εm，则
其数值等于l范围内应变波曲线下的面积除以 l，即
l
m
1 l
2 xt
l 2
sin xt
l 2
0
xdx
0
sin
2
sin
xt
l
2.1 电阻应变式传感器
缺点：有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，只能测量一点 或应变栅范围内的平均应变。
2.1 电阻应变式传感器
2.1.1 应变效应和工作原理
应变效应：导体或半导体材料受外力(拉或压力)作用时， 会产生机械变形，机械变形导致其电阻值变化。
设一长l、截面积为S、电阻率为ρ的园柱体，其电阻为
R l
S
设外力F作用下圆导体被拉伸(或压 缩)，则：
件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。 ③ 两应变片应处于同一温度场。
2.1 电阻应变式传感器
在某些测试条件下，可通过改变应变片的粘贴位置， 实现温度补偿，并可提高应变片的灵敏系数。
四种压力传感器的基本工作原理及特点
四种压力传感器的基本工作原理及特点四种压力传感器的基本工作原理及特点一：电阻应变式传感器一：电阻应变式传感器1 1电阻应变式传感器定义被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它产生变形，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称按这种原理设计的传感器称为电阻应变式压力传感器。
为电阻应变式压力传感器。
1.2 电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片。
箔式应变片是以厚度为0.002——0.008mm 的金属箔片作为敏感栅材料，，箔栅宽度为0.003——0.008mm 。
丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝(直径0．015--0．05mm)，平行地排成栅形(一般2——40条)，电阻值60——200 Ω，通常为120 Ω，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即制成了纸基的电阻丝式应变片。
制成了纸基的电阻丝式应变片。
测量时，测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于待测的弹性敏感元件表面上，待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，电阻片电阻片也跟随变形。
如下图所示。
B 为栅宽，L 为基长。
为基长。
材料的电阻变化率由下式决定：材料的电阻变化率由下式决定：d d d R A R A r r=+ （1） 式中；式中；R —材料电阻由材料力学知识得；由材料力学知识得； [(12)(12)]dRR C K m m e e =++-= (2) K —金属电阻应变片的敏感度系数式中K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分dR 、dL 改写成增量ΔR 、ΔL,可得可得 R L K K R Le D D == (3) 由式(2)可知，可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形ε,而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了ΔR 的变化，也就得到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。
传感器原理及应用-第2章
电桥电路
力、加速度、荷重等
应变
电阻变化
电压、电流
图2-1 电阻应变式传感器典型结构与测量原理
电阻应变片：利用金属丝的电阻应变效应或半导 体的压阻效应制成的一种传感元件。
电阻应变片的分类： 金属应变片和半导体应变片。
一、电阻应变片
（一）工作原理——应变效应
导体或半导体材料在外力的作用下产生机械变形时， 其电阻值相应发生变化的现象称为应变效应。
第二章 应变式传感器
主要内容：
一、电阻应变式传感器 二、压阻式传感器
本章重点：
电阻应变式传感器的构成原理及特性 电桥测量电路的结构形式及特点 压阻式传感器的工作原理
基本要求：
掌握电阻应变式传感器的构成原理及特性， 掌握电桥测量电路的结构形式及和差特性，掌握 压阻式传感器的工作原理及设计特点。
in2x
图2-10 应变片对应变波的动态响应
应变片对正弦应变波的响应是在其栅长 l 范围内所
感受应变量的平均值 m，低于真实应变波 t ，从而
产生误差。
t 瞬时应变片中点的应变(真实应变波) 值为：
t
0
s
in2
xt
t 瞬时应变片的平均应变(实际响应波) 值为：
m
也可写成增量形式
RRKs
l l
Ks
式中，Ks——金属丝的应变灵敏系数。物理意义是单位应变 所引起的电阻相对变化量。
金属丝的灵敏系数取决于两部分：
①金属丝几何尺寸的变化， 0 .3 (1 2 ) 1 .6
②电阻率随应变而引起的变化
Hale Waihona Puke 金属丝几何尺寸 金属本身的特性C
如康铜，C≈1， Ks ≈2.0。其他金属， Ks一般在1.8~4.8范围内。
第二章-1电阻应变片
∆R = K xε x + K y ε y R
K
K
x
轴向灵敏系数 横向灵敏系数
y
横向灵敏度： 横向灵敏度：
H =
K K
y x
一般H<5% 一般
ε
1+ H y εx ∆R = K x (ε x + Hε y ) = K s [ ]ε x = K 0 ε x R 1+ H
K0—应变片的灵敏系数 应变片的灵敏系数
（1）应变片检查 ） 外观检查：应变片有无折痕. ①外观检查：应变片有无折痕.断丝等缺陷 电阻值检查： ②电阻值检查：用数字万用表测量应变片电阻值大 同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5 小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于 欧姆. 欧姆 （2）修整应变片 ） 对没有标出中心线标记的应变片，应在其基底上标出中心线； ①对没有标出中心线标记的应变片，应在其基底上标出中心线； 对基底较光滑的胶基应变片，可用细沙将基底轻轻的稍许打磨， ③对基底较光滑的胶基应变片，可用细沙将基底轻轻的稍许打磨，并用 溶剂洗净。 溶剂洗净。 （3）试件表面处理 将要贴应变片的试件表面部分使之平整光洁，无油漆、锈斑、氧化层、 将要贴应变片的试件表面部分使之平整光洁，无油漆、锈斑、氧化层、 油污和灰尘等。一般用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。 油污和灰尘等。一般用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。
10
应变片的主要参数
f）横向灵敏度： 横向灵敏度：
由于由于丝栅圆弧段的存在，电阻丝的变形不但受轴向应变εx的作用， 由于由于丝栅圆弧段的存在，电阻丝的变形不但受轴向应变εx的作用，同 εx的作用 时也受横向应变εy的作用。 εy的作用 时也受横向应变εy的作用。
第一章电阻式应变式传感器
上午2时13分
38
全桥差动
③ 全桥差动
R1、R4 受拉应变 R2、R3 受压应变
R1+ΔR1
为提高电桥电压灵敏度 n=1 R4-ΔR4
R1-ΔR1 + U0
R4+ΔR4-
R2 R4 1 R1 R3
E 图1.16 全桥差动电路
上午2时13分
39
全桥差动
结论：
Uo
E
R1 R1
KU E
✓Uo与ΔR1/R1成线性关系，无非线性误差， ✓而且电桥电压灵敏度KU=E，是单臂工作时的四倍。 ✓同时还具有温度补偿作用。
上午2时13分
18
温度误差 四、电阻应变式传感器的温度误差及补偿
1、温度误差及产生原因
由于温度变化引起的应变输出
（1）敏感栅电阻值（T）
Rt=R0(1+αΔt)
Rt R0 R0t Rt R0t
附加应变
t
Rt / R0 K
R0t / R0
K
t
K
特点
T ； ； t
上午2时13分
19
温度误差
电 桥
桥臂关系
半等臂电桥
电源端对称 Z1 Z 4, Z 2 Z 3 输出端对称 Z1 Z 2, Z 3 Z 4
全等臂电桥 Z1 Z 2 Z 3 Z 4
负载 电压输出桥：RL , I 0
功率输出桥：U、I
上午2时13分
28
平衡电桥
（一）
R1
R2
1 平衡电桥
RL U0
当RL→∞时，电桥输出电压为：
y x
上午2时13分
泊松比
6
一、工作原理
电阻丝的灵敏系数Ks：单位应变所引起的电阻相对变
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
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2.1数 （二）横向效应 （三）动态特性
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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
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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
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任务2.1 电阻应变式传感器的工作原理
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。
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。
R / l (1 2 ) KS R l / l l
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；
国家标准中规定的常温应变片使用温度为-30～+600℃，常温 应变片一般采用康铜制造；由于基底材料和粘接剂的限制，目 前200～250℃的中温箔式电阻应变片一般都使用卡玛合金制作； 工作温度大于350℃的高温应变片需订做，常用金属基底，使用 时用点焊将应变片焊接在试件上。
3.阻值的选择 依据测量电路或仪器选定应变片的标称阻值。如配用电阻 应变仪，常选用120Ω阻值。
3）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 l 电阻R为 R
S
两边取对数，得 等式两边取微分，得
ln R ln ln l ln S
dR d dl dS R l S
dR d ——电阻的相对变化； ——电阻率的相对变化； R dl dl 称为金属丝长度 l ——金属丝长度相对变化，用ε表示，ε=
概述
广泛应用于－ 各种电子秤
应变片用于各种电子衡器
电子天平
应变式电阻传感器
即:
∆ R R = K ε 或 ∆R K = R
ε （ 2 − 14 ）
为金属应变片的灵敏系数。 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 测量结果表明， 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。 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， 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， 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。 圆弧部分的电阻发生变化。 应变片的这种既受 轴向应变影响， 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 横向效应。 象称为横向效应
2.2 电阻应变片的重要特性 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， 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 当金属丝做成应变片后，其电阻— 特性与金属单丝情况不同。实验表明， 特性与金属单丝情况不同。实验表明，金属 金属单丝情况不同 应变片的电阻相对变化与应变ε 在很宽的范 围内均为线性关系。 围内均为线性关系。
εy=-μεx
（2-5）
μ为金属材料的泊松系数。 为金属材料的泊松系数。
将（2-4）式、（2-5）代入（2-3）式得： 、（2 代入（ 式得：
dR dρ = ( 1 + 2µ )ε x + ρ R dρ dR ρ R = ( 1 + 2µ ) + 或
（2 − 6） （2 − 7）
dρ
εx
εx
令 KS =
l+ dl
F
图2-1 金属丝的应变效应
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第1课时
教学内容：
2.1 电阻应变式传感器
教学目标：
熟悉电阻式应变传感器的概念、构成、工作原理。
掌握电阻式应变传感器的基本用途和应用。
教学重、难点：
传感器的应用、工作原理
教学方法：
讲授、多媒体、图表
教学过程：
一、电阻应变式传感器概述
1. 概念：
(1电阻应变式传感器：利用金属的电阻应变效应制造的一种测量微小变化量（机械）的传感器。
(2电阻应变效应：导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，其电阻值也将发生变化的现象。
2. 构成：
弹性敏感元件（敏感元件）与电阻应变片（转换元件）构成。
3. 基本原理：
弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形，使表面产生应变。
而黏结在其表面上的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，使其电阻值也产生相应的变化。
这样，将被测量的变化转换成传感器元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。
4. 类型：
测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等传感器。
5. 特点：
(1这类传感器结构简单，使用方便，性能稳定、可靠。
(2易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测。
(3灵敏度高，测量速度快，适合静、动态测量。
(4可以测量各种物理量。
因此在航空航天、机械、化工、交通、建筑、医学、汽车工业等领域有很广的应用。
课堂小结：
概念构成原理种类测量电路应用
课后作业：
P73 1
教学反思：
学生对概念掌握比较快，能正确正解其特。
第2课时
教学内容：
2.1 电阻应变式传感器
教学目标：
熟悉电阻式应变传感器的概念、构成、工作原理。
掌握电阻式应变传感器的基本用途和应用。
教学重、难点：
传感器的应用、工作原理
教学方法：
讲授、多媒体、图表
教学过程：
二、电阻应变片的种类及材料
1. 金属丝式应变片（图２－１）
(1分回线式（较常用，制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴）和短接式（克服了横向效应）。
(2常用材料：康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。
2. 金属箔式应变片（图２－２）
(1原理：在绝缘基底上将厚度0.003~0.01mm电阻箔材，利用照相制版或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。
(2优缺点：
3. 金属薄膜应变片
(1原理：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.
1um以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后加上保护层。
(2优缺点：
4. 半导体应变片
(1原理：基于半导体材料的电阻率随作用应力而变化的所谓“压阻效应”。
(2优缺点：
三、测量转换电路
1.
原理：采用桥式电路（直流电桥或交流电桥）把应变片的电阻变化转换成电压或电流的变化。
大多数情况下采用的是直流电桥电路。
2. 单臂半桥：输出电压电桥电压灵敏度
3. 双臂半桥：输出电压电桥电压灵敏度
4. 全桥形式：输出电压电桥电压灵敏度
课堂小结：
概念构成原理种类测量电路应用
课后作业：
P73 1
教学反思：
对种类的理解较好，对转换电路的掌握不够理想，还需要进一步要求。