第五章电阻应变片
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目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。
➢半导体应变片：分为体型和扩散型两种。
体型：利用半导体材料的体 电阻制成。
扩散型：在半导体材料的基 片上利用集成电路工艺制成 扩散型电阻。
由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料，因此 它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有 关，还与晶向有关(即对晶体的不同方向上施加力时， 其电阻的变化方式不同)。
按照其工作原理可分为：变阻器(电位器)式、电阻 应变式、固态压阻式、热敏电阻式、气敏电阻式、磁 敏电阻式等
电阻应变式传感器是基于测量物体受力变形所产 生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变 片。
应用范围：用于位移、加速度、力、压力、力矩等 各种参数测量。
电阻应变式传感器特点： ①精度高，测量范围广； ②使用寿命长，性能稳定可靠； ③结构简单，体积小，重量轻；
第二篇 常用传感器的原理及应用
第5章 电阻应变式传Biblioteka Baidu器
1.掌握传感器工作原理及性能 2.了解传感器结构、种类 3.掌握测量电路及其补偿方法 4.掌握应变片的布置及接桥方式 5.了解传感器的应用
电阻式传感器的基本原理：将被测物理量的变化 转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记 录被测量值的变化。其种类繁多，应用广泛。
基底：保持敏感栅几何形状、电绝缘、防蚀、防损 等作用； •基底常从纸、有机聚合物胶膜、玻璃纤维布中选 材。厚度0.05mm左右。
粘合剂：粘贴强度高，良好稳定性和绝缘性能等 ； 有机与无机（用于高温）
3、电阻应变片的性能参数
1）电阻值：应变片原始阻值——标准化，120Ω常用
2）几何参数：敏感栅基长l和宽度b，制造厂常用 b×l表示。
t
3 8h2E
(12)(r02
x2) p
膜片中心 r t 83hr202E(12)p
膜片边缘
r
3r02 (12)p
4h2E
固有频率
应变节点 x0.5r8 0 r0
f0
0.492h r02
E
➢电阻应变片的材料（P109表5.1.1和表5.1.2）
敏感栅：常用的金属材料有康铜、镍铬合金、铁铬 铝合金、铁镍铬合金及贵金属等；半导体材料有硅、 锗和锑化铟等。
优点：应变灵敏系数大，可靠性好，精度高，容易做 成高阻抗的小型应变片，无迟滞和蠕变现象，具有良 好的耐热性和冲击性能等。用化学气相淀积法制备薄 膜，以其成膜温度低、可靠性好、系统简单等 。
薄膜应变片是今后的发展趋势
参考第四章：平面膜片——压力测量
径向应变
r
3 8h2E
(12
)(r02
3x2)p
切向应变
电 阻 丝 几 何 尺 寸起 变； 化 引 电 阻 丝 电 阻 率 变。 化 引 起
对金属材料，电阻率几乎不变：
dRR(12)x
电阻应变效应
对半导体材料，压阻效应为主：
dRR dLLEx 压阻效应
被测量 F 弹性元件 ε 电阻应变片 ΔR
定义：电阻丝的灵敏度系数S0——表示单位应变所引 起的电阻相对变化。
半导体应变片的特性（与金属应变片相比较)：
➢优点： ✓ 灵敏度高； ✓ 机械滞后小、横向效应小、体积小、频响高； ✓ 易于集成化
➢缺点： ✓ 温度稳定性能差； ✓ 灵敏度分散度大； ✓ 较大应力作用下，非线性误差大； ✓ 机械强度低
➢薄膜应变片：采用真空沉积或高频溅射等方法，在 绝缘基片上形成厚度在0.1mm以下的金属电阻材料薄膜 的敏感栅——厚度大约为箔式应变片的十分之一以下。
分析：
敏感栅形状
应变片的纵向应与测量的形变方向一致；
圆弧部分产生了一个负的电阻变化降低了应变片的
灵敏度系数。
必须采取措施减小横向效应的影响（改进结构等）。
2、电阻应变片的种类及材料 ➢电阻应变片的种类
常用有丝式、箔式、半导体式和薄膜式应变片等。
➢丝式应变片：金属电阻应变片的典型结构。将一根高
电阻率金属丝（0.025mm左右）绕成栅形，粘贴在绝缘
④频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动 态测量； ⑤价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。
5.1 电阻应变片的工作原理及特性
1、工作原理 ➢电阻应变片的基本结构：
金属材料 半导体材料
➢电阻应变片的工作原理
电阻应变效应是指金属导体在外力作用下发生机械 变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短) 的变化而发生变化的现象。 压阻效应：半导体材料在受到外力作用时，其电
的基片和覆盖层之间并引出导线构成。
？栅状 结构
dR/RSx
为了获得大的 电阻变化量
丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。 分为丝绕式和短接式两种。
o丝绕式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应较大； o短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直 径大5～10倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向 效应。
3）灵敏系数S：表示应变片变换性能的重要参数。
4）绝缘电阻：应变片与试件间的阻值，越大越好。一 般大于1010 Ω 。 5）其它性能参数（允许电流、工作温度、应变极限、 滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。
电阻应变片
➢电阻应变片的选择、粘贴技术
阻率发生变化的现象。
应变片
电阻丝的电阻R为 RL/A
任一参数变化均会引起电阻变化,求导数
dR AdL AL 2dA L Ad 代入 RL/A
dRdLdAd R LA
x——电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变。 y——电阻丝径向相对变形，或称横向应变。
y x
dRR(12)x d
电阻变化：(1d2/)x
金属材料
S0
dR /
x
R
S 0 1 2 取2 值 左 (常 为 右 ) 数
半导体材料 S0 LE 取值 50~10之 0 间，易受
电阻应变片灵敏度系数S称为“标称灵敏度系数”， 由实验测定。
dR/RSx 线性关系
➢电阻应变片的横向效应
栅状结构敏感栅的电阻变化一
定小于纯直线敏感栅的电阻变化 的现象。
➢箔式应变片：利用照相制版或光刻技术，将厚约为 0.003～0.01mm的金属箔片制成敏感栅。
箔式应变片优点:
①可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅，其栅长 最小可做到0.2mm，以适应不同的测量要求； ②横向效应小； ③散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度； ④蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长； ⑤生产效率高，便于实现自动化生产。金属箔的材料 常用康铜和镍铬合金等。
➢半导体应变片：分为体型和扩散型两种。
体型：利用半导体材料的体 电阻制成。
扩散型：在半导体材料的基 片上利用集成电路工艺制成 扩散型电阻。
由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料，因此 它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有 关，还与晶向有关(即对晶体的不同方向上施加力时， 其电阻的变化方式不同)。
按照其工作原理可分为：变阻器(电位器)式、电阻 应变式、固态压阻式、热敏电阻式、气敏电阻式、磁 敏电阻式等
电阻应变式传感器是基于测量物体受力变形所产 生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变 片。
应用范围：用于位移、加速度、力、压力、力矩等 各种参数测量。
电阻应变式传感器特点： ①精度高，测量范围广； ②使用寿命长，性能稳定可靠； ③结构简单，体积小，重量轻；
第二篇 常用传感器的原理及应用
第5章 电阻应变式传Biblioteka Baidu器
1.掌握传感器工作原理及性能 2.了解传感器结构、种类 3.掌握测量电路及其补偿方法 4.掌握应变片的布置及接桥方式 5.了解传感器的应用
电阻式传感器的基本原理：将被测物理量的变化 转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记 录被测量值的变化。其种类繁多，应用广泛。
基底：保持敏感栅几何形状、电绝缘、防蚀、防损 等作用； •基底常从纸、有机聚合物胶膜、玻璃纤维布中选 材。厚度0.05mm左右。
粘合剂：粘贴强度高，良好稳定性和绝缘性能等 ； 有机与无机（用于高温）
3、电阻应变片的性能参数
1）电阻值：应变片原始阻值——标准化，120Ω常用
2）几何参数：敏感栅基长l和宽度b，制造厂常用 b×l表示。
t
3 8h2E
(12)(r02
x2) p
膜片中心 r t 83hr202E(12)p
膜片边缘
r
3r02 (12)p
4h2E
固有频率
应变节点 x0.5r8 0 r0
f0
0.492h r02
E
➢电阻应变片的材料（P109表5.1.1和表5.1.2）
敏感栅：常用的金属材料有康铜、镍铬合金、铁铬 铝合金、铁镍铬合金及贵金属等；半导体材料有硅、 锗和锑化铟等。
优点：应变灵敏系数大，可靠性好，精度高，容易做 成高阻抗的小型应变片，无迟滞和蠕变现象，具有良 好的耐热性和冲击性能等。用化学气相淀积法制备薄 膜，以其成膜温度低、可靠性好、系统简单等 。
薄膜应变片是今后的发展趋势
参考第四章：平面膜片——压力测量
径向应变
r
3 8h2E
(12
)(r02
3x2)p
切向应变
电 阻 丝 几 何 尺 寸起 变； 化 引 电 阻 丝 电 阻 率 变。 化 引 起
对金属材料，电阻率几乎不变：
dRR(12)x
电阻应变效应
对半导体材料，压阻效应为主：
dRR dLLEx 压阻效应
被测量 F 弹性元件 ε 电阻应变片 ΔR
定义：电阻丝的灵敏度系数S0——表示单位应变所引 起的电阻相对变化。
半导体应变片的特性（与金属应变片相比较)：
➢优点： ✓ 灵敏度高； ✓ 机械滞后小、横向效应小、体积小、频响高； ✓ 易于集成化
➢缺点： ✓ 温度稳定性能差； ✓ 灵敏度分散度大； ✓ 较大应力作用下，非线性误差大； ✓ 机械强度低
➢薄膜应变片：采用真空沉积或高频溅射等方法，在 绝缘基片上形成厚度在0.1mm以下的金属电阻材料薄膜 的敏感栅——厚度大约为箔式应变片的十分之一以下。
分析：
敏感栅形状
应变片的纵向应与测量的形变方向一致；
圆弧部分产生了一个负的电阻变化降低了应变片的
灵敏度系数。
必须采取措施减小横向效应的影响（改进结构等）。
2、电阻应变片的种类及材料 ➢电阻应变片的种类
常用有丝式、箔式、半导体式和薄膜式应变片等。
➢丝式应变片：金属电阻应变片的典型结构。将一根高
电阻率金属丝（0.025mm左右）绕成栅形，粘贴在绝缘
④频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动 态测量； ⑤价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。
5.1 电阻应变片的工作原理及特性
1、工作原理 ➢电阻应变片的基本结构：
金属材料 半导体材料
➢电阻应变片的工作原理
电阻应变效应是指金属导体在外力作用下发生机械 变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短) 的变化而发生变化的现象。 压阻效应：半导体材料在受到外力作用时，其电
的基片和覆盖层之间并引出导线构成。
？栅状 结构
dR/RSx
为了获得大的 电阻变化量
丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。 分为丝绕式和短接式两种。
o丝绕式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应较大； o短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直 径大5～10倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向 效应。
3）灵敏系数S：表示应变片变换性能的重要参数。
4）绝缘电阻：应变片与试件间的阻值，越大越好。一 般大于1010 Ω 。 5）其它性能参数（允许电流、工作温度、应变极限、 滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。
电阻应变片
➢电阻应变片的选择、粘贴技术
阻率发生变化的现象。
应变片
电阻丝的电阻R为 RL/A
任一参数变化均会引起电阻变化,求导数
dR AdL AL 2dA L Ad 代入 RL/A
dRdLdAd R LA
x——电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变。 y——电阻丝径向相对变形，或称横向应变。
y x
dRR(12)x d
电阻变化：(1d2/)x
金属材料
S0
dR /
x
R
S 0 1 2 取2 值 左 (常 为 右 ) 数
半导体材料 S0 LE 取值 50~10之 0 间，易受
电阻应变片灵敏度系数S称为“标称灵敏度系数”， 由实验测定。
dR/RSx 线性关系
➢电阻应变片的横向效应
栅状结构敏感栅的电阻变化一
定小于纯直线敏感栅的电阻变化 的现象。
➢箔式应变片：利用照相制版或光刻技术，将厚约为 0.003～0.01mm的金属箔片制成敏感栅。
箔式应变片优点:
①可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅，其栅长 最小可做到0.2mm，以适应不同的测量要求； ②横向效应小； ③散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度； ④蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长； ⑤生产效率高，便于实现自动化生产。金属箔的材料 常用康铜和镍铬合金等。