第二章电阻应变式讲义传感器
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《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 应变式传感器(电阻式传感器)
工艺复杂, 将逐渐被横向效应小、 其他方面性能更优越的箔式应变计所
代替。
(a)
(b)
(c)
图 2.2金属丝式应变计常见形势
第2章 应变式传感器
箔式应变计（实验中用的）的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄 的金属薄栅（厚度一般在0.003～0.01mm）。与丝式应变计相比有如下优 点:
(1) 工艺上能保证线栅的尺寸正确、 线条均匀, 大批量生产时, 阻值离 散程度小。 (2) 可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型小基长（如基长为 0.1 mm）的应变计。 (3) 敏感栅截面积为矩形, 表面积大, 散热好, 在相同截面情况下能通过 较大电流。 (4) 厚度薄, 因此具有较好的可挠性, 它的扁平状箔栅有利于形变的传 递。 (5) 蠕变小, 疲劳寿命高
式中, 应力 l T E (金属或者半导体的弹性模量) E l 其中, ε=Δl/l为轴向应变。 则有
第2章 应变式传感器
k0
R / R
1 2 E
对金属来说, πE很小, 可忽略不计, μ=0.25～0.5, 故k
因此, 将同样长的金属线材做成敏感栅后, 对同样应 变, 应变计敏感栅的电阻变化较小, 灵敏度有所降低。 这 种现象称为应变计的横向效应。
第2章 应变式传感器
下面计算横向效应引起的误差。
图为 应变片敏感栅半圆弧部分的形状。沿轴向应 变为εX ，沿横向应变为εY 。
X
θ
dl
dθ
丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分
第2章 应变式传感器
k0为单根导电丝的灵敏系数, 表示当发生应变时, 其电阻变 化率与其应变的比值。 k0的大小由两个因素引起, 一项是由 于导电丝的几何尺寸的改变所引起, 由（1+2μ）项表示, 另 一项是导电丝受力后, 材料的电阻率ρ发生变化而引起, 由
电阻应变计式传感器课件
温度补偿与灵敏度
温度补偿
由于温度变化会影响电阻应变计的电阻值，因此需要进行温度补偿以消除温度对 测量的影响。
灵敏度
电阻应变计的灵敏度是指其电阻变化对应变力的敏感程度，灵敏度越高，测量精 度越高。
稳定性与可靠性
稳定性
电阻应变计在长时间使用过程中，其性能参数应保持稳定， 以保证测量的准确性。
可靠性
电阻应变计应具有较高的可靠性，能够承受各种恶劣环境条 件和工作条件，保证测量结果的可靠性。
电阻应变计式传感器是一种将应变信号转换为电信号的传感器，通过测量电阻 值的变化来检测应变。
工作原理
电阻应变计由敏感元件和电阻丝组成，当敏感元件受到外力作用产生应变时， 电阻丝的长度和截面积会发生变化，导致电阻值改变，从而输出电信号。
类型与特点
类型
电阻应变计式传感器有多种类型 ，如柱式、轮辐式、箔式和丝式 等，根据不ห้องสมุดไป่ตู้的应用需求选择合 适的类型。
误差。
温度误差
由于温度变化导致传感器电阻值 发生变化，从而影响测量精度。 可通过温度补偿或选用具有温度
稳定性的材料来减小误差。
滞后误差
由于传感器内部结构或粘结剂的 松弛，导致传感器响应滞后于施 加的载荷变化。可通过优化传感 器设计和制造工艺来减小误差。
日常维护与保养
01
清洁与防尘
定期清洁传感器表面，保持其良好的工作状态和测量精度。同时，避免
位移传感器
位移传感器是一种能够测量物体 位置变化的装置，广泛应用于机
械、电子、自动化等领域。
电阻应变计式位移传感器利用电 阻应变片将位移信号转换为电信 号，具有测量范围广、精度高、
可靠性高等优点。
常见的应用场景包括直线位移测 量、角度位移测量、振动监测等
《电阻应变式传感器》课件
薄膜电阻应变式传感器利用薄膜材料制作，具有高灵敏度、低热误差等特点；微型电阻应变式传感器则具有体积 小、重量轻、易于集成等优点，常用于微机电系统等领域。
03
电阻应变式传感器的测量电路
直流电桥测量电路
优点
简单、可靠、稳定性好。
缺点
对温度变化敏感，需要采取温度 补偿措施。
交流电桥测量电路
优点
对直流电源的稳定性要求较低，可以减小电源波动对测量结 果的影响。
在工业生产过程中，电阻应变式压力传感器被广泛应 用于压力控制、流量控制等场合，如气瓶压力监测、 管道压力监测等。
汽车行业
汽车发动机、气瓶、刹车系统等都需要用到压力传感 器，来监测和控制各种气体和液体的压力。
位移传感器的应用实例
自动化生产线
在自动化生产线上，位移传感器被用来检测和控制系 统中的物体位置，如机器人手臂的定位、传送带的物 体位置检测等。
电阻应变式传感器
目 录
• 电阻应变式传感器简介 • 电阻应变式传感器的类型与特性 • 电阻应变式传感器的测量电路 • 电阻应变式传感器的误差来源与补偿方法 • 电阻应变式传感器的应用实例
01
电阻应变式传感器简介
定义与工作原理
定义
电阻应变式传感器是一种将应变转换为电阻变化的传感器，通过测量电阻的变 化来测量受力状态。
总结词
半导体应变式传感器具有高灵敏度、 低温度系数和良好的线性等优点。
详细描述
半导体应变式传感器利用半导体的压 阻效应，即当半导体受到外力作用时 ，其电阻值会发生变化。这种传感器 常用于测量加速度、压力和振动等物 理量。
陶瓷电阻应变式传感器
总结词
陶瓷电阻应变式传感器具有耐高温、耐 腐蚀、高绝缘性和良好的稳定性等特点 。
03
电阻应变式传感器的测量电路
直流电桥测量电路
优点
简单、可靠、稳定性好。
缺点
对温度变化敏感，需要采取温度 补偿措施。
交流电桥测量电路
优点
对直流电源的稳定性要求较低，可以减小电源波动对测量结 果的影响。
在工业生产过程中，电阻应变式压力传感器被广泛应 用于压力控制、流量控制等场合，如气瓶压力监测、 管道压力监测等。
汽车行业
汽车发动机、气瓶、刹车系统等都需要用到压力传感 器，来监测和控制各种气体和液体的压力。
位移传感器的应用实例
自动化生产线
在自动化生产线上，位移传感器被用来检测和控制系 统中的物体位置，如机器人手臂的定位、传送带的物 体位置检测等。
电阻应变式传感器
目 录
• 电阻应变式传感器简介 • 电阻应变式传感器的类型与特性 • 电阻应变式传感器的测量电路 • 电阻应变式传感器的误差来源与补偿方法 • 电阻应变式传感器的应用实例
01
电阻应变式传感器简介
定义与工作原理
定义
电阻应变式传感器是一种将应变转换为电阻变化的传感器，通过测量电阻的变 化来测量受力状态。
总结词
半导体应变式传感器具有高灵敏度、 低温度系数和良好的线性等优点。
详细描述
半导体应变式传感器利用半导体的压 阻效应，即当半导体受到外力作用时 ，其电阻值会发生变化。这种传感器 常用于测量加速度、压力和振动等物 理量。
陶瓷电阻应变式传感器
总结词
陶瓷电阻应变式传感器具有耐高温、耐 腐蚀、高绝缘性和良好的稳定性等特点 。
第2章 电阻应变式传感器
2
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.
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、应变式传感器1
原因
（1）应变片的敏感栅具有一定温度系数； （2）应变片材料与测试材料的线膨胀系数不同。
3.4 电阻应变片的测量电路
单臂应变电桥
工作臂 双臂应变电桥 全臂应变电桥
应
变
电源
直流电桥：
电
交流电桥:
桥
电源端对称
桥臂关系 半等臂电桥 输出端对称
全等臂电桥
3.4.1 直流电桥
平衡条件 R1R4=R2R3
n=R2/R1=R4/R3
常用金属薄膜应变片
金属应变片的基本结构
转换元件 F
敏感元件
二、半导体应变片结构 体型、薄膜型和扩散型
1、体型半导体应变片 半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成片状小
条，经腐蚀压焊粘贴在基片上制成。
体型半导体应变片的结构
2、薄膜型半导体应变片
通过薄膜制备技术，在带有绝缘层的试件上沉积 半导体材料薄膜而制成。
对电阻丝材料应有如下要求：
① 灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数； ②ρ值大； ③ 电阻温度系数小，以免环境温度变化改变其阻值； ④ 与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小； ⑤ 机械强度高， 具有优良的机械加工性能。
表3-1 常用金属电阻丝材料的性能
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。
Κ κ 卡帕 Kappa 介质常数 Λ λ 兰姆达 Lambda 波长（小写）；体积 Μ μ 缪 Mu 磁导系数；微 ;放大因数（小写） Ν ν 纽 Nu 磁阻系数 Ξ ξ 克西 Xi Ο ο 奥米克戎 Omicron Π π 派 Pi 圆周率=圆周÷直径=3.1416 Ρ ρ 柔 Rho 电阻系数（小写） Σ σ 西格玛 总和（大写），表面密度；跨导（小写） Τ τ 陶 Tau 时间常数 Υ υ 宇普西隆 Upsilon 位移 Φ φ 斐(佛爱) Phi 磁通； 角 Χ x 西 Chi Ψ ψ 普西 Psi 角速；介质电通量（静电力线）；角 Ω ω 欧米伽 Omega 欧姆（大写）；角速（小写）；
（1）应变片的敏感栅具有一定温度系数； （2）应变片材料与测试材料的线膨胀系数不同。
3.4 电阻应变片的测量电路
单臂应变电桥
工作臂 双臂应变电桥 全臂应变电桥
应
变
电源
直流电桥：
电
交流电桥:
桥
电源端对称
桥臂关系 半等臂电桥 输出端对称
全等臂电桥
3.4.1 直流电桥
平衡条件 R1R4=R2R3
n=R2/R1=R4/R3
常用金属薄膜应变片
金属应变片的基本结构
转换元件 F
敏感元件
二、半导体应变片结构 体型、薄膜型和扩散型
1、体型半导体应变片 半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成片状小
条，经腐蚀压焊粘贴在基片上制成。
体型半导体应变片的结构
2、薄膜型半导体应变片
通过薄膜制备技术，在带有绝缘层的试件上沉积 半导体材料薄膜而制成。
对电阻丝材料应有如下要求：
① 灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数； ②ρ值大； ③ 电阻温度系数小，以免环境温度变化改变其阻值； ④ 与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小； ⑤ 机械强度高， 具有优良的机械加工性能。
表3-1 常用金属电阻丝材料的性能
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。
Κ κ 卡帕 Kappa 介质常数 Λ λ 兰姆达 Lambda 波长（小写）；体积 Μ μ 缪 Mu 磁导系数；微 ;放大因数（小写） Ν ν 纽 Nu 磁阻系数 Ξ ξ 克西 Xi Ο ο 奥米克戎 Omicron Π π 派 Pi 圆周率=圆周÷直径=3.1416 Ρ ρ 柔 Rho 电阻系数（小写） Σ σ 西格玛 总和（大写），表面密度；跨导（小写） Τ τ 陶 Tau 时间常数 Υ υ 宇普西隆 Upsilon 位移 Φ φ 斐(佛爱) Phi 磁通； 角 Χ x 西 Chi Ψ ψ 普西 Psi 角速；介质电通量（静电力线）；角 Ω ω 欧米伽 Omega 欧姆（大写）；角速（小写）；
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。
电阻应变式传感器资料课件
优点与局限性
高精度测量
电阻应变式传感器具有较高的测量精 度，能够满足多种高精度测量需求。
稳定性好
传感器结构简单，稳定性好，长期使 用不易出现故障。
优点与局限性
抗干扰能力强
传感器输出的信号较大，不易受到外界干扰的影响。
应用范围广
电阻应变式传感器可应用于多种行业和领域，如压力、位移、力等的测量。
优点与局限性
在电子称重系统中的应用
01
电子称重系统
利用电阻应变式传感器测量物体的质量或重量，如电子秤、天平等。
02
原理
当被测物体放置在传感器上时，传感器受到压力产生应变，导致电阻值
发生变化，通过测量电阻值的变化即可得到物体的质量或重量。
03
应用领域
食品行业、制药行业、实验室等。
05
电阻应变式传感器的优缺点与 发展趋势
应用领域
工业过程控制、气瓶压力监测、汽 车发动机管理等。
在加速度计中的应用
加速度计
01
利用电阻应变式传感器测量物体的加速度，如振动监测、车辆
安全系统等。
原理
02
当加速度作用在敏感元件上时，敏感元件产生应变，导致电阻
值发生变化，通过测量电阻值的变化即可得到加速度值。
应用领域
03
振动监测、车辆安全系统、地震监测等。
电阻应变片的种类与特性
电阻应变片有多种类型，如单轴、双轴和三轴应变片，不同类型的应变片 适用于不同的测量需求。
应变片的特性包括灵敏度、线性范围、滞后、重复性、温度影响等，这些 特性对应变片的性能和使用具有重要影响。
应变片的灵敏度是指电阻值变化量与机械应变之间的比例系数，线性范围 是指应变片输出与输入之间保持线性关系的范围。
第02章 电阻式传感器
金属箔式应变片：利用光刻、腐蚀等工艺制成的一
种很：薄的金属箔栅, 其厚度一般在0.003～0.01mm。
其优点是散热条件好, 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。
金属箔式应变片的结构形式
几种金属箔式应变片--可以根据测试物体的需要来选择各种形状的应变片
金属薄膜应变片： 采用薄膜技术（真空蒸发）， 优点是灵敏系数大； 可在大温差下工作（-197--317℃） （二）应变片的粘贴技术---简单了解 粘贴剂； 粘贴工艺；
dr dl
r
l
dS 2 dr Sr
dR d (1 2) dl d (1 2)
R
l
dR 令 R K 由上式，得到
d K (1 2)
K——金属电阻丝的相对灵敏度系数。
金属电阻丝的相对灵敏度系数受两个因素影响：
（1）受力后材料的几何尺寸变化所引起的；即 (1下列材料制成： （1）康铜（铜镍合金）：最常用； （2）镍鉻合金：多用于动态； （3）镍鉻铝合金：作中、高温应变片； （4）镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片； （5）铂及铂合金：高温动态应变测量。
（二）应变片的测量原理
用应变片测量应变或应力时,把应变片粘帖在被测对象表面上, 在外力作用下, 被测对象产生机械变形时, 应变片敏感栅也随着 变形, 应变片的电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值 变化量ΔR时, 便可得到被测对象的应变值ε(ΔR/R=k ε),再根据 应力σ与应变的关系（材料力学）, 得到应力值σ
σ=E·ε
式中 : σ——试件的应力; ε——试件的应变;
E——试件材料的弹性模量（材料固定，是已知量）。
由此可知, 应力值σ正比于应变ε, 而试件应变ε正比于电阻 值的变化, 所以应力σ正比于电阻值的变化, 这就是利用应变片 测量试件应力σ的基本原理。
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
16
2.1数 （二）横向效应 （三）动态特性
17
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
13
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
15
第二章电阻式传感器
R1 R4 =R2 R3 或
R1 /R2 =R3 /R4
(2-22)
2．电压灵敏度
若R1由应变片替代，当电桥开路时，不平衡电桥
输出的电压为:
R3 R1 R4 R2 R3 RR4 R1 R1 U0 E( ) E R1 R1 R2 R3 R4 ( R1 R1 R2 )( R3 R4 ) R`1 R4 R1 R3 R1 R4 E E R1 R2 R4 ( R1 R1 R2 )( R3 R4 ) (1 )(1 ) R1 R1 R3
1 Uo 2 n ei Uo 1 100% 100% 2n
3．非线性线绕电位器结构
(1) 用曲线骨架绕制的非线性变阻器; (2) 三角函数变阻器;
D L
Uo
D L sin 2 UO L 1 1 Ui D 2 2
x
dx
b
Ui
Ui U O sin 2
碳膜电位器：是目前使用最多的一种电位器。其电 阻体是用碳黑、石墨、石英粉、有机粘合剂等配制的混合
物，涂在马蹄形胶木板或玻璃纤维板上制成的。
优点：分辨率高、阻值范围宽；缺点：滑动噪声大、耐 热耐湿性不好。
金属膜电位器：其电阻体是用金属合金膜、 金属氧化膜、金属复合膜、氧化钽膜材料通过真空 技术沉积在陶瓷基体上制成的,如铂铜、铂锗、铂铑 金等。 优点：温度系数小、分辨率高、滑动噪声较合 成碳膜电位器小；缺点：阻值范围小、耐磨性不好
出电压阶梯的最大值与最大输出电压之比的百分数。 具有理想阶梯特性线绕电位
Uo 1 Re n 100% 100% Uo n
计，其理想的电压分辨率为
电位器的电刷行程来说，又 有行程分辨率，其表达式为
电阻应变计式传感器ppt.ppt
第2章 电阻应变式传感器(Resistive Strain Gauge Sensors)
2.1电阻应变计的基本原理结构和应用
二、电阻应变计的结构与类型 (4)盖层——用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着
(5)粘结剂——制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固 结于基底；使用应变计时，用它把应变计基底粘贴在 试件表面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。
变力; E——半导体材料的弹性模量;ε——半导体材料的应
变。
第2章 电阻应变式传感器(Resistive Strain Gauge Sensors)
2.1电阻应变计的基本原理结构和应用
2.半导体材料的压阻效应
dR (1 2 E)
R
（2-6）
由于πE>>(1+2μ)，因此半导体丝材的
Ks≈πE。可见，半导体材料的应变电阻效应
• 零漂和蠕变反映传感器的长期稳定性
▪ 应变极限lim
• 应变计的线性范围，是衡量应变计测量范围
和过载能力的指标，一般 lim ＞8000
指
10%
示 应
变
P0
真实应变
第2章 电阻应变计式传感器
动态特性
▪ 机械应变以声波的形式和速度在材料中传播的。 当它依次通过一定厚度的基底、胶层并引起应 变计的响应时，会有时间的迟后。应变计的这 种响应迟后对动态(高频)应变测量，尤会产生 误差。应变计的动态特性就是指其感受随时间 变化的应变时之响应特性
第2章 电阻应变计式传感器
2.1 电阻应变计的基本原理与结构 2.2 电阻应变计的主要特性 21.32 电阻应变计的温度效应及其补偿 2.4 电阻应变计的应用 2.5 测量电路 2.6 电阻应变计式传感器
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1 2r1 2rco2s
每个圆弧形横栅的变形量Δl为
l 0 rd l0 r d 2 r 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 L2n 2 1rr
应变片敏感栅的总变形为
L L 1 L 2 2 n 2 n l 1 r n 2 1 rr
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
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。
4.2 电阻应变片的工作原理
精品
第二章电阻应变式 传感器
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。
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
两边取对数，得
S ln R ln ln lln S
等式两边取微分，得
dR d dldS Rl S
dl l
dR—R —金—属—丝电长阻度的相相对对变变化化，；用d ε表示—，—ε=电阻率dl 的称相为对金变属化丝；长度
应变式传感器特征： ➢不同料类型；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
4.1 电阻应变式传感器的工作原理
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。
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
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
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
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。
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
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
系数c。即
cKy Kx
2nn l n 1 1 rr
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
4.3 电阻应变片的种类、材料和参数
一、 电阻应变片的种类
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
d R R d d l(1 l2 )d (12 )
将微分dR、dρ改写成增量ΔR、Δρ，则
R R(12 l//l) llK S
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
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1.7～3.6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
R R K S L L 2 n 2 ( n l L 1 )r K S ( n 2 1 L )r K Sr
令
Ky (n21L)rKS Kx2n l2 (nL1)rKS
则
RRKxKyr
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
每个圆弧形横栅的变形量Δl为
l 0 rd l0 r d 2 r 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 L2n 2 1rr
应变片敏感栅的总变形为
L L 1 L 2 2 n 2 n l 1 r n 2 1 rr
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
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。
4.2 电阻应变片的工作原理
精品
第二章电阻应变式 传感器
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。
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
两边取对数，得
S ln R ln ln lln S
等式两边取微分，得
dR d dldS Rl S
dl l
dR—R —金—属—丝电长阻度的相相对对变变化化，；用d ε表示—，—ε=电阻率dl 的称相为对金变属化丝；长度
应变式传感器特征： ➢不同料类型；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
4.1 电阻应变式传感器的工作原理
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。
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
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
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
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。
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
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
系数c。即
cKy Kx
2nn l n 1 1 rr
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
4.3 电阻应变片的种类、材料和参数
一、 电阻应变片的种类
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
d R R d d l(1 l2 )d (12 )
将微分dR、dρ改写成增量ΔR、Δρ，则
R R(12 l//l) llK S
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
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1.7～3.6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
R R K S L L 2 n 2 ( n l L 1 )r K S ( n 2 1 L )r K Sr
令
Ky (n21L)rKS Kx2n l2 (nL1)rKS
则
RRKxKyr
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