第2章电阻应变式传感器解析
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度范围内才能保持。当试件输入的真实应变超过某一限值时， 应变计的输出特性将出现非线性。在恒温条件下，使非线性
误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限，用ej表示。
第2章 电阻应变式传感器
• 绝缘电阻 敏感栅与基底之间电阻值,一般应大于1010 。
• 允许电流 指不因电流产生的热量影响测量精度，应变片允许通过的最 大电流。 静态测量时，允许电流一般为25 mA ； 动态测量时，允许电流可达75～100 mA。
第2章 电阻应变式传感器
各种金属应变片
第2章 电阻应变式传感器 对电阻应变片的材料的要求： ①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数； ②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片； ③电阻温度系数要小； ④抗氧化能力高，耐腐蚀性能力强； ⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度； ⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材； ⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。
其电阻值将发生变化
R l
S
dR
S
dl
l
S2
dS
l S
d
第2章 电阻应变式传感器 电阻的灵敏系数
R l S RlS
对于半径为r的圆导体，S=πr2，ΔS/S=2Δr/r
又由材料力学可知，在弹性范围内，
l / l, r r / r, r /
ε为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；
半
导
体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定：ks
/
/ E
λ为压阻系数，与材质有关；σ为应力值；E为材料的弹性模量；
第2章 电阻应变式传感器
第2章 电阻应变式传感器
2.2 电阻应变片的结构、种类和材料 2.2.1应变片的基本结构 网状敏感栅——高阻金属丝、金属箔
基片——绝缘材料 盖片——保护层
阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测 量。电阻应变片的测量线路多采用电桥电路，包括直流电桥 和交流电桥两种。
2.5.1恒压源电桥
2.5.2恒流源电桥
第2章 电阻应变式传感器
如 图 所 示 。 电 源 Ui 为 恒 压 源 ， 其
内阻为零。根据电路学中的基尔 霍夫定律，列出电路方程：
第2章 电阻应变式传感器
2.贴片：在应变片的表 面和处理过的粘贴表面上， 各涂一层均匀的粘贴胶 ， 用镊子将应变片放上去， 并调好位置，然后盖上塑 料薄膜，用手指揉和滚压， 排出下面的气泡 。
第2章 电阻应变式传感器
3.测量 ： 从分开的端子处，预先 用万用表测量应变片的 电阻，发现端子折断和 坏的应变片。
第2章 电阻应变式传感器
4.焊接： 将引线和端子用烙铁 焊接起来，注意不要把
端子扯断。
第2章 电阻应变式传感器
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。
第2章 电阻应变式传感器
第2章 电阻应变式传感器
2.5 转换电路
应变片将应变的变化转换成电阻相对变化ΔR/R，要把电
第2章 电阻应变式传感器
第2章 电阻应变式传感器
Resistance Strain Gage
第2章 电阻应变式传感器
思考一：我们买菜、买水果都需要在电子称 上进行称重，然后按照斤两来付钱，那么在 电子称中存在哪种传感器呢？
第2章 电阻应变式传感器
磅秤
电子天平
第2章 电阻应变式传感器
材料应变的测量
• 横向效应
直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，圆 弧部分使灵敏系数K↓下降，这种现象称为横向效应。
第2章 电阻应变式传感器 2.金属箔式应变片
厚度在0.001～0.01mm的金属箔；
3.金属薄膜式应变片 采用真空蒸发或真空沉积等方法系在基底上形成一层厚度在 0. 1μm以下的金属电阻薄膜敏感栅。 优点：灵敏系数高，易实现工业化批量生产，可在低温测量 环境中运用； 缺点：电阻与温度和时间的变化关系难以掌握。
εr为金属丝半径的相对变化，或称径向应变；
μ为电阻丝材料的泊松比，一般金属μ=0.3~0.5。
R (1 2)
R
第2章 电阻应变式传感器
金属电阻的灵敏系数
ks
R
R
1 2
/
ks
1 2 材料的几何尺寸变化引起的
/
材料的电阻率ρ随应变引起的（压阻效应）
金属材料：k0以前者为主，则k0≈1+2μ=1.7~3.6
斜拉桥上的斜拉 绳应变测试
第2章 电阻应变式传感器
2.1 电阻应变片的工作原理 ——金属的电阻－应变效应
金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变 化的现象称为金属的电阻应变效应。
R l
S
第2章 电阻应变式传感器
电阻应变式传感器概述
❖可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；
力、压 力、位
第2章 电阻应变式传感器
2.4应变片的应用 2.4.1应变片的选择
1.应变片种类的选择 2.阻值的选择 3.尺寸的选择
第2章 电阻应变式传感器
2.4.2应变片的使用
1. 去污：采用手 持砂轮工具除去构件 表面的油污、漆、锈 斑等，并用细纱布交 叉打磨出细纹以增加 粘贴力 ，用浸有酒精 或丙酮的纱布片或脱 脂棉球擦洗。
移
弹性 敏感 元件
电阻 应变 片
R
电桥 电路
U
❖工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力作用下电 阻值变化的效应——电阻应变效应
❖结构简单，使用方便； ❖易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测； ❖灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；
第2章 电阻应变式传感器
1.金属的电阻应变效应 电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时
常用材料有：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、铂、 铂钨合金等。
第2章 电阻应变式传感器
2.3应变片的主要参数
• 应变片的电阻值(R0) 应变片不受外力作用情况下,于室温条件测定的电阻值(原始电
阻值),已标准化。主要有60,120,350,600,1000等各种规格。
• 应变极限 应变片的线性特性(灵敏系数为常数)，只有在一定的应变限
第2章 电阻应变式传感器
2.2.2应变片的种类 • 按材料分：
金属式： 丝式、箔式、薄膜型 半导体式体式：
体型、薄膜型、扩散型、外延型、PN结型高压、磁场、水下
第2章 电阻应变式传感器 1.金属丝式应变片
直径在0.012～0.05mm的金属丝；
I2 I1 I0
误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限，用ej表示。
第2章 电阻应变式传感器
• 绝缘电阻 敏感栅与基底之间电阻值,一般应大于1010 。
• 允许电流 指不因电流产生的热量影响测量精度，应变片允许通过的最 大电流。 静态测量时，允许电流一般为25 mA ； 动态测量时，允许电流可达75～100 mA。
第2章 电阻应变式传感器
各种金属应变片
第2章 电阻应变式传感器 对电阻应变片的材料的要求： ①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数； ②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片； ③电阻温度系数要小； ④抗氧化能力高，耐腐蚀性能力强； ⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度； ⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材； ⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。
其电阻值将发生变化
R l
S
dR
S
dl
l
S2
dS
l S
d
第2章 电阻应变式传感器 电阻的灵敏系数
R l S RlS
对于半径为r的圆导体，S=πr2，ΔS/S=2Δr/r
又由材料力学可知，在弹性范围内，
l / l, r r / r, r /
ε为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；
半
导
体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定：ks
/
/ E
λ为压阻系数，与材质有关；σ为应力值；E为材料的弹性模量；
第2章 电阻应变式传感器
第2章 电阻应变式传感器
2.2 电阻应变片的结构、种类和材料 2.2.1应变片的基本结构 网状敏感栅——高阻金属丝、金属箔
基片——绝缘材料 盖片——保护层
阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测 量。电阻应变片的测量线路多采用电桥电路，包括直流电桥 和交流电桥两种。
2.5.1恒压源电桥
2.5.2恒流源电桥
第2章 电阻应变式传感器
如 图 所 示 。 电 源 Ui 为 恒 压 源 ， 其
内阻为零。根据电路学中的基尔 霍夫定律，列出电路方程：
第2章 电阻应变式传感器
2.贴片：在应变片的表 面和处理过的粘贴表面上， 各涂一层均匀的粘贴胶 ， 用镊子将应变片放上去， 并调好位置，然后盖上塑 料薄膜，用手指揉和滚压， 排出下面的气泡 。
第2章 电阻应变式传感器
3.测量 ： 从分开的端子处，预先 用万用表测量应变片的 电阻，发现端子折断和 坏的应变片。
第2章 电阻应变式传感器
4.焊接： 将引线和端子用烙铁 焊接起来，注意不要把
端子扯断。
第2章 电阻应变式传感器
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。
第2章 电阻应变式传感器
第2章 电阻应变式传感器
2.5 转换电路
应变片将应变的变化转换成电阻相对变化ΔR/R，要把电
第2章 电阻应变式传感器
第2章 电阻应变式传感器
Resistance Strain Gage
第2章 电阻应变式传感器
思考一：我们买菜、买水果都需要在电子称 上进行称重，然后按照斤两来付钱，那么在 电子称中存在哪种传感器呢？
第2章 电阻应变式传感器
磅秤
电子天平
第2章 电阻应变式传感器
材料应变的测量
• 横向效应
直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，圆 弧部分使灵敏系数K↓下降，这种现象称为横向效应。
第2章 电阻应变式传感器 2.金属箔式应变片
厚度在0.001～0.01mm的金属箔；
3.金属薄膜式应变片 采用真空蒸发或真空沉积等方法系在基底上形成一层厚度在 0. 1μm以下的金属电阻薄膜敏感栅。 优点：灵敏系数高，易实现工业化批量生产，可在低温测量 环境中运用； 缺点：电阻与温度和时间的变化关系难以掌握。
εr为金属丝半径的相对变化，或称径向应变；
μ为电阻丝材料的泊松比，一般金属μ=0.3~0.5。
R (1 2)
R
第2章 电阻应变式传感器
金属电阻的灵敏系数
ks
R
R
1 2
/
ks
1 2 材料的几何尺寸变化引起的
/
材料的电阻率ρ随应变引起的（压阻效应）
金属材料：k0以前者为主，则k0≈1+2μ=1.7~3.6
斜拉桥上的斜拉 绳应变测试
第2章 电阻应变式传感器
2.1 电阻应变片的工作原理 ——金属的电阻－应变效应
金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变 化的现象称为金属的电阻应变效应。
R l
S
第2章 电阻应变式传感器
电阻应变式传感器概述
❖可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；
力、压 力、位
第2章 电阻应变式传感器
2.4应变片的应用 2.4.1应变片的选择
1.应变片种类的选择 2.阻值的选择 3.尺寸的选择
第2章 电阻应变式传感器
2.4.2应变片的使用
1. 去污：采用手 持砂轮工具除去构件 表面的油污、漆、锈 斑等，并用细纱布交 叉打磨出细纹以增加 粘贴力 ，用浸有酒精 或丙酮的纱布片或脱 脂棉球擦洗。
移
弹性 敏感 元件
电阻 应变 片
R
电桥 电路
U
❖工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力作用下电 阻值变化的效应——电阻应变效应
❖结构简单，使用方便； ❖易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测； ❖灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；
第2章 电阻应变式传感器
1.金属的电阻应变效应 电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时
常用材料有：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、铂、 铂钨合金等。
第2章 电阻应变式传感器
2.3应变片的主要参数
• 应变片的电阻值(R0) 应变片不受外力作用情况下,于室温条件测定的电阻值(原始电
阻值),已标准化。主要有60,120,350,600,1000等各种规格。
• 应变极限 应变片的线性特性(灵敏系数为常数)，只有在一定的应变限
第2章 电阻应变式传感器
2.2.2应变片的种类 • 按材料分：
金属式： 丝式、箔式、薄膜型 半导体式体式：
体型、薄膜型、扩散型、外延型、PN结型高压、磁场、水下
第2章 电阻应变式传感器 1.金属丝式应变片
直径在0.012～0.05mm的金属丝；
I2 I1 I0