第二章电阻应变传感器教程

结构简单，应用广泛
灵敏度K高，测试速度快
易于远距离测量
二、电阻应变传感器的组成与应变原理
1.组成 由弹性元件、电阻应变片和测量电路组成
2.工作原理 电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即在导 体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。 一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为 L R S
二、电阻应变传感器的组成与应变原理
半导体电阻应变灵敏系数
KB
R / R


/

E
晶体 弹性 模量
纵向 压阻 系数
2、半导体应变片的基本结构
图2－4 半导体应变片结构
优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件. 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。
第二节 电阻应变传感器的测量电路
1.工作原理
R 因为 (1 2 ) ，有 R π ——半导体晶体纵向压阻系数 而 E E——半导体晶体弹性模量

所以半导体应变片的纵向压阻效应可由式（2.7） 改写为 R (1 2 ) E R
一般π E比1+2μ 大近百倍
△r/r是横向（径向）变化量，用应变ε r表示：
r r r
由材料力学可知 ，那么轴向应变和径向应变的 关系表示为 ：
r L r r L
μ 为电阻丝材料的泊松比
将式（2.3）~（2.6）代入式（2.2）得：
R L (1 2 ) (1 2 ) R L
在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产 生疲劳损坏的循环次数N称为应变片的疲劳寿命。
5. 绝缘电阻和最大工作电流
绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间 的电阻值。通常要求在50～100MΩ以上。
最大工作电流是指已安装的应变片，允许通过敏感 栅而不影响其工作特性的最大电流 。通常静态测量时取 25mA左右，动态测量时取75～100mA
试件材料 弹性模量

试件的 应变
F
分类
金属丝应变片 金属箔应变片 金属电阻应变片 类型 金属薄膜应变片 半导体电阻应变片
常温应变片（ 30 ~ 60C） 按工作温度中温应变片（ 60 ~ 300C） 高温应变片（ 300C以上）
三、应变片的基本结构及测量原理
在电阻应变传感器中最常用 的是桥式测量电路。
U 0 I1R1 I 2 R4 R1 R4 Ui Ui R1 R2 R3 R4 R1R3 R2 R4 Ui ( R1 R2 )(R3 R4 )
测量前，应将电桥调平衡 ，在电桥输出端A和 C之间接一检流计调桥臂电阻使检流计指示为0 ，输出电压U0=0，电桥达到平衡状态 。
1.金属丝电阻应变片结构
2.金属箔应变片
这类应变片的敏感栅是用 0.001～0.01mm厚的金属 箔通过光刻技术制作成， 可以很方便地制作成各种 形状的应变片，常称其为 应变花。有较好的散热性 能，允许通过较大的工作 电流；同时因栅薄，也便 于粘贴到弯曲的弹性元件 表面上；且蠕变和机械滞 后较小，应力传递性能好 。
造成应变片测量误差的因素很多，测量时必须加以
考虑，其中温度影响是首要的。
温度变化引起应变片电阻值变化的现象称之为温漂。 由于环境温度改变引起电阻值变化的原因主要有二： 一是电阻丝温度系数引起的； 二是由电阻丝与被测材料的线膨胀系数的不同引起。
4. 应变极限和疲劳寿命
应变极限是指在一定温度下，应变片的指示应变与 试件的真实应变的相对误差达规定值时的真实应变值。
传感器与检测技术
武汉理工大学自动化学院
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第二章 电阻应变传感器
重点：电阻应变片 电阻应变传感器的测量电路 电阻应变传感器的应用
第一节 电阻应变片
一、电阻应变传感器概述
1. 定义
用来测非电量，主要测机械量（力、力矩、压力 、加速度等），将被测量的力通过它所产生的金 属弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。 2.特点
五、半导体电阻应变片
1、半导体应变片的压阻效应 半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原 理是基于半导体材料的压阻效应。 沿着半导体某晶向施加一定的压力而使其产生应 变时其电阻率将随应力改变而变化，这种现象称 之为半导体的压阻效应。
2.、半导体电阻应变片的灵敏系数
R (1 2 ) R
电阻丝的灵敏系数：单位应变引起的电阻值相对变化
k0
R / R

(1 2 )
/

对金属丝而言：
k0 1 2
当测得应变片电阻值变化量△R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：
F E E S E
1. 灵敏系数
KS R / R

2. 横向效应
3. 机械滞后、零点漂移和蠕变
用于衡量应变片特性对时间的稳定性。
在恒温下，应变片受力后，其内部会产生 不可逆的残余变形，致使应变电阻在加载 和卸载时，出现一定的差值，此差值称之 为机械滞后（Hysteresis）
应变片受恒定力作用时，应变电阻值随时间 而变化，这是因为应力在粘胶层中传递时出 现滑动现象，胶层越厚、滑动越严重，这种 现象称之为蠕变 。
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。
R L S L r 2 R L S L r
其中 S 2rr 2r 2
S
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r
r
式中△L/L是纵向（轴向）变化量， 用应变ε 表示： L L
3、金属薄膜应变片
这类应变片的敏感栅是用真空蒸镀或溅射的方法将 金属材料淀积在绝缘基片上，然后用刻蚀技术制成 各种形状的栅，其厚度比箔栅还要薄，一般在 0.1μ m以下，其灵敏系数比箔式还要高，是一种很 有前途的新型金属应变片。 •金属应变计 •优点:稳定性和温度特性好. •缺点:灵敏度系数小
四、金属应变片的主要特性