第二章应变电阻传感器详解

箔式应变片的外形
半导体应变片是用半导体材料作敏感栅而 制成的。当它受力时，电阻率随应力的变 化而变化。它的主要优点是灵敏度高（灵 敏度比丝式、箔式大几十倍）,主要缺点是 灵敏度的一致性差、温漂大、电阻与应变 间非线性严重。在使用时，需采用温度补 偿及非线性补偿措施。
半导体应变片及金属 丝式应变片的结构
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。
应变片用于测量力F的计算公式
可表示由为材料力学可R 知 K，Fx=F
/（AE），所以R
2-2
/R又
R AE
如果应变片的灵敏度K 和试件的横截面积A以及
弹性模量Ｅ均为已知，则只要设法测出R /R的数值
金属丝式应变片的 内部结构
半导体应变片 外形
应变片主要性能指标举例
上表中，哪几个型号是半导体应变片？ 依据是什么？
金属应变三片的、电测阻量变转化换范电围路很—小，—如不果平直 接用欧姆表测衡量其电电桥阻值的变化将十分困难，
且误差很大。
例如，有一金属箔式应变片，标称阻值R0为100，
灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上， 钢的弹性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉 后应变片的阻值R 的变化量ΔR仅为0.2 (式2-2），
箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制 成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔 式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时 间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还 可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、 电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消， 从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变 式传感器中。
全桥的温度补偿原理
当环境温度升高 时，桥臂上的应变片 温度同时升高，温度 引起的电阻值漂移数 值一致，可以相互抵 消，所以全桥的温漂 较小；半桥也同样能 克服温漂。
四、应变效应的应用
应变效应的应用十分广泛。它可以测量应 变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。 电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将 应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量 转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用 应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一 般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量 转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于 被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接 从应变仪上读取被测试件的应变量。
R发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，
均导致R变大；又如，某些半导体受拉时，将变大
，导致R变大。 实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量R
KR线—与性电材的阻料，应力即变学片中的的灵轴敏向度应变x的RR关系K在很x 大范围2-内1是
微应变(με)
对于不同的金属材料，K 略微不同，一般为2左
第二章 电阻传感器
本章学习电阻式传感器的原 理及应用，包括：电位器、电阻 应变片、测温热电阻、气敏电阻 及湿敏电阻等。
第二章 电阻传感器
第一节 电阻应变式传感器（重点） 第二节 测温热电阻传感器（了解） 第三节 气敏电阻传感器（了解） 第四节 湿敏电阻传感器（了解）
小结与习题
第一节 电阻应变式传感器
右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，
电阻率 会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料
大几十倍。
在材料力学中，x =l/l称为电阻丝的轴向应变，也 称纵向应变，是量纲为1的数。 x通常很小，常用10-6 表示之。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)。
所以必须使用不平衡Δ电R桥 来R *测K量*F这/(一AE微）小的变化量。 下面分析该桥式测量转换电路是如何将R /R转换为 输出电压Uo的。
三、测量转换电路——不平衡电桥
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Uo
Ui 4
( R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 R4
)
误2差-3小 于5%
电桥平衡的条件 ： R1/R2=R4/R3
电桥平衡的条件 ：R1/R2=R4/R3
四、应变效应的应用
小结
一、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
一、应变片的工作原理
设有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率
为的金属单丝，它的电阻值R可表示为
R
l A
l
r2
当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）
时，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值
1~2以及产生的电
阻增量正负号相间，
可以使输出电压Uo 成倍地增大。
四臂全桥
全桥的四个桥臂都为应变片， 如果设法使试件受力后，应变 片R1 ~ R4产生的电阻增量（或
感受到的应变1~4）正负号相
间，就可以使输出电压Uo成倍 地增大。上述三种工作方式中， 全桥四臂工作方式的灵敏度最 高，双臂半桥次之，单臂半桥 灵敏度最低。采用全桥（或双 臂半桥）还能实现温度自补偿。
导体或半导体材料在外界力的作用 下，会产生机械变形，其电阻值也将随 着发生变化，这种现象称为应变效应。
电阻应变式传感器主要由电阻应变 片及测量转换电路等组成。
用途 电子秤
远距离 显示
磅秤
超市打印秤
第一节 电阻应变式传感器
一、应变片的工作原理 二、应变片的种类与结构 三、测量转换电路——不平衡电桥
调节RP，最终可以
使R1/R2=R4/R3（ R1、 R2是R1、R2并联RP后的
等效电阻），电桥趋于
平衡，Uo被预调到零位，
这一过程称为调零。图
中的R5是用于减小调节
范围的限流电阻。
单臂电桥
全桥四臂工 作方式的灵敏 度最高，双臂 半桥次之，单 臂半桥灵敏度 最低。
双臂电桥
R1、 R2为应变 片， R3、R4为固定 电阻 。应变片R1 、 R2 感受到的应变
，即可获知试件受力Ｆ的大小，例如可用于电子秤
的称重。
二、应变片的种类与结构
应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者 可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前箔式应变片应用 较多。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于 金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所 取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、 一次性试验。