《电阻应变片传感器》PPT课件

4.2.1 金属电阻应变片的种类
引线
覆盖层 基片
b
l 电 阻 丝式 敏 感 栅
1.金属丝式应变片 金属丝式应变片有回线式和短接式二种，如图2.3所示。
a、c回线式 b、d短接式
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。
4.2.3 金属电阻应变片的粘贴 应变片粘贴步骤:
• 检查：外观、电阻值、修整 • 试件表面处理：光洁度要求、划定位线 • 粘贴：厚度、方法 • 固化处理 • 粘贴质量的检查：电阻值和绝缘电阻值 • 接线端子的焊接、导线的固定 • 防潮处理
讲授在此！
4.3 .1电阻应变片的特性_一、静态特性
（1）横向效应：直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长
二、 应变片的动态响应特性
应变的大小和方向随时间改变时，应变片处于动态工 作
应变是怎么传播的？
应变以应变波形式经过试件材料或弹性元件材料、 粘合层等，最后传播到应变片。
影响频率响应特性的主要因素：应变片的基长、应 变波在试件材料中的传播速度。
（一）应变波为正弦波
0
L
＝0 s in
2x
x1
x
式中dρ/ρ为半导体应变片的电阻率相对变化量，其
值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为
d E
dR (1 2 E)
R
实验证明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半
导体应变片的灵敏系数为
dR
K R E
半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高50～80倍， 但半 导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重， 使它的 应用范围受到一定的限制。
工程上，一般按R1 = RB = R3 = R4 选取桥臂电阻
当温度升高或降低Δt=t-t0时，两个应变片因温度而引起的
电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态， 即
Uo A[( R1 R1t )R4 (RB RBt )R3] 0
若此时被测试件有应变ε的作用，则工作应变片电阻R1又有 新的增量ΔR1=R1Kε，而补偿片因不承受应变，故不产生新的
③ 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试 件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。
④ 两应变片应处于同一温度场。
2) 应变片的自补偿法
这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变
片(称之为温度自补偿应变片)来补偿的。根据温度自补偿应变
片的工作原理， 可由式（4-37）得出，要实现温度自补偿，必
1) 电阻温度系数的影响
2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 线膨胀系数：温度每变化1度材料长度变化的百分率。
固体物质的温度每改变1摄氏度时，其长度的变化和它在 O℃时长度之比，叫做“线膨胀系数”。单位为1/开。符号为al。
（1）电阻温度系数引起的附加应变
➢电阻丝阻值与温度关系：
Rt R0 1 t t R0 R0t t
缺点：难于控制电阻与温度和时间的变化关系。
4.2.2 金属电阻应变片的材料
对电阻丝(敏感栅)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，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中
具有较大的电阻值； ③ 电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变
其阻值； ④ 与铜线的焊接性能好， 与其它金属的接触电势小；
下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误
差。Rm取决于粘结剂及基底材料的种类及固化工艺。
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Imax。
(3)机械滞后
由于敏感栅基底和粘结剂材料性能，或使用中的过载 ，过热，都会使应变计产生残余变形，导致应变计输出
的不重合。这种不重合性用机械滞后(Zj)来衡量。 它是指粘贴在试件上的应变计，在恒温条件下增(加 载)、减(卸载)试件应变的过程中，对应同一机械应变
所指示应变量(输出)之差值，见图2.6所示。
通常在室温条件下，要求机械滞后Zj ＜3～10με。 实测中，可在测试前通过多次重复预加、卸载，来减小
机械滞后产生的误差。
(4) 蠕变(θ)和零漂(P0)
当试件初始空载时，应变计示值仍会随时间变化的现象称为零 漂。如图中的P0所示。 粘贴在试件上的应变计，在恒温恒载条件下，指示应变量随时 间单向变化的特性称为蠕变。如图中θ所示。 蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性，通常要求 θ＜3～15μs。引起蠕变的主要原因是，制作应变计时内部产生 的内应力和工作中出现的剪应力，使丝栅、基底，尤其是胶层之 间产生的“滑移”所致。选用弹性模量较大的粘结剂和基底材料， 适当减薄胶层和基底，并使之充分固化，有利于蠕变性能的改善。
三、应变测试原理
用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，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。
dR
K R E
✓根据应力与应变的关系，得到应力值σ为
σ=E· ε
4.2 应变片的种类、材料及粘贴
棉签
4.2.3 金属电阻应变片的粘贴
应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。粘结剂形成的 胶层必须准确迅速地将被测件应变传递到敏感栅上。选择粘结 剂时必须考虑应变片材料和被测件材料性能，不仅要求粘接力 强，粘结后机械性能可靠，而且粘合层要有足够大的剪切弹性 模量， 良好的电绝缘性，蠕变和滞后小，耐湿，耐油，耐老 化，动态应力测量时耐疲劳等。 还要考虑到应变片的工作条 件，如温度、相对湿度、稳定性要求以及贴片固化时加热加压 的可能性等。
截面积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因
素影响而改变了dρ，从而引起电阻值相对变化量为
dR dl dA d R l A
轴向应变 dl
l
径向应变
dA 2 dr Ar
dr dl
r
l
式中, μ为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变轴向方向相反。
得:
dR
d
K R 1 2
通常把单位应变能引起的电阻值变化称 为电阻丝的灵敏系数。 其物理意义是单位应变 所引起的电阻相对变化量。
大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对变
化与应变成正比，即K为常数。
半导体应变片
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。压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受
外力作用时， 其电阻率ρ发生变化的现象。
当半导体应变片受轴向力作用时， 其电阻相对变化为
dR
d
R (1 2)
各种电子秤
动态电子秤
高 精 度 电 子 汽 车 衡
电子天平
机械秤包装机
吊秤
4.1 电阻应变片的工 作原理 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，这种效应称为电阻应变效应。
一个长度为l，截面积为A，电阻率为ρ的导体
l
l
F
F
r
r
金属丝电阻 R l
A
当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长Δl，横
第4章 应变式传感器
4.1 工作原理 4.2 应变片的种类、材料及粘贴 4.3 电阻应变片的特性 4.4 应变式传感器的测量电路 4.5 应变式传感器的应用
应变式传感器是利用电阻应变效应做成 的传感器, 是常用的传感器之一。 应变式 传感器的核心元件是电阻应变计（应变 片应）变。式传感器结构简单，尺寸小，重量轻， 使用方便，性能稳定可靠，分辨率高，灵 敏度高，价格又便宜，工艺较成熟。因此 在航空航天、机械、化工、建筑、医学、 汽车工业等领域有很广的应用。
度相同，但应变不同，圆弧部分使灵敏系数K下降。
F
r F
y a
x
r
l1
l
(a)
(b)
（a） 应变片及轴向受力图； （b） 应变片的横向效
应图
最明显的是在θ=π/2 垂直方向的微段, 按泊松比关系产生
压应变-εy。该微段电阻不仅不增加, 反而减少。在圆弧的其他 各微段上, 感受的应变是由+εx变化到- εy的。这样, 圆弧段的 电阻变化, 显然将小于同样长度沿x方向的直线段的电阻变化。
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属丝 式应变片
3.金属薄膜应变片
它是薄膜技术发展的产物。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 金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。
优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范 围广，可达－197～317℃
x2
应变波幅测量的相对误差e为
e
0ຫໍສະໝຸດ Baidu
p
1
sin
2
1 ( L)2
0
6 6
（二）应变波为阶跃波
t
l0
(a)
(b)
10 % tk
90% 100% tk＝ 0.8l0 /
(c)
(a)应变波为阶跃波； (b) 理论响应特性； (c) 实际响应特性
4.3.2 应变片的温度误差及补偿
1. 应变片的温度误差
由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误 差， 称为应变片的温度误差。 产生应变片温度误差的主要因 素有下述两个方面。
(1) 横向效应
解决方式：短接式应变片
理论分析和实验表明：对丝绕式应变计，纵栅l0愈 长，横栅r愈小，则横向效应愈小。因此，采用短
接式或直角式横栅，可有效地克服横向效应的影响
(2) 绝缘电阻和最大工作电流
应变片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Rm。通常要求Rm在50~100 MΩ以上。绝缘电阻
(5)应变极限 应变计的线性(灵敏系数为常数)特性， 只有在一定
的应变限度范围内才能保持。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 εlim。 如图2.8
应变极限是衡量应变计测量范围和过载能力的指标， 通常要求εlim≥8000με。影响εlim的主要因素及改善措施，
dR
d
K R 1 2
灵敏系数K的影响因素：
一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2μ；
另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即
（dρ/ρ）/ε。
对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2μ的
值要比(dρ/ρ)/ε大得多，
半导体材料的(dρ/ρ)/ε项的值比1+2μ大得多。
➢温度变化Δt时电阻丝的电阻变化
Rt Rt R0 R0tt
➢附加应变量为
ta
Rt / R0
K
t
K
（2）线膨胀系数引起的附加应变
t (丝 - 试 )t
（3）总的附加应变量为
t
t
t
K
(丝
- 试 )t
2. R电B 阻应变片的温度补偿方法
1) 桥Uo路补偿法
F
R1
F
R4
RB
U
~
R1—工 作 应 变RB片—；补 偿 应 变 片
常用材料：康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。
2.金属箔式应变片
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
到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。
增量， 此时电桥输出电压为
Uo AR1R4K
由上式可知，电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变ε有关，
而与环境温度无关。
应当指出，若要实现完全补偿，上述分析过程必须满 足以下4个条件：
① 在应变片工作过程中，保证R3=R4 ② R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、 线膨胀系数β、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。
(a)
(b)
U0=A（R1R4-RBR3）
式中, A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。
当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压Uo的作用方向
相反。 利用这一基本关系可实现对温度的补偿。
具体补偿原理分析：
当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一 环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之
达到平衡，此时有 Uo A(R1R4 RBR3) 0
常用材料⑤：机械强度高， 具有优良的机械加工性能。
康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、贵 金属（铂、铂钨合金等）材料
应变片的选择
• 使用要求：灵敏度、温度、寿命 • 敏感栅和基底材料的选择：温度影响 • 敏感栅长度的选择 • 电阻的选择 • 敏感栅结构型式的选择
应变计附件
• 接线端子 • 应变粘接剂 • 贴片用辅助料具：锡铅焊料 、镀银紫铜丝 、导线 、砂纸 、专用镊子 、烙铁、