关于电阻式传感器课件
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引力应变关系： E
应变片的优点：
（1）结构简单，使用方便，性能稳定、可靠，由于有 保护覆盖层，可工作于各种恶劣环境；
（2）灵敏度高，测量速度快，范围大、体积小、动态 响应好，适合静态、动态测量，如变形可从弹性到塑 性，由1～20%变化；分辨率可达1～2微应变（με） ；误差小于1%；
（3）可以测量多种物理量;
（4）易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距
测量和遥测。
二、应变片的类型和材料
（一）关于应变片
敏感栅由很细的电阻丝（0.01~0.05mm）或箔式金属片 （厚度为3~10μm）或金属薄膜（0.1μm以下)组成。
回线式：制作简单性能稳定，但横向效
1.金属丝式应变片
应比较大
短接法：制作工艺要求高
灵敏度系数。
（三）机械滞后
在一定温度下，应变片的电阻相对变化∆R/R在
应变加载和卸载时不相同，即在同一机械应变值 g
下，对应的∆R/R值（即对应的指示应变 i ）不一致 ， m
称为应变片的滞后。
（四）零漂和蠕变 • 零漂：已经粘贴的应变片，在温度保持不变，试件
没有应变的情况下，应变片的指示应变会随时间的 增长而逐渐变化的现象。
d R Rd (12)d lld (12)
dR 令 RK
d 则 K (12)
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 2) 项
（2）受力后材料的电阻率发生变化引起的；即
d p
项
Fra Baidu bibliotek
（二）应变片的结构
应变片由电阻丝（敏感栅）、基底、引线和粘合剂组成。
2.金属箔式应变片 箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的
金属箔栅。 箔片式优点：
（1）光刻技术能制作各种复杂形状的敏感栅
（2）横向效应小 （3）允许大电流通过，提高灵敏度 （4）疲劳寿命长、蠕变小 （5）生产效率高 缺点：电阻值分散性大
3.金属薄膜应变片 薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝
应变式式传感器是基于金属电阻的应变效应 制成。金属材料多为铝合金材质、合金材质及不 锈钢材质。
一、工作原理
(一)金属的电阻应变效应
金属导体的电阻随着机械变形（伸长或缩短） 的大小发生变化的现象称为金属的电阻应变效应。
设一根长为l，截面积为S，电阻系数为ρ 的电阻丝，其电阻值R为：
R
l S
Δl
l
F
于电阻丝应变片的灵敏度系数，即 K K0 。
（电阻丝应变片存在横向效应）
（二）横向效应
y
P
P
x
y x
l0
纵变向 应y 造变成 电x 阻造减成少电。阻增加，横向应
图4 放大的栅状电阻应变片及弯角 部分示意图
a r 2b
由于横向效应，横向应变 y也能引起电阻的变化．此时
实际电阻的变化为
RRKxx Kyy
• 蠕变：已经粘贴的应变片，在温度保持不变，试件 承受恒定机械应变长时间的作用，应变片的指示应 变会随时间的增长而逐渐变化的现象。
蠕变中包含零漂，蠕变是加载情况的特例。
（五）应变极限和疲劳寿命
关于电阻式传感器
§2-1 应变式传感器
常见用途：
• 电阻应变式测力/ 称重传感器(straingage based load cell or load cell)，在工程结构试验及材料性能试验中，用于测 量施加于结构或材料上的外载荷(力值)；在衡器和自动称 量技术中，用于测量衡器和自动称量过程中的物体的质量 (重量)。 • 据国际计量联合会(IMEKO)力值和质量计量委员会(TC3)发表的会议录文章介绍，在电子衡器和自动称量系统中 ，应用电阻应变式称重传感器占90％以上。
粘贴式应变片制成的测力环和测力棒
材料应变的测试
斜拉桥上的斜拉绳 应变测试
发展历史：
• 1843 年由英国物理学家惠斯顿(Sir Charles Wheastone)发 明了惠斯顿电桥电路。 • 1938年，第一只电阻应变片诞生。 • 在1939~1940 年间，美国麻省理工学院的Ruge Deforest 等人将电阻应变片应用到了应变测量装置中。 • 1942 年完成了酚醛基应变片，从而，使电阻应变式传感 器性能有了进一步的提高。 从上世纪五十年代开始，出现了各类应变片，比如当时发 明的箔式应变片、半导体应变片到现在的厚膜应变片等等。
缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅, 最后再加 上保护层。 优点：
电阻值比箔式应变片高，形状尺寸更小更精确；应变灵敏度 系数大；允许电流密度大；工作范围广
4.厚膜应变片 厚膜应变片使用高纯氧化铝陶瓷材料制成感压膜片，是
用厚膜应变电阻浆料在感压膜片上以丝网印刷技术制成应变 片图形。 优点：
2.粘贴技术 （1）应变片检查、阻值检查（2）试件表面处理 （3）定位划线（4）使粘合剂厚度尽量薄 （5）粘合剂固化处理（6）引线焊接处固定以及防护
三、金属应变片的主要特性
（一）灵敏系数 电阻应变片的灵敏度系数定义为：
R
K
R
x
其中 x 为安装应变片区域
的轴向应变。
实验证明，电阻应变片的灵敏度系数恒小
式中，
Kx
R/ (
x
R )y0,
R/ R
Ky ( y )x0
通常可通过
实验确定出Kx和Ky。
令横向效应系数 KHKy/Kx, 则
RRKx(xKHy)
根据应变片灵敏度K的定义可知：
KR/RKx(x xKH)
x
x
(1KH)Kx
可见 KKx，K 即 K0，即应变片存在横向
效应使应变片的灵敏度系数小于直的电阻丝的应变
Δr
r
导线两端受到力F作用时
F
l dl S dS d
将上式取对数再微分，则引起电阻值变化dR：
dRddl dS RlS
因 S r2 ， dS 2 dr
Sr
由材料力学可知： dr dl ，式中
（径向变化）
r
l
泊松比
dl l
表示电阻丝轴向的相对变化，也就是应变。
dRddl dS RlS
使用温度范围宽，输出远大于金属应变传感器；功耗低； 稳定性好；精度与薄膜应变片相当，而工艺比薄膜应变片简 单经济；温漂小。
（二）粘结剂和粘贴技术
粘贴剂形成的胶层必须可靠地将试件或弹性元件产生的 应变传递到应变片的敏感栅去。
1.粘合剂 要求： （1）有一定粘结强度 （2）能准确传递应变 （3）蠕变、机械滞后小 （4）足够稳定 （5）耐湿、耐油、耐老化、耐疲劳
应变片的优点：
（1）结构简单，使用方便，性能稳定、可靠，由于有 保护覆盖层，可工作于各种恶劣环境；
（2）灵敏度高，测量速度快，范围大、体积小、动态 响应好，适合静态、动态测量，如变形可从弹性到塑 性，由1～20%变化；分辨率可达1～2微应变（με） ；误差小于1%；
（3）可以测量多种物理量;
（4）易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距
测量和遥测。
二、应变片的类型和材料
（一）关于应变片
敏感栅由很细的电阻丝（0.01~0.05mm）或箔式金属片 （厚度为3~10μm）或金属薄膜（0.1μm以下)组成。
回线式：制作简单性能稳定，但横向效
1.金属丝式应变片
应比较大
短接法：制作工艺要求高
灵敏度系数。
（三）机械滞后
在一定温度下，应变片的电阻相对变化∆R/R在
应变加载和卸载时不相同，即在同一机械应变值 g
下，对应的∆R/R值（即对应的指示应变 i ）不一致 ， m
称为应变片的滞后。
（四）零漂和蠕变 • 零漂：已经粘贴的应变片，在温度保持不变，试件
没有应变的情况下，应变片的指示应变会随时间的 增长而逐渐变化的现象。
d R Rd (12)d lld (12)
dR 令 RK
d 则 K (12)
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 2) 项
（2）受力后材料的电阻率发生变化引起的；即
d p
项
Fra Baidu bibliotek
（二）应变片的结构
应变片由电阻丝（敏感栅）、基底、引线和粘合剂组成。
2.金属箔式应变片 箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的
金属箔栅。 箔片式优点：
（1）光刻技术能制作各种复杂形状的敏感栅
（2）横向效应小 （3）允许大电流通过，提高灵敏度 （4）疲劳寿命长、蠕变小 （5）生产效率高 缺点：电阻值分散性大
3.金属薄膜应变片 薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝
应变式式传感器是基于金属电阻的应变效应 制成。金属材料多为铝合金材质、合金材质及不 锈钢材质。
一、工作原理
(一)金属的电阻应变效应
金属导体的电阻随着机械变形（伸长或缩短） 的大小发生变化的现象称为金属的电阻应变效应。
设一根长为l，截面积为S，电阻系数为ρ 的电阻丝，其电阻值R为：
R
l S
Δl
l
F
于电阻丝应变片的灵敏度系数，即 K K0 。
（电阻丝应变片存在横向效应）
（二）横向效应
y
P
P
x
y x
l0
纵变向 应y 造变成 电x 阻造减成少电。阻增加，横向应
图4 放大的栅状电阻应变片及弯角 部分示意图
a r 2b
由于横向效应，横向应变 y也能引起电阻的变化．此时
实际电阻的变化为
RRKxx Kyy
• 蠕变：已经粘贴的应变片，在温度保持不变，试件 承受恒定机械应变长时间的作用，应变片的指示应 变会随时间的增长而逐渐变化的现象。
蠕变中包含零漂，蠕变是加载情况的特例。
（五）应变极限和疲劳寿命
关于电阻式传感器
§2-1 应变式传感器
常见用途：
• 电阻应变式测力/ 称重传感器(straingage based load cell or load cell)，在工程结构试验及材料性能试验中，用于测 量施加于结构或材料上的外载荷(力值)；在衡器和自动称 量技术中，用于测量衡器和自动称量过程中的物体的质量 (重量)。 • 据国际计量联合会(IMEKO)力值和质量计量委员会(TC3)发表的会议录文章介绍，在电子衡器和自动称量系统中 ，应用电阻应变式称重传感器占90％以上。
粘贴式应变片制成的测力环和测力棒
材料应变的测试
斜拉桥上的斜拉绳 应变测试
发展历史：
• 1843 年由英国物理学家惠斯顿(Sir Charles Wheastone)发 明了惠斯顿电桥电路。 • 1938年，第一只电阻应变片诞生。 • 在1939~1940 年间，美国麻省理工学院的Ruge Deforest 等人将电阻应变片应用到了应变测量装置中。 • 1942 年完成了酚醛基应变片，从而，使电阻应变式传感 器性能有了进一步的提高。 从上世纪五十年代开始，出现了各类应变片，比如当时发 明的箔式应变片、半导体应变片到现在的厚膜应变片等等。
缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅, 最后再加 上保护层。 优点：
电阻值比箔式应变片高，形状尺寸更小更精确；应变灵敏度 系数大；允许电流密度大；工作范围广
4.厚膜应变片 厚膜应变片使用高纯氧化铝陶瓷材料制成感压膜片，是
用厚膜应变电阻浆料在感压膜片上以丝网印刷技术制成应变 片图形。 优点：
2.粘贴技术 （1）应变片检查、阻值检查（2）试件表面处理 （3）定位划线（4）使粘合剂厚度尽量薄 （5）粘合剂固化处理（6）引线焊接处固定以及防护
三、金属应变片的主要特性
（一）灵敏系数 电阻应变片的灵敏度系数定义为：
R
K
R
x
其中 x 为安装应变片区域
的轴向应变。
实验证明，电阻应变片的灵敏度系数恒小
式中，
Kx
R/ (
x
R )y0,
R/ R
Ky ( y )x0
通常可通过
实验确定出Kx和Ky。
令横向效应系数 KHKy/Kx, 则
RRKx(xKHy)
根据应变片灵敏度K的定义可知：
KR/RKx(x xKH)
x
x
(1KH)Kx
可见 KKx，K 即 K0，即应变片存在横向
效应使应变片的灵敏度系数小于直的电阻丝的应变
Δr
r
导线两端受到力F作用时
F
l dl S dS d
将上式取对数再微分，则引起电阻值变化dR：
dRddl dS RlS
因 S r2 ， dS 2 dr
Sr
由材料力学可知： dr dl ，式中
（径向变化）
r
l
泊松比
dl l
表示电阻丝轴向的相对变化，也就是应变。
dRddl dS RlS
使用温度范围宽，输出远大于金属应变传感器；功耗低； 稳定性好；精度与薄膜应变片相当，而工艺比薄膜应变片简 单经济；温漂小。
（二）粘结剂和粘贴技术
粘贴剂形成的胶层必须可靠地将试件或弹性元件产生的 应变传递到应变片的敏感栅去。
1.粘合剂 要求： （1）有一定粘结强度 （2）能准确传递应变 （3）蠕变、机械滞后小 （4）足够稳定 （5）耐湿、耐油、耐老化、耐疲劳