电子工程制图

第3章 应变式传感器
总结：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
Δ 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
σ=E·ε
（3 - 9）
第3章 应变式传感器
3.1 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。
如图 3 - 1 所示, 一根金属电阻丝, 在其未受力时, 原始电阻
值为
.L
R=
S
（3 -1）
式中: ρ——电阻丝的电阻率; L——电阻丝的长度; S——电阻丝的截面积。
第3章 应变式传感器
第3章 应变式传感器
第3章 应变式传感器
电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化 的传感器, 传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。 当被测物理量作用在弹性元件上时, 弹性元件的变形引起应变 敏感元件的阻值变化, 通过转换电路将其转变成电量输出, 电 量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器 是目前测量力、力矩、 压力、加速度、重量等参数应用最广 泛的传感器。
r L
r
L
式中: μ——电阻丝材料的泊松比, 负号表示应变方向相反。
将式（3 - 3）#, 式（3 - 5）代入式（3 - 2）, 可得
R (1 2)
R
（3-6）
或
R
R (1 2)
（3-7）
第3章 应变式传感器
通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度
系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量, 其表
系图。应力与应变成直线关系 的范围内胡克定律成立，对应 的最大应力称为比例极限。
σ = E ⋅ε 或 E = σ/ ε
应力与应变的比例常数E 被称 为纵弹性系数或扬氏模量，不 同的材料有其固定的扬氏模量。
如上所述，虽然无法对应力进 行直接的测量，但是通过测量 由外力影响产生的应变可以计 算出应力的大小。
由纸、胶质膜和玻璃纤维等制成。
（3）粘结剂
敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结。
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（4）覆盖层 保护作用。防湿、蚀、尘。 （5）引线 连接电阻丝与测量电路，输出电参量。
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2、应变片的类型和材料
（1）.金属丝式应变片 回线式：横向效应较大 短接式：克服横向效应 金属丝式应变片材料要求
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（3）.金属薄膜应变片
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0.1微米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。 存在问题：温度稳定性差
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电子计价秤中的应变片
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应变片的应用
测量汽车载重 荷重传感器
第3章 应变式传感器
崇明跃进桥检测——布置应变 片
第3章 应变式传感器
桥梁加载，检测桥梁的应变
第3章 应变式传感器
对斜拉桥钢索进行应变测试
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无线传感器网络
应变片
信号发射器
信号接收器
当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长ΔL, 横截面积相应减 小ΔS, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ, 故引起电阻 值相对变化量为
R L S R LS
式中ΔL/L是长度相对变化量, 用应变ε表示
L
L
ΔS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量, 即
S 2r Sr
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由材料力学可知, 在弹性范围内, 金属丝受拉力时, 沿轴向 伸长, 沿径向缩短, 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为
达式为
K 1 2
（3-8）
灵敏度系数受两个因素影响: 一个是受力后材料几何尺寸 的变化, 即（1+2μ）; 另一个是受力后材料的电阻率发生的变 化, 即（Δρ/ρ）/ε。 对金属材料电阻丝来说, 灵敏度系数表达 式中（1+2μ）的值要比（（Δρ/ρ）/ε）大得多, 而半导体材料 的（（Δρ/ρ）/ε）项的值比（1+2μ）大得多。 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。
远距离实时监测
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世博会的“阳光谷”
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3.2 电阻应变片特性
一、 电阻应变片的基本结构及测量原理
1、基本组成
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用应变片测量时，将其贴在被测对象表面 上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅 也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转 换电路转换为电压或电流的变化，这是用来直 接测量应变。
通过弹性敏感元件将位移、力、力矩、加 速度、压力等物理量转换为应变，则可用应变 片测量上述各量，而做成各种应变式传感器。
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（1）敏感栅
感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有丝式、 箔式和薄膜式三种。
（2）基底
绝缘及传递应变。测量时应变片的基底用粘结剂粘在试 件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基 片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。
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（2）.金属箔式应变片
箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电阻 箔材，利用照相制版或光刻技术，制成各种需要的形状。
优点： ①可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅；②与被测件粘结 面积大；②散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度； ④横向效应小；⑥蠕变和机械滞后小，寿命长。 缺点：电阻值的分散性大
式中 : σ——试件的应力;
ε——试件来自百度文库应变;
E——试件材料的弹性模量。
由此可知, 应力值σ正比于应变ε, 而试件应变ε正比于电阻 值的变化, 所以应力σ正比于电阻值的变化, 这就是利用应变片 测量应变的基本原理。
第3章 应变式传感器
第3章 应变式传感器
图 所示为一种普通钢材（软铁） 的应力与应变关
应变片工作原理
金属丝
F
金属丝
F
拉伸时电阻变大
F
金属丝
F
压缩时电阻变小
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应变片工作原理
金属丝 金属片
金属丝
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应变片工作原理
拉伸时电阻变大
F
压缩时电阻变小
这里的金属丝就是一种“应变片”，它可 以将金属片的形变转换成电阻的变化。
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第3章 应变式传感器