第五章电阻应变片

1、传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器第二篇第二篇 常用传感器的原理及应用常用传感器的原理及应用1.1.掌握传感器工作原理及性能掌握传感器工作原理及性能 2.2.了解传感器结构、种类了解传感器结构、种类3.3.掌握测量电路及其补偿方法掌握测量电路及其补偿方法4.4.掌握应变片的布置及接桥方式掌握应变片的布置及接桥方式5.5.了解传感器的应用了解传感器的应用第第5章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器 电阻式传感器的基本原理电阻式传感器的基本原理：将被测物理量的变化：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记转换成电阻值的变化，再经

2、相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。其种类繁多，应用广泛录被测量值的变化。其种类繁多，应用广泛。 按照其工作原理可分为按照其工作原理可分为：变阻器：变阻器(电位器电位器)式、电阻式、电阻应变式、固态压阻式、热敏电阻式、气敏电阻式、磁应变式、固态压阻式、热敏电阻式、气敏电阻式、磁敏电阻式等敏电阻式等 电阻应变式传感器电阻应变式传感器是基于测量物体受力变形所产是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变传感元件为电阻应变片。片。 传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器应用范围应用范围：用于位移、加速度、力、压力、力矩等：用于位移、加速度

3、、力、压力、力矩等各种参数测量。各种参数测量。电阻应变式传感器特点：电阻应变式传感器特点：精度高，测量范围广；精度高，测量范围广；使用寿命长，性能稳定可靠；使用寿命长，性能稳定可靠；结构简单，体积小，重量轻；结构简单，体积小，重量轻；频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；态测量；价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器5.1 电阻应变片的电阻应变片的工作原理及特性工作原理及特性 1 1、工作原理工作原理 电阻应变片的基本结构：电阻应变片的基本结构：金属材料金属材料半

4、导体材料半导体材料传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理电阻应变效应电阻应变效应是指是指金属导体金属导体在外力作用下发生机械在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形变形时，其电阻值随着所受机械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而发生变化的现象。的变化而发生变化的现象。 应变片应变片压阻效应：压阻效应：半导体半导体材料在受到外力作用时，其电材料在受到外力作用时，其电阻率阻率 发生变化的现象。发生变化的现象。传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器 电阻丝的电阻电阻丝的电阻R R为为ALR/dALdAALdLAdR2代入代入ALR/dA

5、dALdLRdR任一参数变化均会引起电阻变化任一参数变化均会引起电阻变化, ,求导数求导数传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器 x x电阻丝轴向相对变形，或称电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变。纵向应变。电电阻阻丝丝电电阻阻率率变变化化引引起起起起；电电阻阻丝丝几几何何尺尺寸寸变变化化引引 / dx)21 (电阻变化：电阻变化： y y电阻丝径向相对变形，或称电阻丝径向相对变形，或称横向应变。横向应变。xydRdRx)21(传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器对金属材料，电阻率几乎不变：对金属材料，电阻率几乎不变：xRdR)21( 对半导体材料，压阻效应为主：对半导体材料，压阻效应为主：

6、xLLEdRdR电阻应变效应电阻应变效应压阻效应压阻效应弹性元件弹性元件电阻应变片电阻应变片被测量被测量FR传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器定义：电阻丝的灵敏度系数定义：电阻丝的灵敏度系数S0表示单位应变所引表示单位应变所引起的电阻相对变化。起的电阻相对变化。 xRdRS/0金属材料金属材料)(2210常常数数左左右右取取值值为为S半导体材料半导体材料之之间间，易易受受温温度度影影响响取取值值100500ESL电阻应变片灵敏度系数电阻应变片灵敏度系数S S称为称为“标称灵敏度系数标称灵敏度系数”，由实验测定。由实验测定。xSRdR/线性关系线性关系传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感

7、器电阻应变片的横向效应电阻应变片的横向效应敏感栅形状敏感栅形状 栅状结构敏感栅栅状结构敏感栅的电阻变化一的电阻变化一定小于定小于纯直线敏感栅纯直线敏感栅的电阻变化的电阻变化的现象。的现象。分析：分析：应变片的纵向应与测量的形变方向一致；应变片的纵向应与测量的形变方向一致；圆弧部分产生了一个负的电阻变化圆弧部分产生了一个负的电阻变化降低了应变片的降低了应变片的灵敏度系数灵敏度系数。必须采取措施减小横向效应的影响（必须采取措施减小横向效应的影响（改进结构等改进结构等）。）。传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器2 2、电阻、电阻应变片的种类及材料应变片的种类及材料 电阻应变片的种类电阻应变片的种

8、类常用有丝式、箔式、半导体式和薄膜式应变片等常用有丝式、箔式、半导体式和薄膜式应变片等。传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器丝式应变片：丝式应变片：金属电阻应变片的典型结构金属电阻应变片的典型结构。将一根高。将一根高电阻率金属丝（电阻率金属丝（ 0.0250.025mmmm左右）绕成栅形，粘贴在绝缘左右）绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间并引出导线构成。的基片和覆盖层之间并引出导线构成。？栅状结构为了获得大的为了获得大的电阻变化量电阻变化量xSRdR/传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。分为

9、丝绕式和短接式两种。分为丝绕式和短接式两种。 o丝绕式应变片因圆弧部分参与变形，丝绕式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应横向效应较大；较大；o短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大径大5 51010倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。效应。传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器箔式应变片：箔式应变片：利用照相制版或光刻技术，将厚约为利用照相制版或光刻技术，将厚约为0.0030.0030.01mm0.01mm的金属箔片制成敏感栅。的金属箔片制成敏感栅。 传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感

10、器箔式应变片优点箔式应变片优点: :可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅，其栅长可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅，其栅长最小可做到最小可做到0.2mm0.2mm，以适应不同的测量要求；，以适应不同的测量要求；横向效应小横向效应小；散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长；蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长；生产效率高，便于实现自动化生产。生产效率高，便于实现自动化生产。金属箔的材料金属箔的材料常用康铜和镍铬合金等。常用康铜和镍铬合金等。目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。 传感器与测试

11、技术第5章 电阻应变式传感器半导体应变片：半导体应变片：分为体型和扩散型两种。分为体型和扩散型两种。 体型：利用半导体材料的体体型：利用半导体材料的体电阻制成。电阻制成。扩散型：在半导体材料的基扩散型：在半导体材料的基片上利用集成电路工艺制成片上利用集成电路工艺制成扩散型电阻。扩散型电阻。 由于半导体由于半导体( (如单晶硅如单晶硅) )是是各向异性材料各向异性材料，因此，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与关，还与晶向有关晶向有关( (即对晶体的不同方向上施加力时，即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同其电阻的变化方

12、式不同) )。 传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器优点优点： 灵敏度高；灵敏度高； 机械滞后小、横向效应小、体积小、频响高；机械滞后小、横向效应小、体积小、频响高； 易于集成化易于集成化 缺点：缺点： 温度稳定性能差；温度稳定性能差； 灵敏度分散度大；灵敏度分散度大； 较大应力作用下，非线性误差大；较大应力作用下，非线性误差大； 机械强度低机械强度低半导体应变片的特性（与金属应变片相比较半导体应变片的特性（与金属应变片相比较) )：传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器薄膜应变片：薄膜应变片：采用采用真空沉积或高频溅射真空沉积或高频溅射等方法，在等方法，在绝缘基片上形成厚度在绝缘基片上

13、形成厚度在0.10.1mmmm以下的金属电阻材料薄膜以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅的敏感栅厚度大约为箔式应变片的十分之一以下。厚度大约为箔式应变片的十分之一以下。优点优点：应变灵敏系数大，可靠性好，精度高，容易做：应变灵敏系数大，可靠性好，精度高，容易做成高阻抗的小型应变片，无迟滞和蠕变现象，具有良成高阻抗的小型应变片，无迟滞和蠕变现象，具有良好的耐热性和冲击性能等。用化学气相淀积法制备薄好的耐热性和冲击性能等。用化学气相淀积法制备薄膜，以其成膜温度低、可靠性好、系统简单等膜，以其成膜温度低、可靠性好、系统简单等 。薄膜应变片是今后的发展趋势薄膜应变片是今后的发展趋势 传感器与测试技术第5章

14、电阻应变式传感器参考第四章：平面膜片参考第四章：平面膜片压力测量压力测量pxrEhpxrEhtr)(1 (83)3)(1 (832202222022径向应变径向应变切向应变切向应变pEhrtr)1 (832220膜片中心膜片中心膜片边缘膜片边缘pEhrr)1 (432220应变节点应变节点058. 00rrx固有频率固有频率 Erhf200492. 0传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器电阻应变片的材料（电阻应变片的材料（P109表表5.1.1和表和表5.1.2）敏感栅：敏感栅：常用的常用的金属材料金属材料有康铜、镍铬合金、铁铬有康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金及贵金属等；铝合金、铁

15、镍铬合金及贵金属等；半导体材料半导体材料有硅、有硅、锗和锑化铟等。锗和锑化铟等。 基底：保持敏感栅几何形状、电绝缘、防蚀、防损基底：保持敏感栅几何形状、电绝缘、防蚀、防损等作用；等作用；基底常从纸、基底常从纸、有机聚合物胶膜有机聚合物胶膜、玻璃纤维布中选、玻璃纤维布中选材材。厚度厚度0.05mm左右。左右。粘合剂：粘合剂：粘贴强度高，良好稳定性和绝缘性能等粘贴强度高，良好稳定性和绝缘性能等 ；有机与无机（用于高温）有机与无机（用于高温）传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器3 3、电阻、电阻应变片的性能参数应变片的性能参数 5 5）其它性能参数（允许电流、工作温度、应变极限、）其它性能参数（

16、允许电流、工作温度、应变极限、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。 2 2）几何参数：敏感栅基长）几何参数：敏感栅基长l l和宽度和宽度b b，制造厂常用，制造厂常用 b bl l表示。表示。1 1）电阻值：应变片原始阻值）电阻值：应变片原始阻值标准化，标准化，120120常用常用 3 3）灵敏系数）灵敏系数S S：表示应变片变换性能的重要参数。：表示应变片变换性能的重要参数。 4 4）绝缘电阻：应变片与试件间的阻值，越大越好。一）绝缘电阻：应变片与试件间的阻值，越大越好。一般大于般大于101010 10 。 传感器与测试技术第5章 电阻

17、应变式传感器电阻应变片电阻应变片传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器电阻应变片的选择、粘贴技术电阻应变片的选择、粘贴技术 1 1）目测电阻应变片有无折痕、断丝）目测电阻应变片有无折痕、断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2 2）用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥）用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于中各应变片之间阻值相差不得大于0.50.5欧姆。欧姆。3 3）试件表面处理：贴片处用细纱纸打磨干净，用）试件表面处理：贴片处用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无

18、黑迹为止。传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器5 5）焊线：用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。）焊线：用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6 6）用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘电阻，应）用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘电阻，应 大于大于1000M1000M欧。欧。7 7）应变片保护：用）应变片保护：用704704硅橡胶覆于应变片上，防止硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。受潮。4 4）应变片粘贴：在应变片基底上挤一小滴）应变片粘贴：在应变片基底上挤一小滴502502胶水，胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。传感器与测试技术第5章 电阻应变

19、式传感器5.2 测量电路测量电路及温度补偿及温度补偿 电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路测量电路将电阻的变化再转换为电压或电流信号将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被，最终实现被测量的测量。测量的测量。 1 1、测量电桥、测量电桥应变片应变片电桥按其电源性质的不同可电桥按其电源性质的不同可以分为以分为直流电桥直流电桥和和交流电桥交流电桥。直流电桥只能测量电阻，而直流电桥只能测量电阻，而交流电桥可用于测量电阻、交流电桥可用于测量电阻、电感和电容的变化。电感和电容的变化。 传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器直流电桥的工作原理直流电桥的工

20、作原理IadabURRRRRRRRUUU)(432142310 4231RRRR 平衡条件：平衡条件：输出输出定义定义电桥的灵敏度电桥的灵敏度为：为： 工作时，各桥臂阻值变化工作时，各桥臂阻值变化，则输出电压则输出电压U0 0 0000/ RRUSB实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最大灵敏度，通常桥的最大灵敏度，通常R1=R2=R3=R4=R0,即为即为等臂电桥等臂电桥. 传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器直流电桥的联接方式直流电桥的联接方式: a) a) 半桥单臂半桥单臂 b) b) 半桥双臂半桥双臂 c) c) 全桥全桥

21、 IoURRRRRRRRU)(43421111半桥单臂半桥单臂：111RRR传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器通常通常 RRIoURRU0041 IoURRRU00024输出电压为输出电压为IoURRU0021 IoURRU00222111,RRRRRR半桥双臂半桥双臂:全桥接法全桥接法: 444333222111,RRRRRRRRRRRR，)(4143210SUURRUII传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器电桥的工作特性电桥的工作特性: 1 1）不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度，）不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度，尽量采尽量采用用半桥双臂或全桥半桥双臂或全桥方式。方式。IoU

22、RRU0041 IoURRU0021 IoURRU00在在 R R0 0RR0 0条件下，电桥的输出与条件下，电桥的输出与 R R0 0/R/R0 0成正比；成正比；全桥接法可以获得最大的输出，其灵敏度为半桥单全桥接法可以获得最大的输出，其灵敏度为半桥单臂接法的臂接法的4倍倍 。传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器2 2）电桥的和差特性）电桥的和差特性)(4143210SUURRUII全桥接法：全桥接法：4 4桥臂均为工作应变片桥臂均为工作应变片相邻桥臂：相邻桥臂：应变极性相同时，电桥输出电压与两应变极性相同时，电桥输出电压与两应变差有关；应变极性相反时，电桥输出电压与应变差有关；应变极性

23、相反时，电桥输出电压与两应变和有关。两应变和有关。相对桥臂：相对桥臂：输出电压与应变的关系和相邻桥臂正输出电压与应变的关系和相邻桥臂正好相反。好相反。传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器电桥的和差特性的实际应用：电桥的和差特性的实际应用：提高灵敏度提高灵敏度半桥双臂或全桥联接半桥双臂或全桥联接 相对桥臂：同极性相对桥臂：同极性 相邻桥臂：反极性相邻桥臂：反极性实现温度补偿实现温度补偿全桥自动补偿全桥自动补偿半桥双臂：半桥双臂：邻臂邻臂( (同一温度场同一温度场) )消除非测量载荷的干扰影响消除非测量载荷的干扰影响 传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器; 0; 0;43332111MpM

24、ppppMM2;3131总又 测量用应变片测量用应变片补偿用应变片补偿用应变片pIISUSUU21410总总测量测量P消除消除M的影响的影响 传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器2 2、温度误差及补偿、温度误差及补偿温度误差温度误差附加应变附加应变 3)3)其他：基底材料、粘合剂等受温度影响其他：基底材料、粘合剂等受温度影响tRRtRSR)(211)电阻温度效应电阻温度效应2)2)敏感栅与被测试件材料线膨胀系数不同而产生的电敏感栅与被测试件材料线膨胀系数不同而产生的电阻变化阻变化传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器温度补偿方法：温度补偿方法： 1 1）自补偿法）自补偿法 选择自补偿法选

25、择自补偿法敏感栅材料与试件材料敏感栅材料与试件材料 组合式自补偿组合式自补偿传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器 2) 2)桥路补偿法桥路补偿法电桥的和差特性电桥的和差特性 全桥自动补偿；半桥邻臂全桥自动补偿；半桥邻臂3)3)热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法热敏电阻适当分压热敏电阻适当分压传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器3 3、应变片的布置和接桥方式、应变片的布置和接桥方式 利用适当的利用适当的布片和组桥方式布片和组桥方式消除温度变化和复合载消除温度变化和复合载荷作用的影响，获得最大的输出灵敏度。荷作用的影响，获得最大的输出灵敏度。1 1）应变片应布置在弹性元件产生）应变片应布置在弹性

26、元件产生应变最大应变最大的位置，并的位置，并沿主应力方向贴片；贴片处的应变尽量与外载荷沿主应力方向贴片；贴片处的应变尽量与外载荷呈线呈线性关系性关系（避开非线性区），同时应注意使该处不受非（避开非线性区），同时应注意使该处不受非待测载荷的干扰影响。待测载荷的干扰影响。2 2）根据）根据电桥的和差特性电桥的和差特性，选择适当的接桥方式，可以，选择适当的接桥方式，可以使输出的灵敏度最大，同时又能排除非待测载荷的影使输出的灵敏度最大，同时又能排除非待测载荷的影响并进行温度补偿。响并进行温度补偿。 传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器重点理解：重点理解：在拉、压、弯、扭等各种载荷复合作用下在拉、压

27、、弯、扭等各种载荷复合作用下如何布片和组桥，如何测量由其中单一载荷所产生的如何布片和组桥，如何测量由其中单一载荷所产生的应变？应变？柱式元件柱式元件尽可能消除尽可能消除偏偏心和弯矩心和弯矩的影响。的影响。举例说明如下举例说明如下：桥臂串联或并联电阻应变片能否提高灵敏度？桥臂串联或并联电阻应变片能否提高灵敏度？问题？问题？传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器梁式元件梁式元件固定端根部固定端根部传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器扭矩测量扭矩测量传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器5.3 电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用 将应变片粘贴于被测试件上，直接用来测定试件的将应变片粘贴于被测试件上，直接用来测定试件的应力或应变。应力或应变。a)a)齿轮轮齿弯矩齿轮轮齿弯矩b)b)飞机机身应力飞机机身应力c)c)立柱应力立柱应力d)d)桥梁应力桥梁应力传感器与测试技术第5章 电阻应变式传感器将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器，常用来测量力、位移、压力、加速度等参数式传感器，常用来测量力、位移、压力、加速度等参