第四章电阻式传感器

1、电阻式传感器的基本原理是将电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化被测量的变化转换成传感元件转换成传感元件电阻值电阻值的变化，的变化，再经过转换电路变成再经过转换电路变成电信号电信号输出。输出。 常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。 电阻式传感器的结构简单、性能稳定、灵敏度较高，有的还适合于动态测电阻式传感器的结构简单、性能稳定、灵敏度较高，有的还适合于动态测量。量。 第四章第四章 电阻式传感器电阻式传感器第四章第四章 电阻式传感器电阻式传感器工作原理，应变效应工作原理，应变效应弹性敏感元件定义、特性、分类弹性敏感元件定义、特性、分类金

2、属应变片的原理、结构、种类、主要特性金属应变片的原理、结构、种类、主要特性测量电路测量电路应变式传感器应用应变式传感器应用4.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器电阻应变式传感器电阻应变式传感器是一种利用电阻材料的是一种利用电阻材料的应变效应应变效应，将工程结构件的，将工程结构件的内部变形内部变形转换转换为为电阻变化电阻变化的传感器。的传感器。【应变应变】物体在物体在外部压力或拉力外部压力或拉力作用下发生作用下发生形变形变的现象的现象【弹性应变弹性应变】当外力去除后，物体能够完全当外力去除后，物体能够完全恢复恢复其尺寸和形状的应变。其尺寸和形状的应变。【弹性元件弹性元件】具有弹性应变特性的物体

3、。具有弹性应变特性的物体。【电阻应变效应电阻应变效应】是指金属导体（如电阻丝）的是指金属导体（如电阻丝）的阻值阻值随随变形变形（伸长或缩短）而发生改（伸长或缩短）而发生改变的物理现象。变的物理现象。4.1.1 金属电阻应变片的基本原理金属电阻应变片的基本原理此类传感器主要是在弹性元件上通过特定工艺粘此类传感器主要是在弹性元件上通过特定工艺粘贴贴电阻应变片电阻应变片组成。组成。【电阻应变片电阻应变片】一种能将试件上的一种能将试件上的应变变化应变变化转换转换为为电阻变化电阻变化的传感元件。的传感元件。工作原理：工作原理： 当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生当被测物

4、理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。输出的电量大小反映被测量的大小。结构结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构电阻应变片构成。成。主要用来测量力、气体（液体）压力、加速度、重量等参数。其主要用来测量力、气体（液体）压力、加速度、重量等参数。其测量的关键是测量的关键是基于物体的形变基于物体的形变

5、。利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器电阻应变式传感器结构图电阻应变式传感器结构图4.1.1 基本工作原理基本工作原理1弹性敏感元件弹性敏感元件弹性敏感元件把弹性敏感元件把力或压力力或压力转换成了转换成了应变或位移应变或位移，然后再由转换电路将应变，然后再由转换电路将应变或位移转换成或位移转换成电信号电信号。弹性敏感元件是弹性敏感元件是力传感器力传感器中一个中一个关键性的部件关键性的部件应具有良好的弹性、足够的精度，应保证长期使用和温度变化时的稳定性。应具有良好的弹性、足够的精度，应保证长期使用和温度变化时的稳定性。（1）弹性敏感元件的特性参数）

6、弹性敏感元件的特性参数刚度刚度 弹性敏感元件弹性敏感元件在外力在外力作用下作用下变形大小变形大小的量度的量度 。使弹性敏感元件使弹性敏感元件产生单位位移产生单位位移所需要的作用压力所需要的作用压力（1）弹性敏感元件的特性参数）弹性敏感元件的特性参数 灵敏度灵敏度弹性敏感元件在弹性敏感元件在单位力作用下单位力作用下产生变形的大小。它是刚度的倒数，即产生变形的大小。它是刚度的倒数，即刚度和灵敏度：刚度和灵敏度：都是描述弹性特性的指标，互为倒数；都是描述弹性特性的指标，互为倒数；从不同的侧面对同一特性的描述从不同的侧面对同一特性的描述 * 刚度描述的是在受力时，刚度描述的是在受力时，抵抗变形的能力抵

7、抗变形的能力 * 灵敏度描述的是在受力时，灵敏度描述的是在受力时，变形的能力变形的能力（1）弹性敏感元件的特性参数）弹性敏感元件的特性参数 弹性滞后弹性滞后实际的弹性元件在实际的弹性元件在加、卸载加、卸载的正、反行程中的正、反行程中变形曲线变形曲线是不重合的，这是不重合的，这种现象称为弹性滞后现象种现象称为弹性滞后现象 弹性滞后与材料结构、载荷特性和大弹性滞后与材料结构、载荷特性和大小、温度等因素有关；小、温度等因素有关； 弹性变形之差弹性变形之差 叫弹性敏感元件的叫弹性敏感元件的滞后误差滞后误差，会给测量带来误差。，会给测量带来误差。当当比较两种材料比较两种材料时，应都用加载变形时，应都用加

8、载变形曲线或都用卸载变形曲线来比较，这样曲线或都用卸载变形曲线来比较，这样才有可比性。才有可比性。（1）弹性敏感元件的特性参数）弹性敏感元件的特性参数 弹性后效弹性后效 弹性敏感元件弹性敏感元件所加载荷改变所加载荷改变后，不是立即完成相应的变形，而是在一定后，不是立即完成相应的变形，而是在一定时间间隔中时间间隔中逐渐完成变形逐渐完成变形的现象的现象由于弹性后效存在，弹性敏感元件的变由于弹性后效存在，弹性敏感元件的变形始终不能迅速地形始终不能迅速地跟随跟随作用力的变化而作用力的变化而变化变化 弹性敏感元件的材料及基本要求弹性敏感元件的材料及基本要求 具有良好的具有良好的机械特性机械特性（强度高、

9、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能。和良好的机械加工及热处理性能。 良好的良好的弹性特性弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）。（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）。抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。（2 2）弹性敏感元件的分类）弹性敏感元件的分类变换力的弹性敏感元件变换力的弹性敏感元件 变换力的弹性敏感元件是指变换力的弹性敏感元件是指输入量为力输入量为力F，输出量为，输出量为应变或位移应变或位移的弹性的弹性敏感元件。敏感元件。 常用的有实心轴、常用的有实心轴、空心轴、等截面空心轴、等截

10、面圆环、变截面圆圆环、变截面圆环、悬臂梁、扭环、悬臂梁、扭转轴等转轴等 。弹性圆柱（柱式弹性敏感元件）弹性圆柱（柱式弹性敏感元件） 在力的作用下，往往以在力的作用下，往往以应变应变（物体（物体在外部压力或拉力下发生形变）作为输在外部压力或拉力下发生形变）作为输出量。出量。 在在轴向轴向承受作用力承受作用力F（拉或压）时，（拉或压）时，根据与轴线呈角度，可求产生的相应的根据与轴线呈角度，可求产生的相应的应力和应变。应力和应变。特点特点：结构简单，可承受很大载荷。在轴线方向上的应力、应变最大。结构简单，可承受很大载荷。在轴线方向上的应力、应变最大。用途用途：电阻应变式拉力或压力传感器：电阻应变式拉

11、力或压力传感器悬梁壁（等截面）悬梁壁（等截面） 一端固定一端自由的弹性敏感元件一端固定一端自由的弹性敏感元件 特点特点：结构简单，加工方便，适用于较小力的测量：结构简单，加工方便，适用于较小力的测量悬梁壁（变截面）悬梁壁（变截面） 自由端上加作用力时，在梁上各处产生的自由端上加作用力时，在梁上各处产生的应变大小相等应变大小相等 特点特点：结构简单，加工方便，应变和位移较大：结构简单，加工方便，应变和位移较大扭转棒扭转棒 在力矩测量中常常用到在力矩测量中常常用到 圆环式圆环式一般为等截面圆环结构，圆环受力后容一般为等截面圆环结构，圆环受力后容易变形，所以它的灵敏度较高，多用于易变形，所以它的灵敏

12、度较高，多用于测量较小的力测量较小的力，缺点是圆环，缺点是圆环加工困难加工困难，环的各个部位的环的各个部位的应变及应力应变及应力都不相等。都不相等。（2 2）弹性敏感元件的分类）弹性敏感元件的分类变换压力的弹性敏感元件变换压力的弹性敏感元件 将将压力压力变换成应变或位移的变换压力的弹性敏感元件变换成应变或位移的变换压力的弹性敏感元件 a. 弹簧管弹性敏感元件弹簧管弹性敏感元件 弯成各种形状的弯成各种形状的空心管空心管子子，大多数是，大多数是C型弹簧管；型弹簧管；主要在主要在流体压力测量流体压力测量中中作为压力敏感元件，将作为压力敏感元件，将压压力力变换为变换为弹簧端部的位移弹簧端部的位移；（2

13、 2）弹性敏感元件的分类）弹性敏感元件的分类变换压力的弹性敏感元件变换压力的弹性敏感元件 b. 波纹管弹性敏感元件波纹管弹性敏感元件 表面上有许多表面上有许多同心环状同心环状皱纹皱纹的薄壁圆管。的薄壁圆管。波纹管的波纹管的轴向轴向在液体压在液体压力下极易变形，即力下极易变形，即灵敏度灵敏度非常好非常好，可将压力（轴向，可将压力（轴向力）变换为位移。力）变换为位移。（2 2）弹性敏感元件的分类）弹性敏感元件的分类变换压力的弹性敏感元件变换压力的弹性敏感元件 c. 薄壁圆筒弹性敏感元件薄壁圆筒弹性敏感元件 当当筒内腔受压筒内腔受压后，筒壁后，筒壁均匀均匀受受力并均匀力并均匀向外扩张向外扩张，在，在

14、轴线轴线方向方向产生位移和应变产生位移和应变2电阻应变片原理电阻应变片原理（1）电阻应变片测试原理（）电阻应变片测试原理（基于电阻应变效应基于电阻应变效应）电阻应变效应电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械：当金属丝在外力作用下发生机械变形变形时，其时，其电阻值电阻值将发生变化。将发生变化。测试时，将测试时，将应变片应变片用粘接剂牢固的粘贴在用粘接剂牢固的粘贴在被测试件表面被测试件表面上，上，随着随着试件受力变形试件受力变形，应变片的，应变片的敏感栅敏感栅也获得同样的变形，也获得同样的变形，从而使其从而使其电阻电阻随之发生变化。随之发生变化。通过一定的通过一定的测量测量电电路路将这种将这种

15、电阻电阻的变化转换为的变化转换为电压或电流电压或电流的变化，然后再用的变化，然后再用显示记显示记录仪表录仪表将其显示记录下来，就能知道被测试件将其显示记录下来，就能知道被测试件应变量应变量的大小的大小有一段长为有一段长为 ，截面为，截面为 ，电阻率为，电阻率为 的金属丝，则它的的金属丝，则它的电阻电阻为为当电阻丝受到当电阻丝受到轴向拉力轴向拉力F作用时，作用时，轴向拉长轴向拉长 ，径向伸缩径向伸缩 ，电阻率电阻率增加增加 ，引起引起电阻值变化电阻值变化为为 ，FFLL+dL2r2(r-dr)2电阻应变片原理电阻应变片原理（1）电阻应变片测试原理（）电阻应变片测试原理（基于电阻应变效应基于电阻应

16、变效应）2电阻应变片原理电阻应变片原理（1）电阻应变片测试原理（）电阻应变片测试原理（基于电阻应变效应基于电阻应变效应）对于半径为对于半径为r的圆导体，的圆导体， ，又由材料力学可知，在弹性范围内，又由材料力学可知，在弹性范围内，电阻丝材料的泊松比，一般金属电阻丝材料的泊松比，一般金属 ；导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；压阻系数，与材质有关；压阻系数，与材质有关；为应力值；为应力值；材料的弹性模量材料的弹性模量2电阻应变片原理电阻应变片原理（1）电阻应变片测试原理（）电阻应变片测试原理（基于电阻应变效应基于电阻应变效应）金属电阻的

17、灵敏度系数金属电阻的灵敏度系数材料的几何尺寸变化引起的材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率材料的电阻率 随应变引起的（压阻效应）随应变引起的（压阻效应）金属材料：金属材料： 以前者为主，则以前者为主，则半半 导导 体：体： 值主要是由电阻率相对变化所决定值主要是由电阻率相对变化所决定2电阻应变片原理电阻应变片原理（1）电阻应变片测试原理（）电阻应变片测试原理（基于电阻应变效应基于电阻应变效应）灵敏度系数灵敏度系数K受两个因素影响受两个因素影响一是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即一是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即二是应变片受力后材料的电阻率发生的变

18、化，即对金属材料：对金属材料：对半导体材料：对半导体材料：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，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，即即 为常数为常数2电阻应变片原理电阻应变片原理（2）金属应变片结构）金属应变片结构丝绕式丝绕式敏感栅敏感栅 直径为直径为0.025mm左右的合金电阻丝左右的合金电阻丝基底基底 绝缘绝缘覆盖层覆盖层 保护保护外力作用外力作用位移、力、力矩、加速度、压力位移、力、力矩、加速度、压力弹性敏弹性敏感元件感元件应变应变被测对象表面产生微小机械变形被测对象表面产生微小机械变形应变片敏感栅随同变形应变片敏感栅随同变形电阻值发生

19、相应变化电阻值发生相应变化应变片应变片2电阻应变片原理电阻应变片原理（2）金属应变片结构）金属应变片结构【敏感栅敏感栅】感受应变感受应变，并将其转，并将其转换为换为电阻电阻的变化（的变化（敏感元件敏感元件）【基底基底】绝缘绝缘及及传递传递应变。测量应变。测量时，基底要准确地把试件的应变时，基底要准确地把试件的应变传递给敏感栅，同时绝缘性能好，传递给敏感栅，同时绝缘性能好，否则应变片微小的电信号就要漏否则应变片微小的电信号就要漏掉掉【覆盖层覆盖层】保护作用。防尘、湿、保护作用。防尘、湿、蚀蚀【引线引线】连接连接电阻丝与测量电路电阻丝与测量电路，输出电参量输出电参量2电阻应变片原理电阻应变片原理（

20、2）金属应变片结构）金属应变片结构用应变片测量时，将其贴在用应变片测量时，将其贴在被测被测对象对象表面上。表面上。当被测对象当被测对象受力变形受力变形时，应变片时，应变片的的敏感栅也随之变形敏感栅也随之变形，其，其电阻电阻值发值发生相应变化，通过生相应变化，通过转换电路转换电路转换为转换为电压或电流的变化，用来直接测量电压或电流的变化，用来直接测量应变。应变。通过通过弹性敏感元件弹性敏感元件将位移、力矩、将位移、力矩、压力等物理量压力等物理量转换为应变转换为应变，再通过，再通过应变片测量上述各量，做成各种应应变片测量上述各量，做成各种应变式传感器。变式传感器。2电阻应变片原理电阻应变片原理（2

21、）金属应变片结构）金属应变片结构金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比，应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比，并且对同一电阻材料，并且对同一电阻材料， 是常数。是常数。其灵敏度系数多在其灵敏度系数多在1.73.6之间。之间。2电阻应变片原理电阻应变片原理（3）金属应变片种类）金属应变片种类金属箔式应变片金属箔式应变片在绝缘基底上，将厚度为在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。方法，制成

22、适用于各种需要的形状。2电阻应变片原理电阻应变片原理（3）金属应变片种类）金属应变片种类金属箔式应变片金属箔式应变片尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求；尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求；可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅；可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅；与被测试件接触面积大，粘结性能好；散热条件好，允许电流大，灵敏度高；与被测试件接触面积大，粘结性能好；散热条件好，允许电流大，灵敏度高；横向效应可以忽略；横向效应可以忽略；蠕变、机械之后小，疲劳寿命长。蠕变、机械之后小，疲劳寿命长。优点：优点：缺点：缺点：电阻值的分散性大电阻值的分散性大阻值调整阻值调整2电阻应变片原理电阻应变片原

23、理（3）金属应变片种类）金属应变片种类金属薄膜应变片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 以下以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量上产。的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量上产。优点：优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产。应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产。问题：问题：难以控制电阻与温度和时间的变化关系。难以控制电阻与温度和时间的变化关系。3电阻应变片的主要特性电阻应变片的主要特性应变片的电阻值应

24、变片的电阻值R应变片在未经安装，也不受外力情况下，于室温下测得电阻值。应变片在未经安装，也不受外力情况下，于室温下测得电阻值。电阻系列：电阻系列：60，120， 200，350，500，1000电阻值大电阻值大可加大应变片承受电压可加大应变片承受电压输出信号大输出信号大敏感栅尺寸也增大敏感栅尺寸也增大3电阻应变片的主要特性电阻应变片的主要特性（1）灵敏系数）灵敏系数 K应变计的灵敏系数直接关系到应变计的灵敏系数直接关系到应变测量的精度应变测量的精度。实验证明，在相当大的应变范围内，应变片灵敏系数实验证明，在相当大的应变范围内，应变片灵敏系数K是常数是常数K K值通常采用从批量生产中每批值通常采

25、用从批量生产中每批抽样抽样，在规定条件下，在规定条件下通过实测确定，通过实测确定，即应变计的标即应变计的标定定, ,故故K K又称又称标定灵敏系数标定灵敏系数。标定条件：试件材料取标定条件：试件材料取泊松比泊松比=0.285=0.285的钢；试件单向受力；应变力轴向的钢；试件单向受力；应变力轴向与与主应力主应力方向一致。方向一致。电阻应变片的电阻应变片的灵敏系数灵敏系数k 电阻丝电阻丝的灵敏系数的灵敏系数k0，原因：，原因： 粘结层传递变形失真；粘结层传递变形失真；存在有横向效应存在有横向效应3电阻应变片的主要特性电阻应变片的主要特性（2）横向效应）横向效应将应变片沿轴向拉伸，则将应变片沿轴向

26、拉伸，则沿轴向沿轴向各段直线上的各段直线上的电阻电阻将将增加增加，但在，但在半圆弧段半圆弧段会横向收会横向收缩，缩，引起引起阻值减小量阻值减小量，对轴向伸长引起阻值增加量相互抵消一部分。，对轴向伸长引起阻值增加量相互抵消一部分。 因而同样应变时，阻值变化减小，因而同样应变时，阻值变化减小，K值减小，此现象为值减小，此现象为横向效应横向效应。 FF当将应变片粘贴在被测试件上时当将应变片粘贴在被测试件上时, 敏感栅是由敏感栅是由n条长度为条长度为L的直线段和的直线段和（n-1）个半径为）个半径为r的半圆组成的半圆组成；直线段：沿轴向拉应变直线段：沿轴向拉应变 ，电阻增加；，电阻增加；圆弧段：沿轴向

27、压应变圆弧段：沿轴向压应变 ，电阻减小。，电阻减小。电阻应变片传感器是电阻应变片传感器是靠电阻值来度量应变靠电阻值来度量应变的，所以希望它的电阻值只随应变的，所以希望它的电阻值只随应变而变，而不受其他因素影响。而变，而不受其他因素影响。但粘贴到试件上的电阻应变片，除感受机械应变而产生电阻相对变化外，在但粘贴到试件上的电阻应变片，除感受机械应变而产生电阻相对变化外，在环境温度变环境温度变化时，也会引起化时，也会引起电阻的相对变化电阻的相对变化，产生虚假应变，这种现象称为，产生虚假应变，这种现象称为温温度效应度效应。温度变化对电阻应变片的影响是多方面的，这里仅考虑以下两种影响：温度变化对电阻应变片

28、的影响是多方面的，这里仅考虑以下两种影响：3电阻应变片的主要特性电阻应变片的主要特性（3）温度效应）温度效应温温度度误误差差敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当当环境温度变化环境温度变化 时，敏感栅材时，敏感栅材料的料的电阻温度系数电阻温度系数为为 ，则则引起电阻相对变化引起电阻相对变化为：为：试件材料的线膨胀引起的误差。当试件材料的线膨胀引起的误差。当环境温度变化环境温度变化 时，时，因因敏感栅材料和敏感栅材料和试件材料的膨胀系数试件材料的膨胀系数不同，应变片产生附加的拉长不同，应变片产生附加的拉长(或压缩或压缩)，引起电阻的相对，引起电阻的相对变化变化:3

29、电阻应变片的主要特性电阻应变片的主要特性（3）温度效应）温度效应3电阻应变片的主要特性电阻应变片的主要特性（3）温度效应）温度效应线膨胀系数的影响线膨胀系数的影响应变片：应变片：试件：试件：如：如： ，附加形变：，附加形变： 根据材料力学：根据材料力学： 附加电阻：附加电阻： 3电阻应变片的主要特性电阻应变片的主要特性（3）温度效应）温度效应可得，由于温度变化而引起的总电阻变化为：可得，由于温度变化而引起的总电阻变化为：相应的虚假应变输出：相应的虚假应变输出：应变片的应变片的温度补偿温度补偿方法通常有两种方法通常有两种：（1）自补偿）自补偿 为补偿温度变化，把粘贴在被测部位上为补偿温度变化，把

30、粘贴在被测部位上电阻应变片，电阻应变片，做成做成一种特一种特殊形式。殊形式。当温度变化时，产生的当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消附加应变为零或相互抵消，这种特殊的应，这种特殊的应变片为变片为温度自补偿应变片温度自补偿应变片。 两种实现方式：两种实现方式： 单丝选择式自补偿法：单丝选择式自补偿法： 双丝组合式自补偿法：双丝组合式自补偿法： 应变片的应变片的温度补偿温度补偿方法通常有两种方法通常有两种：（1）自补偿）自补偿单丝选择式自补偿法：单丝选择式自补偿法：电阻总相对变化量：电阻总相对变化量： 实现温度补偿的条件为：实现温度补偿的条件为： t= 0当被测试件的线膨胀系数当被测试件的线

31、膨胀系数 已知时，通过选择敏感栅材料，使下式成立已知时，通过选择敏感栅材料，使下式成立即可达到温度补偿的目的。即可达到温度补偿的目的。优点：容易加工，成本低优点：容易加工，成本低缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。应变片的温度补偿方法通常有两种应变片的温度补偿方法通常有两种：（1）自补偿）自补偿 双丝组合式自补偿法：双丝组合式自补偿法： 这种应变片的敏感栅是由这种应变片的敏感栅是由电阻温度系数为一正一负电阻温度系数为一正一负的两种合金丝串接的两种合金丝串接而成而成。 当工作温度变化时，若当工作温度变化时，若R1栅产生栅产生正的虚假应变正的

32、虚假应变与与R2栅产生栅产生负的虚假应变负的虚假应变大小大小相等或相近，就可达到相等或相近，就可达到温度误差自补偿温度误差自补偿的目的。的目的。使温度变化时产生的电阻变化满足：使温度变化时产生的电阻变化满足：UiU0R1R2R3R4应变片的温度补偿方法通常有两种应变片的温度补偿方法通常有两种：（2）桥路补偿）桥路补偿 桥路补偿法中，桥路补偿法中，应变片应变片通常作为平衡电桥的一个通常作为平衡电桥的一个臂臂来测量应变。利用电桥来测量应变。利用电桥的的和差特性和差特性，电桥的输出反应，电桥的输出反应相邻相邻桥臂的桥臂的电电阻值变化相减的结果。阻值变化相减的结果。输出电压：输出电压：令令 ，则，则电

33、桥平衡：设电桥平衡：设（2）桥路补偿）桥路补偿UiU0R1R2R3R4温度不变化：温度不变化：温度变化温度变化 ： 而而温度变化时温度变化时，R1变为：变为：R2有相同的温度变化，变为有相同的温度变化，变为R1和和R2是相同的应变片，所以是相同的应变片，所以 选择选择两个相同的应变片两个相同的应变片R1和和R2，接在电桥的，接在电桥的相邻桥臂相邻桥臂上，处于上，处于相同温度场相同温度场。R1工作应变片，感受被测量变化引起的应变工作应变片，感受被测量变化引起的应变R2补偿应变片，粘贴在一片不受力作用但与试件材料相同的补偿块上补偿应变片，粘贴在一片不受力作用但与试件材料相同的补偿块上在不测应变时，

34、在不测应变时，桥电路平衡桥电路平衡，所以，此时输出电压为：所以，此时输出电压为：（2）桥路补偿）桥路补偿优点：优点：简单、方便，在常温下补偿效果好。简单、方便，在常温下补偿效果好。缺点：缺点：在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。的情况，因而影响补偿效果。（3）热敏电阻补偿）热敏电阻补偿3电阻应变片的主要特性电阻应变片的主要特性（4）零漂和蠕变）零漂和蠕变 粘贴在试件上的粘贴在试件上的应变片应变片，在，在恒温恒载恒温恒载条件下，条件下，指示应变量指示应变量随时随时间单向变化的

35、特性间单向变化的特性。当试件初始空载时，应变片示值仍会当试件初始空载时，应变片示值仍会随时间变化的现象称为随时间变化的现象称为零漂零漂；蠕变蠕变反映了应变片在长时间工作中反映了应变片在长时间工作中对对时间的稳定性时间的稳定性；制作应变片时内部产生的制作应变片时内部产生的内应力内应力和工和工作中出现的作中出现的剪应力剪应力，使丝栅、基底，尤，使丝栅、基底，尤其是胶层之间产生的其是胶层之间产生的“滑移滑移”。 引起蠕变引起蠕变指示应变指示应变P003电阻应变片的主要特性电阻应变片的主要特性（5）应变极限）应变极限应变片的应变片的线性线性(灵敏系数为常数灵敏系数为常数)特性，只有在一定的特性，只有在

36、一定的应变限度范围应变限度范围内内才能保持。才能保持。当试件输入的当试件输入的真实应变真实应变超过某一超过某一限值时，应变片的输出特性将出现限值时，应变片的输出特性将出现非线性非线性。在恒温条件下，使在恒温条件下，使非线性误差达非线性误差达到到10%时时的真实应变值，称为应变的真实应变值，称为应变极限。极限。10%应变极限是衡量应变片测量范围和过载能力的指标应变极限是衡量应变片测量范围和过载能力的指标3电阻应变片的主要特性电阻应变片的主要特性（6）绝缘电阻）绝缘电阻应变片应变片引线引线与与被测试件被测试件之间的电阻值，取决于粘合剂及基底材料的种类。之间的电阻值，取决于粘合剂及基底材料的种类。绝

37、缘电阻绝缘电阻过低过低，会造成应变片与试件之间，会造成应变片与试件之间漏电漏电，产生测量误差。，产生测量误差。 3电阻应变片的主要特性电阻应变片的主要特性（7）动态响应特性）动态响应特性电阻应变片在电阻应变片在测量频率较高测量频率较高的动态应变时，被测试件的的动态应变时，被测试件的应变应变是以是以应变波应变波的形式进行的形式进行传递传递的，传播速度与声波相同；的，传播速度与声波相同；应变波首先经过应变波首先经过试件或弹性元试件或弹性元件，然后经过件，然后经过粘合层和应变片基片粘合层和应变片基片，最后，最后传播到传播到应变片应变片上，并由上，并由应变片应变片将试件变形的将试件变形的应变波反映应变

38、波反映出来；出来；试件试件/弹性元件弹性元件当它依次通过一定厚度的当它依次通过一定厚度的粘接层粘接层、基底基底(两者都很薄，传播时间极短，两者都很薄，传播时间极短，可忽略不计可忽略不计)和敏感栅，而为应变片所响应时，就会有和敏感栅，而为应变片所响应时，就会有时间的滞后时间的滞后。当被测应变值随时间当被测应变值随时间变化的频率很高变化的频率很高时，应变片的这种时，应变片的这种响应滞后响应滞后对动态对动态(高频高频)应变测量，会应变测量，会产生误差产生误差。应变片的应变片的动态特性动态特性就是指其感受随时间变化的应变时之响应特性。就是指其感受随时间变化的应变时之响应特性。a a试件产生的试件产生的

39、阶跃机械应变波阶跃机械应变波； b b传播速度为传播速度为v v的的应变波应变波，通，通过栅长而滞后一段时间的理论响过栅长而滞后一段时间的理论响应特性；应特性；c c应变片对应变波的应变片对应变波的实际响应实际响应特性特性。应变片的动态响应特性应变片的动态响应特性t10%tk90%100%tk 0.8 l0 /(a)(b)(c)l0应变片对阶跃应变的响应特性应变片对阶跃应变的响应特性a a试件产生的试件产生的阶跃机械应变波阶跃机械应变波； b b传播速度为传播速度为v v的的应变波应变波，通过栅长而滞后一段时间的理论响应特性；，通过栅长而滞后一段时间的理论响应特性；c c应变片对应变波的应变片

40、对应变波的实际响应特性实际响应特性。4电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路电阻应变片把电阻应变片把机械应变机械应变信号转换成信号转换成电阻电阻后，由于应变量及其应变电阻变化后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很一般都很微小微小，即难以直接精确测量，又不便直接处理。，即难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用因此，必须采用转换电路或仪器转换电路或仪器，来测量这种微弱的变化，并把应变片的，来测量这种微弱的变化，并把应变片的电阻变化电阻变化转换成转换成电压电压或或电流电流变化。变化。通常采用通常采用电桥电路电桥电路实现这种转换。实现这种转换。根据电源的不同，电桥分根据电源的不同，电桥分直流电

41、桥直流电桥和和交流电桥交流电桥。多采用直流电桥电路多采用直流电桥电路 优：优： 稳定度高，电源易得到，调节简单。稳定度高，电源易得到，调节简单。 缺：缺：不平衡工作时输出电流易受工频干扰，后接直流放大器易产生零漂移。不平衡工作时输出电流易受工频干扰，后接直流放大器易产生零漂移。平衡条件：平衡条件： R1R4=R2R3 或或4电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路 （1）直流电桥电路）直流电桥电路直流电桥电路的直流电桥电路的4个桥臂个桥臂是由是由R1、R2、R3、R4组成，其中组成，其中a、c两端接两端接直流电压直流电压Ui，而，而b、d两端两端为为输出端输出端，其输出电压为，其输出电压为Uo。相

42、对相对两臂电阻的乘积相等两臂电阻的乘积相等, , 或或相邻相邻两臂电阻的比值应相等。两臂电阻的比值应相等。此时，输出电压此时，输出电压Uo=0R4R34电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路 （1）直流电桥电路）直流电桥电路应变片工作时：应变片工作时：电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大放大器器进行放大。进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时，可视由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时，可视电桥的输出为电桥的输出为开路开路情况。情况。4电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路 （2）不平衡直流电

43、桥的工作原理及灵敏度）不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度当电桥后面接放大器时，电桥输出端看成当电桥后面接放大器时，电桥输出端看成开开路路，电桥的输出式为：，电桥的输出式为：R4R3应变片工作时，其电阻变化应变片工作时，其电阻变化 ，所以，所以4电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路 （2）不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度）不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度采用采用等臂电桥等臂电桥，即，即R1=R2=R3=R4=R。当当 时，略去上式中的高阶微量，则时，略去上式中的高阶微量，则上式表明：上式表明： 时，电桥的输出电压与应变成时，电桥的输出电压与应变成线性线性关系。关系。若相邻两桥臂的应变极性一致，即同

44、为拉或压应变，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉或压应变，输出电压为两者之差；反之，则为两者之和。反之，则为两者之和。若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之，则为两者之若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之，则为两者之差。差。电桥供电电压电桥供电电压U越高，输出电压越高，输出电压Uo越大。越大。增大电阻应变片的灵敏系数增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。，可提高电桥的输出电压。4电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路 （1）直流电桥电路）直流电桥电路R4R3当负载当负载RL 时，电桥输出电压为：时，电桥输出电压为：电桥平衡条件电桥平

45、衡条件当电桥平衡时，当电桥平衡时，Uo=0，则有：，则有：或或电桥平衡条件电桥平衡条件：欲使电桥平衡，其：欲使电桥平衡，其相邻两臂相邻两臂电阻的电阻的比值比值应相等，或应相等，或相对两臂相对两臂电阻的电阻的乘积乘积应相等。应相等。4电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路 （1）直流电桥电路）直流电桥电路电压灵敏度电压灵敏度应变片工作时：应变片工作时：电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电

46、桥为开路情况。为开路情况。当受应变时：当受应变时：若应变片电阻变化为若应变片电阻变化为 ，其它桥臂固定不变，电桥输出电压，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡，输出电压为则电桥不平衡，输出电压为4电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路 （1）直流电桥电路）直流电桥电路电压灵敏度电压灵敏度设桥臂比设桥臂比 n=R2/R1，由于，由于 ，分母中，分母中 可忽略，并考虑到平衡条件可忽略，并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3，则上式可写为：，则上式可写为： 电桥电压灵敏度定义为：电桥电压灵敏度定义为：4电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路 （1）直流电桥电路）直流电桥电路电压灵敏度电压灵

47、敏度分析：分析：电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度正比正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择；但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择；电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择的函数，恰当地选择桥臂比桥臂比n的值，保证电的值，保证电桥有较高的电压灵敏度。桥有较高的电压灵敏度。当当E值确定后，值确定后，n取何值时，才能使取何值时，才能使KU最高？最高？4电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路 （1）直流电桥电路）直流电桥电路电压

48、灵敏度电压灵敏度n值的选择值的选择思路：思路： ，求，求 的最大值的最大值 求得求得n=1时，时， 为最大值。即在供桥电压为最大值。即在供桥电压E确定时，当确定时，当R1=R2=R3=R4时，电桥时，电桥电压灵敏度最高，此时有：电压灵敏度最高，此时有： 结论结论：当电源电压：当电源电压E和电阻相对变化量和电阻相对变化量 一定时，电桥的输出电压及其灵一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。14电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路 （1）直流电桥电路）直流电桥电路非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法理想情况理想情况（略

49、去分母中的（略去分母中的 项）：项）：实际情况实际情况（保留分母中的（保留分母中的 项）：项）： 与与 的关系式非线性的，非线性误差为：的关系式非线性的，非线性误差为：4电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路 （1）直流电桥电路）直流电桥电路非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法如果桥臂比如果桥臂比n=1，则：，则：例如：例如：对于一般应变片：所受应变对于一般应变片：所受应变 通常在通常在5000 以下，若取以下，若取 ，则，则 ，计算得非线性误差为，计算得非线性误差为0.5%；若若 ， 时，时， ，则得到非线性误差为，则得到非线性误差为6%，故当非，故当非线性误差不能满足测量要求时，必须

50、予以消除。线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。4电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路 （1）直流电桥电路）直流电桥电路非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法假设假设 不成立时：不成立时： 单臂电桥，即单臂电桥，即R1桥臂变化桥臂变化 ，理想的线性关系为：，理想的线性关系为：实际输出电压实际输出电压电桥的相对非线性误差为：电桥的相对非线性误差为：4电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路 （1）直流电桥电路）直流电桥电路非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法采用采用等臂电桥等臂电桥，即，即R1=R2=R3=R4=R。当当 时，略去上式中的高阶微量，则时，略去上式中的高阶微量，则R4

51、R3R4R34电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路 （1）直流电桥电路）直流电桥电路非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法减小和消除非线性误差的方法减小和消除非线性误差的方法差动电桥差动电桥4电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路 （1）直流电桥电路）直流电桥电路非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法半桥差动：半桥差动：在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂。该电桥输出电压为：入电桥相邻桥臂。该电桥输出电压为：若若 ，则得：，则得：可知：可知： 与与 成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏

52、度成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度 ， ，是单臂工作时的是单臂工作时的2倍。倍。4电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路 （1）直流电桥电路）直流电桥电路非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法全桥差动：全桥差动：电桥四臂接入电桥四臂接入4片应变片，即片应变片，即2个受拉应变，个受拉应变，2个受压应变，将个受压应变，将2个应个应变符号相同的接入相对桥臂上。若变符号相同的接入相对桥臂上。若 ，且，且 ，则：则：可知：可知：全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍。倍。4电阻应变片测量电路电阻应变片测

53、量电路 （2）交流电桥电路）交流电桥电路引入原因：引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易产生由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。由于供桥电源为交流电源由于供桥电源为交流电源 ，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性复阻抗特性，即，即相当于两只应变片各并联了一个电容。相当于两只应变片各并联了一个电容。R4R3R4R3交交流流电电桥桥4电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路 （2）交流电桥电路）交流电桥电路每一桥臂上，复阻抗分别为：每一桥臂

54、上，复阻抗分别为：式中，式中， 表示应变片引线分布电容表示应变片引线分布电容4电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路 （2）交流电桥电路）交流电桥电路交流电桥交流电桥输出输出：电桥电桥平衡条件平衡条件： ，即：，即：整理可得：整理可得：变形为：变形为：交流电桥的交流电桥的平衡条件平衡条件（实部、虚部分别相等）：（实部、虚部分别相等）：4电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路 （2）交流电桥电路）交流电桥电路交流电桥交流电桥平衡调节平衡调节4电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路 （2）交流电桥电路）交流电桥电路如果采用如果采用差动结构差动结构：当被测应力变化引起工作应变片阻值变化时，电桥输出为：当被

55、测应力变化引起工作应变片阻值变化时，电桥输出为：5电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用 应变片能将应变片能将应变应变直接转换成电阻的变化直接转换成电阻的变化 其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应变其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应变 弹性元件弹性元件 应变式传感器的组成：弹性元件、应变片、附件（补偿元件、保护罩等）应变式传感器的组成：弹性元件、应变片、附件（补偿元件、保护罩等）5电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用 （1）应变式力传感器）应变式力传感器被测物力量：被测物力量：荷重或力荷重或力主要用途：主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测

56、力元件、发动机的推力测试、作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。水坝坝体承载状况监测等。力传感器的弹性元件：力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等。柱式、筒式、环式、悬臂式等。5电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用 （1）应变式力传感器）应变式力传感器 柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器R4R3 圆柱形拉力传感器：圆柱形拉力传感器：R1、R2、R3、R4是四个完全相同的应变片，是四个完全相同的应变片，R1、R4竖粘，为轴向贴片，感受拉伸，正应变；竖粘，为轴向贴片，感受拉伸，正应变；R2、R3横粘，为径向贴片，感受横粘，为径向贴片，感受

57、压缩，负应变。压缩，负应变。5电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用 （1）应变式力传感器）应变式力传感器 环式力传感器环式力传感器薄臂圆环式应变式传感器薄臂圆环式应变式传感器内贴取内贴取“-”，外贴取，外贴取“+”h-圆环厚度；圆环厚度；b-圆环宽度；圆环宽度；E-材料弹性模量材料弹性模量 测量测量F（1）应变式加速度传感器）应变式加速度传感器用途用途：主要用于物体：主要用于物体加速度加速度的测量；的测量；工作原理工作原理：物体运动加速度与：物体运动加速度与作用它的力作用它的力成正比，与物体成正比，与物体质量质量成反比成反比传感器传感器壳体壳体与与被测被测对象对象刚性连接；刚性连接；被

58、测物体以加速度被测物体以加速度a运动时，质量块受到运动时，质量块受到惯性力惯性力作用；作用；悬梁壁悬梁壁变形，应变变形，应变片产生片产生应变应变，应变片，应变片电阻电阻变化变化6电阻应变式传感器的实际应用电阻应变式传感器的实际应用（2）应变式电阻式电子秤）应变式电阻式电子秤电子秤的核心是电子秤的核心是称重传感器称重传感器，此外还有放大电路、，此外还有放大电路、A/D转换电路、显示或控制转换电路、显示或控制电路组成。电路组成。物体质量通过物体质量通过悬臂梁结构发生形变悬臂梁结构发生形变，再通过应变片，转化为电量输出。，再通过应变片，转化为电量输出。6电阻应变式传感器的实际应用电阻应变式传感器的实

59、际应用称重传感器感受到被测物体的重量，输出一个小信号，经过放大电路，称重传感器感受到被测物体的重量，输出一个小信号，经过放大电路，成成为电信为电信号，通过号，通过A/D转换电路转换电路数字信号，用于显示数字信号，用于显示/控制。控制。（2）应变式电阻式电子秤）应变式电阻式电子秤6电阻应变式传感器的实际应用电阻应变式传感器的实际应用称重称重传感器传感器放大放大A/D转换转换MCS-51显示显示定值控制定值控制（3）导电式水位传感器）导电式水位传感器当当水位低于检测电极水位低于检测电极时，两电时，两电极呈极呈绝缘绝缘状态，电路无电流，传状态，电路无电流，传感器感器输出电压为输出电压为0；当当水位与

60、检测电极接触水位与检测电极接触时，测时，测量电路有电流，指示电路中的仪量电路有电流，指示电路中的仪表发生偏转，且有表发生偏转，且有输出电压输出电压；通过仪表或输出电压得知水位通过仪表或输出电压得知水位达到预定高度。达到预定高度。把输出电压和控制电路连接，把输出电压和控制电路连接，可对供水系统进行可对供水系统进行自动控制自动控制。6电阻应变式传感器的实际应用电阻应变式传感器的实际应用4.1 压阻式传感器压阻式传感器压阻效应压阻效应固体受到力的作用后，其电阻率要发生变化的现象。固体受到力的作用后，其电阻率要发生变化的现象。半导体材料半导体材料的压阻效应特别强。的压阻效应特别强。压阻式传感器压阻式传