第2章 应变传感器

1、 一根金属电阻丝一根金属电阻丝, 在其未受力时在其未受力时, 原始电阻值为原始电阻值为 R=式中式中: 电阻丝的电阻率电阻丝的电阻率; L电阻丝的长度电阻丝的长度; S 电阻丝的截面积。电阻丝的截面积。 应变效应应变效应:导体或半导体材料沿一定方向受力时导体或半导体材料沿一定方向受力时,其其 阻阻值将发生变化值将发生变化,这种现象称为应变效应。这种现象称为应变效应。SL.工作原理工作原理应变式传感器应变式传感器一一 当电阻丝受到拉力当电阻丝受到拉力F作用时作用时, 将伸长将伸长L, 横截面积相应减横截面积相应减小小S, 电阻率将因电阻率将因晶格发生变形等因素而改变晶格发生变形等因素而改变, 故

2、引起电阻故引起电阻值相对变化量为值相对变化量为 SSLLRR式中式中L/L是长度相对变化量是长度相对变化量, 用应变用应变表示表示 LLS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量为圆形电阻丝的截面积相对变化量, 即即 rrSS2 由材料力学可知由材料力学可知, 在弹性范围内在弹性范围内, 金属丝受拉力时金属丝受拉力时, 沿轴向沿轴向伸长伸长, 沿径向缩短沿径向缩短, 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为那么轴向应变和径向应变的关系可表示为LLrr式中式中: 电阻丝材料的泊松比电阻丝材料的泊松比, 负号表示应变方向相反。负号表示应变方向相反。)21 (RR)21 (RR通常把单位应变能引起的电阻值变化

3、称为电阻丝的灵敏度系数。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。21K 灵敏度系数受两个因素影响灵敏度系数受两个因素影响: 受力后材料几何尺寸的受力后材料几何尺寸的变化变化, 即（即（1+2）; 受力后材料的电阻率发生的变化受力后材料的电阻率发生的变化, 即即（/）/。 对金属材料电阻丝来说对金属材料电阻丝来说, 灵敏度系数表达式中灵敏度系数表达式中（1+2）的值要比（）的值要比（/）/）大得多）大得多, 而半导体材料的而半导体材料的（/）/）项的值比（）项的值比（1+2）大得多。）大得多。 大量实验证明大量实验证明, 在电阻丝拉伸极限内在电阻丝拉伸极限内, 电阻的相对变电阻的

4、相对变化与应变成正比化与应变成正比, 即即K为为常数。常数。 用应变片测量应变或应力时用应变片测量应变或应力时, 根据上述特点根据上述特点, 在外力作用下在外力作用下, 被测对象产生微小机械变形被测对象产生微小机械变形, 应变片随着发生相同的变化应变片随着发生相同的变化, 同时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R时时, 便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系, 得到应力值得到应力值为为 =E 式中式中 : 试件的应力试件的应力; 试件的应变试件的应变; E试件材料的弹

5、性模量。试件材料的弹性模量。 由此可知由此可知, 应力值应力值正比于应变正比于应变, 而试件应变而试件应变正比于电阻正比于电阻值的变化值的变化, 所以应力所以应力正正比于电阻值的变化比于电阻值的变化, 这就是利用应变片这就是利用应变片测量应变的基本原理。测量应变的基本原理。 应变片特性应变片特性二二电阻应变片的种类电阻应变片的种类金属应变片组成金属应变片组成金属电阻应变片金属电阻应变片半导体电阻应变片半导体电阻应变片敏感栅、敏感栅、 基片、基片、 覆盖层和引线等部分覆盖层和引线等部分敏感栅是应变片的核心部分敏感栅是应变片的核心部分, 它粘贴在绝缘的基片上它粘贴在绝缘的基片上, 其其上再粘贴起保

6、护作用的覆盖上再粘贴起保护作用的覆盖层层, 两端焊接引出导线。金两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有丝属电阻应变片的敏感栅有丝式、式、 箔式和薄膜式三种。箔式和薄膜式三种。金属电阻应变片的材料金属电阻应变片的材料 灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数 值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中值大，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。具有较大的电阻值。 电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值 与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小；与铜线的焊接性能好，与其它金

7、属的接触电势小； 机械强度高，具有优良的机械加工性能。机械强度高，具有优良的机械加工性能。应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差应变片的温度误差1、电阻温度系数的影响：、电阻温度系数的影响： Rt=R0（1+0t）t000RRRRt2、试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响、试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 设电阻丝和试件在温度为设电阻丝和试件在温度为0时的长度均为时的长度均为l0，它们，它们的线膨胀系数分别为的线膨胀系数分别为 s和和 g，若两者不粘贴，则它们的长，若两者不粘贴，则它们的长度分别为度分别为s0s(1)llts0s(1)llt 当两者粘贴在一起时，电

8、阻丝产生的附加变形当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形 l、附、附加应变加应变 和附加电阻变化和附加电阻变化 R 分别为分别为gsgs0()llllt gs0ltl（）0000gs()RK RK Rt可得由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为可得由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为 t0000gs00gs()()RRRRRtKtKt 折合成附加应变量或虚假的应变折合成附加应变量或虚假的应变 t，则，则000tgs00()RRtKK 因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（了与环境

9、温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K0， 0， s）以及被测试件线膨胀系数）以及被测试件线膨胀系数 g有关。有关。电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法应变片自补偿法应变片自补偿法线路补偿法线路补偿法自补偿法自补偿法e若使应变片在温度变化若使应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使时的热输出值为零，必须使每一种材料的被测试件，其线膨胀系数每一种材料的被测试件，其线膨胀系数 都为确定值都为确定值,在选择在选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电阻温度系数阻温度系数 和线膨胀系数和线膨胀系数 满足上式的条件

10、，即可实现温度满足上式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。 0getKtgUSCER2R4R1R3线路补偿法线路补偿法3241RRRRAUSC 由上式可知，当由上式可知，当R R3 3、R R4 4为常数时，为常数时，R Rl l和和R R2 2对输出电压的作用方向相反。利用这个对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。效果较好，这是最常用的补偿方法之一。 电桥输出电压与桥臂参数的关系为电桥输出电压与桥臂参数

11、的关系为R R1 1和和R R2 2须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数、线膨胀系、线膨胀系数数、应变灵敏系数、应变灵敏系数K K都相同，两片的初始电阻值也要求相同。都相同，两片的初始电阻值也要求相同。用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等。同，即要求两者线膨胀系数相等。两应变片处于同一温度环境中。两应变片处于同一温度环境中。ACBDR1R2R3R4RLU0+-U0=E（R1R1+R2R3R3+R4）电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路一一直流电桥直流电桥R

12、1R4=R2R3当电桥平衡时，当电桥平衡时，U0=0则有：则有：二二单臂电桥单臂电桥ACBDR1R2R3R4RLU0+-当应变片受力时，当应变片受力时，R1变为：变为：R+R，其余电阻不变，其余电阻不变，电压灵敏度为：电压灵敏度为：输出电压为：输出电压为：U0=E4R1R1KU=E4ACBDR1R2R3R4RLU0+-输出电压为：输出电压为：U0=E2R1R1电压灵敏度为：电压灵敏度为：KU=E2三三半桥半桥R+R，R2变为：变为： RRR1、R2为受力相反的应变片，为受力相反的应变片，其余电阻不变，其余电阻不变，R1变为：变为：三三全桥全桥ACBDR1R2R3R4RLU0+-R+R，R1R+

13、RR4R2RRR3RR输出电压为：输出电压为：U0= ER1R1电压灵敏度为：电压灵敏度为：U0= E应变式传感器的应用应变式传感器的应用一一应变式力传感器应变式力传感器柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器应变片接线要求：应变片接线要求： 应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分，应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分，对称粘贴多片。对称粘贴多片。应变片粘贴要求：应变片粘贴要求： 采用电桥连接方式，横向粘贴的应变片起温度补偿的作用。采用电桥连接方式，横向粘贴的应变片起温度补偿的作用。 作为各种电子秤与材料试验机的测力元件、发动机的推作为各种电子秤与材料试验机的测力元件、发动机的推力测

14、试、水坝坝体承载状况监测力测试、水坝坝体承载状况监测 荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示荷重传感器荷重传感器上的应变片上的应变片在重力作用在重力作用下产生变形。下产生变形。轴向变短，轴向变短，径向变长。径向变长。 R1R2R3R4R5R6R7R8U0R1R3R5R7R4R2R8R6U柱面展开图柱面展开图电桥连线图电桥连线图环式力传感器环式力传感器R1R2hABFR环式传感器结构图环式传感器结构图=39.5oMAB应力分布图应力分布图R R2 2应变片所在的位置应力为零，故应变片所在的位置应力为零，故R R2 2应变片起温应变片起温度补偿作用。度补偿作用。XRhPtr应变变化图应变变化图trR

15、1R4R3R2应变片粘贴应变片粘贴应变式压力传感器应变式压力传感器R R1 1R R4 4切向粘贴，切向粘贴， R R2 2R R3 3在边缘处径在边缘处径向粘贴构成全桥向粘贴构成全桥电路电路二二主要用来测量流动介质的动态和静态压力，如动力管主要用来测量流动介质的动态和静态压力，如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力、枪管及炮管内部的压力、内燃机管道的压力等。力、枪管及炮管内部的压力、内燃机管道的压力等。 膜片式压力传感器膜片式压力传感器R R1 1R R4 4切向粘贴，切向粘贴， R R2 2R R3 3在边缘处径向在边缘处径向

16、粘贴构成全桥电路粘贴构成全桥电路测量流动介质的动态和静态测量流动介质的动态和静态压力，如动力管道设备的进压力，如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、出口气体或液体的压力、发动机内部的压力、枪管及发动机内部的压力、枪管及炮管内部的压力、内燃机管炮管内部的压力、内燃机管道的压力道的压力 应变式容器内液体重量传感器应变式容器内液体重量传感器三三微压传感器微压传感器电阻应变片电阻应变片传压杆传压杆h感压膜感压膜可以测量容器内储存可以测量容器内储存的溶液重量及液位。的溶液重量及液位。 当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大，将其当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大，将其上两个传感器上两个传感

17、器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路。的电桥接成正向串接的双电桥电路。输出电压为：输出电压为：U0=UIU2（ K1 K2 ）hg感压膜上面感压膜上面液体的重量液体的重量传感器传传感器传输系数输系数HgQA容器感压膜上容器感压膜上面液体的重量面液体的重量容器的截面积容器的截面积U0（ K1 K2 ）QA投入式液位计投入式液位计 压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。力而与液体相通。 投入式液位计外形（投入式液位计外形（续）续） 压阻式压阻式固

18、态压力固态压力传感器传感器光柱光柱 显示器显示器 橡胶橡胶背压管背压管 投入式液位传感器投入式液位传感器 投入式液位传感器投入式液位传感器安装方便，适应于深安装方便，适应于深度为度为 几米几米 至至 几十米，几十米，且混有且混有 大大 量量 污物、杂污物、杂质的水或其他液体的质的水或其他液体的液位测量。液位测量。 应变式加速度传感器应变式加速度传感器四四工作原理：工作原理：物体运动的加速度与作用在它上面的力成正物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反。比，与物体的质量成反。壳体内充满硅油壳体内充满硅油调节阻尼系数调节阻尼系数测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，测量时，将传

19、感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度当被测物体以加速度 a 运动时，质量块受到一运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，其上应变片发生形变，阻值变化，电桥变形，其上应变片发生形变，阻值变化，电桥不在平衡改变输出电压，即可测出加速度不在平衡改变输出电压，即可测出加速度a。测量原理测量原理不适用于频率较高的振动和冲击场合，频率不适用于频率较高的振动和冲击场合，频率为为1060Hz范围。范围。注意注意事项事项汽车衡汽车衡称重系统称重系统应变式力传感器应变式力传感器 应变式力传感器应变式力传感器 各种悬臂梁各种悬臂梁 各种悬臂

20、梁各种悬臂梁 FF固定点固定点固定点固定点电缆应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2 R4应变式荷重传感器外形及受力位置（续）应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF应变式荷重传感器外形及受力位置（续）应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF汽车衡汽车衡汽车衡汽车衡汽车衡汽车衡（以下参考（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 ）电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示电子天平电子天平电子天平的精度电子天平的精度可达十万分之一可达十万分之一人体秤人体秤 吊钩秤吊钩秤 便携式便携式应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程程2500N.m，耗电量，耗电量10mA，有公制，有公制/英制单位转换、英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。峰值