ch3.1电阻应变式传感器

1、1传感器的定义及其重要性传感器的定义及其重要性 1.1.传感器（传感器（Transducer/SensorTransducer/Sensor）的定义）的定义装置或器件装置或器件 能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。用输出信号的器件或装置。输入输入x输出输出y感受规定的被测量感受规定的被测量按照一定规律转换按照一定规律转换可用输出信号可用输出信号传感器通常由传感器通常由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件组成。组成。2 压 力 作 用 膜片形变（应变） 应变片电阻改变 敏感元件敏感元件转换元件转换元件3辅助电源敏感元件敏感元件转

2、换元件转换元件基本转换电路被测量电量敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。2.2.传感器的组成传感器的组成42.1 应变式传感器2.1.1 工作原理2.1.2 金属应变片的主要特性2.1.3 测量电路2.1.4 应变式传感器的应用5 是根据应变效应原理，通过应变片和弹性元件将机械构件是根据应变效应原理，通过应变片和弹性元件将机械构件的应变或应力转换为电阻的微小变化再进行电量测量的装置。的应变或应力转换为电阻的微小变化再进行

3、电量测量的装置。 其基本构成如下图所示。其基本构成如下图所示。应变效应：应变效应： 导体或半导体在外力的作用下，会产生机械变形，其电导体或半导体在外力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着变化，这种现象称为阻值也将随着变化，这种现象称为应变效应应变效应。应变式传感器：应变式传感器：2.1.1 工作原理工作原理弹性元件弹性元件弹性元件：弹性元件：具有弹性形变特性的物体。具有弹性形变特性的物体。弹性形变：弹性形变：当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状 的应变。的应变。6案例：案例：振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑

4、的防范，挖墙、打洞、爆破适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。等破坏行为均可及时发现。7应变片受力拉伸应变片受力拉伸应变片受力压缩应变片受力压缩工作原理工作原理8 设有一根金属电阻丝，其变形前后的情况如下图所示。未受设有一根金属电阻丝，其变形前后的情况如下图所示。未受外力作用时，其电阻值为外力作用时，其电阻值为()lRs式中式中电阻系数（电阻系数（mmmm2 2/m/m）电阻丝长度（电阻丝长度（m m）l电阻丝截面积（电阻丝截面积（mmmm2 2）s 导体受拉伸后的参数变化导体受拉伸后的参数变化9 对式对式 全微分便可得它们之间的关系：全微分便可得它们之间的关

5、系：2()lldRdldsdsssdldsdRlsdRdldsdRls可得：可得：lRs 在外力在外力F F作用下，设沿电阻丝轴向作用力为均匀应力，则其作用下，设沿电阻丝轴向作用力为均匀应力，则其长度变化长度变化dldl，截面变化，截面变化dsds，半径变化，半径变化drdr，电阻系数变化，电阻系数变化 ，从，从而引起阻值变化而引起阻值变化dRdR。d 导体受拉伸后的参数变化导体受拉伸后的参数变化10上式即可变换为上式即可变换为dRdldsdRls22srdsrdr又由于又由于所以所以2dsdrsr2dRdldrdRlr定义定义1 1：电阻丝的轴向相对伸长即电阻丝的轴向相对伸长即轴向应变轴向应

6、变。电阻丝的径向相对伸长即电阻丝的径向相对伸长即径向应变径向应变。微应变（微应变（）ldlxrdry11 根据材料力学，当电阻丝沿轴向伸长时，必然会引起径向根据材料力学，当电阻丝沿轴向伸长时，必然会引起径向缩小，且轴向应变与径向应变之间的关系为缩小，且轴向应变与径向应变之间的关系为yx 式中式中 电阻丝材料的泊松比，对于大多数金属材料，它电阻丝材料的泊松比，对于大多数金属材料，它是一个常数（是一个常数（0.30.30.50.5）。）。则前式可进行则前式可进行如下化简：如下化简：xyxxxdRdldrdd=-2+= -2 +Rlrd= + 2 +d= (1+ 2) +12当金属丝在外力作用下发生

7、机械变形时，其电阻值会发生变化。当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值会发生变化。(12 )xdRdR 电阻变化电阻变化(12 )x d 电阻丝几何尺寸变化引起；电阻丝几何尺寸变化引起；电阻丝电阻率变化引起。电阻丝电阻率变化引起。对于大多数金属电阻丝材料，电阻丝电阻率基本不变：对于大多数金属电阻丝材料，电阻丝电阻率基本不变：xdR= (1+ 2)R电阻丝的应变效应电阻丝的应变效应130(12 )xxdR RdK 定义定义2 2：应变灵敏系数：应变灵敏系数 表示应变片发生单位轴向应变表示应变片发生单位轴向应变时所引起的电阻值的相对变化。时所引起的电阻值的相对变化。0K金属材料金属材料0 x

8、RKR上式的物理意义：上式的物理意义：加载后测量电阻的变化，即金属丝电阻相加载后测量电阻的变化，即金属丝电阻相对变化应与轴向应变成正比。对变化应与轴向应变成正比。012K 一般取值为一般取值为1.61.62 2（常数）（常数）因为因为K K0 0为常数，得下式所示的增量形式：为常数，得下式所示的增量形式：14半导体应变片的压阻效应半导体应变片的压阻效应 当一块半导体的某一轴向受到外力作用时，电阻率会发生当一块半导体的某一轴向受到外力作用时，电阻率会发生相应的变化，这种能反应应变大小的现象，称为相应的变化，这种能反应应变大小的现象，称为压阻效应压阻效应。 由于半导体由于半导体( (如单晶硅如单晶

9、硅) )是是各向异性材料各向异性材料，因此它的压阻，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与材料类型有关，还与晶向晶向有关有关( (即对晶体的不同方向上施加力即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同时，其电阻的变化方式不同) )。(12 )xdRdR 前面推导得：前面推导得：15 又有又有/ed 或者表示为或者表示为/exdE e半导体材料的压阻系数半导体材料的压阻系数沿半导体纵轴向的应力沿半导体纵轴向的应力 代入，得代入，得exdR= (1+ 2+ E)R又因为又因为12e 故有故有exdR( E)R（半导体应变片的输出特性）（半导体应变片

10、的输出特性）半导体应变片的灵敏系数为：半导体应变片的灵敏系数为：peexdR/RK= 1+ 2+ E E16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) )： 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。171.1.金属电阻应变片的结构金属电阻应变片的结构 主要由金属丝栅（敏感主要由金属丝栅（敏感

11、栅）、绝缘基片及覆盖片三栅）、绝缘基片及覆盖片三部分组成。部分组成。 敏感栅由直径约为敏感栅由直径约为0.010.010.05mm0.05mm的高电阻系数的金属丝弯曲而成栅状，的高电阻系数的金属丝弯曲而成栅状，用粘合剂将其固定在基片上；用粘合剂将其固定在基片上； 基片应保证将试件上的应变准确地传递到敏感栅上去，因此必须做得很基片应保证将试件上的应变准确地传递到敏感栅上去，因此必须做得很薄，一般为薄，一般为0.030.030.06mm0.06mm，并且基片应有良好的绝缘、抗潮和耐热性能；，并且基片应有良好的绝缘、抗潮和耐热性能； 引线一般由引线一般由0.10.10.2mm0.2mm的低阻镀锡铜丝

12、制成。的低阻镀锡铜丝制成。2.2.金属电阻应变片的规格金属电阻应变片的规格丝栅长度丝栅长度l 称为称为标距标距或或工作基长工作基长；丝栅宽度丝栅宽度b b 称为称为基宽基宽。lb 称为称为使用面积使用面积。 应变片的应变片的规格规格以使用面积表示，常用的有以使用面积表示，常用的有123mm2、115mm2。应变片的阻值以。应变片的阻值以120最为常用。最为常用。结构与种类结构与种类18金属电阻应变片的构造与规格金属电阻应变片的构造与规格19特点：特点： 蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式取代的趋势；蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式取代的趋势； 价格便宜，多用于大批量、一次性试验。价格便宜

13、，多用于大批量、一次性试验。蠕变蠕变3.3.金属电阻应变片的种类金属电阻应变片的种类根据制作方法，金属应变片可以分为三类：根据制作方法，金属应变片可以分为三类：1）电阻丝式应变片：电阻丝式应变片：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。将一根高电阻率金属丝绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间高电阻率金属丝绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间并引出导线构成。并引出导线构成。金属材料长期在不变的温度和不变的应力金属材料长期在不变的温度和不变的应力作用下发生缓慢的塑性变形的现象。作用下发生缓慢的塑性变形的现象。202）金属箔式应变片：金属箔式应变片：目前使用较为广泛。目前使用较

14、为广泛。利用照相制版或利用照相制版或光刻技术，将厚约为光刻技术，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。特点：特点： 应变片与基片的接触面积大，散热条件好；应变片与基片的接触面积大，散热条件好； 在长时间测量时蠕变较小；在长时间测量时蠕变较小； 线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好，传递试件应变性线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好，传递试件应变性好。好。3.3.金属电阻应变片的种类金属电阻应变片的种类21金属应变计金属应变计223）薄膜薄膜式应变片式应变片：敏感栅是以蒸镀或溅射法沉积的金属、敏感栅是以蒸镀或溅射法沉积的金属、合金薄膜制成的，其厚

15、度一般在合金薄膜制成的，其厚度一般在0.1m0.1m以下。以下。特点：特点： 灵敏系数高，散热性好，允许通过比粘贴式应变片更大灵敏系数高，散热性好，允许通过比粘贴式应变片更大的工作电流，并可获得更高的输出和更佳的稳定性；的工作电流，并可获得更高的输出和更佳的稳定性； 当传感器的当传感器的弹性体很薄、尺寸很小弹性体很薄、尺寸很小时，采用箔式应变片时，采用箔式应变片会由于基底材料和粘结剂的存在而对传感器特性（如蠕会由于基底材料和粘结剂的存在而对传感器特性（如蠕变、滞后等）产生不利的影响，若采用变、滞后等）产生不利的影响，若采用薄膜式应变片薄膜式应变片则则可在很大程度上克服这些缺点。可在很大程度上克

16、服这些缺点。3.3.金属电阻应变片的种类金属电阻应变片的种类231）几何尺寸：）几何尺寸：栅长、栅宽、基底长、基底宽栅长、栅宽、基底长、基底宽4.4.主要特性参数主要特性参数2）应变片电阻值）应变片电阻值 指应变片在没有安装也不受外力的情况下，于室温时测定指应变片在没有安装也不受外力的情况下，于室温时测定的电阻值。如的电阻值。如60、120、200、350、600、1000。3）灵敏系数）灵敏系数RRK24 4）横向效应敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段：沿轴向拉应变x，电阻圆弧段：沿轴向压应度y 电阻 K (箔式应变片)yxy254）横向效应系数：）横向效应系数：横向灵敏度：横向灵敏度：

17、当应变片的纵轴垂直于单向应变方向安装当应变片的纵轴垂直于单向应变方向安装时，有时也会观测到微小的电阻变化，此时所产生的电阻变时，有时也会观测到微小的电阻变化，此时所产生的电阻变化率与所加的横向应变之比。化率与所加的横向应变之比。横向效应系数：横向效应系数：在同一单向应变作用下，应变片的横向在同一单向应变作用下，应变片的横向灵敏度与纵向灵敏度之比。灵敏度与纵向灵敏度之比。敏感栅端部的横栅越窄而栅长越长的应变片，其横向效敏感栅端部的横栅越窄而栅长越长的应变片，其横向效应系数越小，由横向效应引起的测量误差也越小。应系数越小，由横向效应引起的测量误差也越小。265）应变极限：）应变极限：指对于已安装的

18、应变片，在温度恒定时，指示应变和真指对于已安装的应变片，在温度恒定时，指示应变和真实应变的相对误差不超过规定数值的最大真实应变值。实应变的相对误差不超过规定数值的最大真实应变值。6）最大工作电流：）最大工作电流：指对于已安装的应变片，允许通过敏感栅而不影响其工指对于已安装的应变片，允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流值。作特性的最大电流值。最大工作电流主要取决于散热条件。最大工作电流主要取决于散热条件。7）极限工作温度：）极限工作温度：指应变片在规定的条件下，能保持其工作特性不变或在指应变片在规定的条件下，能保持其工作特性不变或在允许范围内变化的最高温度或最低工作温度。允许范围内变化的最

19、高温度或最低工作温度。3.1.3 应变片的命名应变片的命名应变片的命名标准号为GBT13992-92，其内容如下。 (1) 每种应变片产品命名型号，型号由汉语拼音字母和数字组成共7项。 (2) 由左至右依次排列，第项字母表示应变片类别。 (3) 第项字母表示应变片基底材料。 (4) 第项数字表示标称电阻值，单位为，带括号的规格不推荐采用。 (5) 第项数字表示应变片栅长，小于l mm时小数点省略。 (6) 第V项由两个字母组成表示应变片结构形状，表3-1中只列出常用的代表字母。 (7) 第项数字表示应变片的极限工作温度，对常温应变片此项省略。 (8) 第项括号内数字表示温度自补偿应变片所适用试

20、件材料的线膨胀系数。下下页页上上页页返返回回举例：BH3503AA150 (16) 为单轴箔式环氧基底用于线膨胀系数16106/的材料，最高工作温度150，栅长3mm的温度自补偿应变片。 下下页页上上页页返返回回表3-1型号命名表29302.1 应变式传感器3.1.1 工作原理3.1.2 金属应变片的主要特性3.1.3 应变式传感器应用应变式传感器应用31五、应变式传感器的应用五、应变式传感器的应用1.1.测力传感器测力传感器32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。33

21、汽车衡汽车衡34汽车衡称重系统汽车衡称重系统35案例：案例：电子称电子称原理原理将物品重量通过悬臂梁转化结将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电构变形再通过应变片转化为电量输出。量输出。36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 37应变式力传感器应变式力传感器 FFFF38各种悬臂梁各种悬臂梁39FF固定点固定点固定点固定点电缆电缆各种悬臂梁各种悬臂梁40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 R441 电阻应变式加速度计结构原理如图所示。电阻应变式加速度计结构原理如图所示。 它由重块、悬臂梁、应变片和阻尼液

22、体等它由重块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片之变形便可测弯曲，按梁上固定的应变片之变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可计出力的大小，在已知质量的情况下即可计算出被测加速度。壳体内灌满的粘性液体算出被测加速度。壳体内灌满的粘性液体作为阻尼之用。这一系统的固有频率可以作为阻尼之用。这一系统的固有频率可以做得很低。做得很低。应变式加速度传感器应变式加速度传感器 42应变式加速度传感器应变式加速度传感器 432.1.4 电阻应变式传感器的应用应变式力传感器应变式力传感器应变式压力传感器应变式液体重量（或

23、液位）传感器应变式加速度传感器441 应变式力传感器（a）实心圆柱；（）实心圆柱；（b）空心圆筒；）空心圆筒； 45实心圆柱实心圆柱可以承受较大的负荷，在弹性范围内，可以承受较大的负荷，在弹性范围内，应力与应变成正比关系，即应力与应变成正比关系，即 空心圆筒空心圆筒多用于小集中力的测量。应变片粘贴多用于小集中力的测量。应变片粘贴在弹性体外臂应力分布均匀的中间部分，对称在弹性体外臂应力分布均匀的中间部分，对称地粘贴多片，电桥接线时应尽量减小载荷偏心地粘贴多片，电桥接线时应尽量减小载荷偏心和弯矩的影响。和弯矩的影响。lFlESE46R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF温度补偿47(2)梁式力传感器等截面梁 结构简单，易加工，灵敏度高结构简单，易加工，灵敏度高适合于测适合于测5000N以下的载荷以下的载荷 b0h 等截面悬臂梁EbhlF2648b0h 等强度悬臂梁 EhblF206应变片上下片粘贴对应变片上下片粘贴对应位置要求严格一致