第5章电阻应变式传感器

1、第第5 5章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器5.1 5.1 应变片工作原理应变片工作原理5.25.2 应变片的种类和主要参数应变片的种类和主要参数5.35.3 应变片的温度误差及其补偿应变片的温度误差及其补偿5.4 5.4 传感器的信号调理电路传感器的信号调理电路5.5 5.5 传感器的应用传感器的应用5.6 5.6 压阻式传感器压阻式传感器5.7 5.7 本章小结本章小结工作原理：工作原理：基于应变片的应变效应特点：特点： 1 1）结构简单，使用方便，性能稳定、可靠。）结构简单，使用方便，性能稳定、可靠。 2 2）易于实现自动化测量，如多点测量，远距离测量。）易于实现自动化测量，如多点测

2、量，远距离测量。 3 3）灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量。）灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量。 4 4）可以测量多种物理量。）可以测量多种物理量。 电阻应变式传感器的发展历史电阻应变式传感器的发展历史 18561856年：发现金属材料的应变效应；年：发现金属材料的应变效应； 19311931年：制成第一片应变片；年：制成第一片应变片； 19401940年，发明应变式传感器。年，发明应变式传感器。 应变式传感器举例应变式传感器举例 可测力、压力、应力、位移、加速度。5.1 5.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理 5.1.15.1.1 金属的应变效应金属的应变效应 金属

3、丝（导体）在外力作用下发生机械变形时，其电金属丝（导体）在外力作用下发生机械变形时，其电阻发生变化，此种现象称为阻发生变化，此种现象称为金属的电阻应变效应。金属的电阻应变效应。 SLR/5.1.2 5.1.2 电阻应变片的结构电阻应变片的结构 1 1）基底：）基底：固定敏感栅及绝缘；固定敏感栅及绝缘；0.030.030.06mm0.06mm厚；纸质或胶质。厚；纸质或胶质。 2 2）电阻丝：）电阻丝：金属丝绕成栅状，敏感栅。金属丝绕成栅状，敏感栅。d=0.01=0.010.05mm0.05mm。 作用：敏感应变的大小。作用：敏感应变的大小。 3 3）覆盖层：）覆盖层：作用，防潮、防蚀、防损等。作

4、用，防潮、防蚀、防损等。 4 4）引线：）引线：通常取直径约为通常取直径约为0.10.10.15mm0.15mm的低阻镀锡铜线。的低阻镀锡铜线。5.1.3 5.1.3 电阻电阻应变特性应变特性 由物理学可知，由物理学可知，一根金属丝的电阻为：一根金属丝的电阻为： 式中：式中：R R金属丝的电阻；金属丝的电阻；金属丝的电阻率；金属丝的电阻率；L L长度长度 S S截面积，截面积， 取一段金属丝如下图示，取一段金属丝如下图示，当金属丝受拉力当金属丝受拉力F F时，其时，其L L、S S、和和R R的变化分别为的变化分别为d dL L、dSdS、d d和和d dR R。 xxyyxdRdRrdrLd

5、LrdrSdSrdrdSrSdSdSLdLRdRdSLdSSLdLSdR/21-22,22）（所以则径向应变轴向应变则灵敏系数灵敏系数 金属丝的灵敏系数金属丝的灵敏系数KsKs 可写成：可写成： 电阻应变片的灵敏系数电阻应变片的灵敏系数K KxxdRdRKs/)21 (/xRRKs/sKK 应变片的灵敏系数恒小于同一金属丝的灵敏系数，原因是横向效应。应变片的灵敏系数恒小于同一金属丝的灵敏系数，原因是横向效应。 5.1.4 5.1.4 电阻应变片的横向效应电阻应变片的横向效应 将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变片敏感栅的将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变片敏感栅的电阻变化

6、较直的金属丝小，从而其灵敏系数较直的金属丝灵敏系数小电阻变化较直的金属丝小，从而其灵敏系数较直的金属丝灵敏系数小的现象。的现象。5.2 5.2 电阻应变片的种类和主要参数电阻应变片的种类和主要参数5.2.1 5.2.1 电阻应变片的种类电阻应变片的种类 1 1）丝式应变片丝式应变片 A A、回线式应变片、回线式应变片 B B、短接式应变片、短接式应变片 2 2）箔式应变片箔式应变片 3 3）薄膜应变片）薄膜应变片 4 4）半导体应变片）半导体应变片 n丝式应变片丝式应变片 回线式应变片回线式应变片 短接式应变片短接式应变片 n箔式应变片箔式应变片 利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，利

7、用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在厚度一般在0.0010.0010.01mm0.01mm，粘贴在基片上，上面再，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。其优点是表面积和截面积之比覆盖一层薄膜而制成。其优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大。大，散热条件好，允许通过的电流较大。n薄膜应变片薄膜应变片 金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。薄膜以形成应变片。 这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度这种应

8、变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。大，工作温度范围较广。 n半导体应变片半导体应变片 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。而制成的一种纯电阻性元件。压阻效应：压阻效应：当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率会发生变化。率会发生变化。ERRKEERRERRxBxxxx/)21 ()21 (数半导体应变片的灵敏系半导体应变片突出优点：体积小、灵敏度高、频率响应范围很宽。 缺点：温度系数大、测量应变时非线性较严重。各种应变片的特点各种应变片的特点

9、丝绕式丝绕式 应变片应变片用耐用性不同合金材料绕制而成用耐用性不同合金材料绕制而成可适应不同温度，尤适高温，但横向效可适应不同温度，尤适高温，但横向效应大，散热差。应大，散热差。 短接式短接式 应变片应变片敏感栅轴向用高敏感栅轴向用高丝，横向用低丝，横向用低丝材料组合而成丝材料组合而成横向效应小，可做成双丝温度自补偿，横向效应小，可做成双丝温度自补偿，适于中、高温，但工艺要求高适于中、高温，但工艺要求高 箔式箔式 应变片应变片敏感栅用厚敏感栅用厚110m的铜镍合金的铜镍合金箔光刻而成箔光刻而成尺寸小，品种多，静、动特性及散热性尺寸小，品种多，静、动特性及散热性均好。工艺复杂，常用常温。均好。工

10、艺复杂，常用常温。半 导 体 式半 导 体 式应变片应变片由单晶半导体径切型，切条、光由单晶半导体径切型，切条、光刻腐蚀成形再粘贴。刻腐蚀成形再粘贴。灵敏系数比金属大灵敏系数比金属大5080倍，动特性好；倍，动特性好；但温度，时间稳定性较差。但温度，时间稳定性较差。 特殊用途特殊用途=(25)105大应变的应变片、大应变的应变片、防水、防磁等应变片。防水、防磁等应变片。 5.2.2 5.2.2 电阻应变片的参数电阻应变片的参数1)1)应变片电阻值（应变片电阻值（R R0 0 ）：）：有有60，120，350，600和和1000的各种阻值的各种阻值 ；2)2)绝缘电阻：绝缘电阻：即敏感栅与基底间

11、的电阻值，一般应大即敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于于10101010 (1 (1万万M) M) ；3)3)灵敏系数灵敏系数K K： 要求要求K K大而稳定大而稳定 ；4)4)允许电流允许电流 ：电流一般为电流一般为25mA 25mA ；5)5)应变极限应变极限 ：测量最大的应变值测量最大的应变值 ；6)6)机械滞后、零漂和蠕变机械滞后、零漂和蠕变 。5.3 5.3 电阻应变片的温度误差及其补偿电阻应变片的温度误差及其补偿5.3.1 5.3.1 温度误差产生的原因温度误差产生的原因（1）应变片电阻丝的电阻随温度变化）应变片电阻丝的电阻随温度变化（2）电阻丝材料与被测试件材料线膨胀系数不同。）

12、电阻丝材料与被测试件材料线膨胀系数不同。计算举例计算举例例：例： 有一个电阻为有一个电阻为120，K=2的应变片，粘贴在弹性极的应变片，粘贴在弹性极限为限为400MN/m2，弹性模量为，弹性模量为200GN/m2的钢件上，的钢件上， 1）当应力等于弹性范围的）当应力等于弹性范围的1/10时；时； 2 ） 如 果 应 变 片 材 料 为 康 铜 （ 铜 镍 合 金 ） 丝） 如 果 应 变 片 材 料 为 康 铜 （ 铜 镍 合 金 ） 丝（=2010-6/ ，膨胀系数为，膨胀系数为1210-6m/m，钢，钢膨胀系数为膨胀系数为1610-6m /m），温度变化），温度变化20； 试分别计算此应变

13、片的电阻变化。试分别计算此应变片的电阻变化。1. 1. 桥路补偿法桥路补偿法 5.3.25.3.2 温度补偿方法温度补偿方法 R R1 1：工作应变片：工作应变片，贴于试件上，贴于试件上R R2 2：补偿应变片：补偿应变片，贴于与试件，贴于与试件材料相同的补偿块上。工作中材料相同的补偿块上。工作中补偿块不承受应变。补偿块不承受应变。 2. 2. 应变片自补偿法应变片自补偿法 a.a.选择式自补偿应变片选择式自补偿应变片 0)(tK丝试消附加应变为零或相互抵当温度变化时，产生的温度自补偿条件：被测试件材料选定后，只要选择合适的应变片敏感被测试件材料选定后，只要选择合适的应变片敏感栅材料，使材料，

14、使满足上满足上式，就可实现温度自补偿。式，就可实现温度自补偿。缺点：缺点：一种一种值的应变片只能在一种材料上使用，局限性较大。值的应变片只能在一种材料上使用，局限性较大。 b. b.双金属敏感栅自补偿应变片双金属敏感栅自补偿应变片 制作应变片时，敏感制作应变片时，敏感栅采用两种不同温度系数的金属材料，一个为正，采用两种不同温度系数的金属材料，一个为正，一个为负，将二者串联绕制，其产生的电阻将相互抵消。一个为负，将二者串联绕制，其产生的电阻将相互抵消。5.4 5.4 电阻应变式传感器的信号调理电路电阻应变式传感器的信号调理电路5.45.4.1.1.测量电桥的工作原理测量电桥的工作原理1 1. 直

15、流电桥直流电桥32410432132414332110LRRRR0UURRRRRRRRURRR-RRRUR电桥平衡条件当电桥平衡时，）（）（当输出端不接负载，即1) 单臂电桥单臂电桥 单臂电桥灵敏度最低，且存单臂电桥灵敏度最低，且存在非线性误差在非线性误差。RRUURR4110，电桥输出电压当RR,RR,R14321111RRRRR工作时，2) 双臂电桥双臂电桥 双臂电桥灵敏度提高一倍，双臂电桥灵敏度提高一倍，且不存在非线性误差且不存在非线性误差。RRUU210电桥输出电压RRR,RR,R,R214321222111RRRRRRR工作时，3) 全桥全桥 全桥灵敏度最高，不存在非全桥灵敏度最高，

16、不存在非线性误差，且和双臂电桥一线性误差，且和双臂电桥一样能起到温度补偿作用样能起到温度补偿作用。URRU0电桥输出电压43214321444333222111RRRR,RR,R,R,R,RRRRRRRRRRRR工作时，2. 交流电桥324132413241ZZZZzzzzzeZj由电桥平衡条件交流电桥桥臂组合：相邻交流电桥桥臂组合：相邻两臂接入电阻，另外两臂两臂接入电阻，另外两臂接入相同性质的阻抗。接入相同性质的阻抗。交流电桥的预调节平衡交流电桥的预调节平衡5.4.2 电阻应变仪特点：灵敏度高、稳定性好、测量简便准确、可作多点远距离测量。5.5 5.5 电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器

17、的应用传感器使用时有两种情况：u作为敏感元件，直接将应变片粘贴在被测件上，测量应力或应变u作为传感元件，粘贴在弹性元件（敏感元件）上，测量力、位移、速度、加速度1. 电阻应变式力传感器2. 电阻应变式压力传感器3. 电阻应变式加速度传感器测量时，首先经过质量弹簧的惯性系统将测量时，首先经过质量弹簧的惯性系统将加速度转换为力加速度转换为力F=maF=ma，再作用在弹性元件，再作用在弹性元件上，而粘贴于弹性元件上的应变片的电阻上，而粘贴于弹性元件上的应变片的电阻值也产生相应变化，从而通过测量应变来值也产生相应变化，从而通过测量应变来测量加速度。测量加速度。5.6 5.6 压阻式传感器压阻式传感器即

18、半导体应变片式传感器。特点：特点：|频率响应高；频率响应高；|体积小、重量轻；体积小、重量轻；|精度高精度高|灵敏度高灵敏度高|工作可靠、耐振、耐冲击。工作可靠、耐振、耐冲击。5.7 5.7 本章小结本章小结1。电阻应变式传感器的工作原理。电阻应变式传感器的工作原理 重点理解重点理解“电阻应变效应电阻应变效应”。2 2。电阻应变片的温度误差产生原因及其补偿方法。电阻应变片的温度误差产生原因及其补偿方法 三种补偿方法中重点掌握三种补偿方法中重点掌握“电桥补偿法电桥补偿法”。 3 3。电阻应变式传感器的测量电桥工作原理、种类。电阻应变式传感器的测量电桥工作原理、种类 重点掌握三种电桥的结构特点及灵敏度计算重点掌握三种电桥的结构特点及灵敏度计算4 4。电阻应变式传感器的两种应用方式。电阻应变式传