电阻应变计式传感器

电阻应变计式传感器第1页/共77页电阻应变计的基本原理与结构2.1电阻应变计的主要特性2.2电阻应变计的温度效应及其补偿2.3电阻应变计的应用2.4本章目录点击进入测量电路2.5电阻应变计式传感器2.6第2页/共77页2.1电阻应变计的基本原理结构和应用

物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象()除去外力后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变.应变----弹性应变-----2.1.1、导电材料的应变电阻效应电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值发生变化，这种现象称为“应变电阻效应”。第3页/共77页（2-2）F↑如图所示，一根长l，截面积为A的金属电阻丝，F=0时，原始电阻R值为：（2-1）(电阻值相对变化量)FFlL+dl2r2(r-dr)dl↑dA↓dρ△推出取对数再微分第4页/共77页在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，轴向应变和径向应变的关系可表示为：长度相对变化量，式中-------称材料的轴向线应变，——常用单位με(1με=1×10-6mm/mm);μ为电阻丝材料的泊松比（与材料有关，μ

=-径向应变/轴向应变），负号表示应变方向相反。

（2-3）可得：——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，-----径向应变材料力学第5页/共77页（2-4）灵敏系数--------K-----标志着该类丝材电阻应变片效应显著与否。

ε为测点处应变，为无量纲的量，但习惯上仍给以单位微应变，常用符号με表示。单位应变能引起的电阻值相对变化量K受两个因素影响：1+2μ（dρ/ρ）/ε------材料几何尺寸-------材料的电阻率在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。实验证明材料不同，两个因素影响作用的大小不同！第6页/共77页以结构尺寸变化为主，对金属或合金,一般Ko=Km=1.8～4.8。

1.金属材料的应变电阻效应金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。结论1+2μ＞＞(∆ρ/ρ)/ε第7页/共77页（2-5）2.半导体材料的压阻效应-------半导体材料，当某一轴向受外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。式中：π——半导体材料的压阻系数;σ——半导体材料的所受应变力;

E——半导体材料的弹性模量;ε——半导体材料的应变。（2-6）半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。通常Ks=100Km。piezoresistiveeffct分析：实践证明πE>>(1+2μ)因此：半导体丝材的Ko=Ks≈πE结论第8页/共77页2.1.2、电阻应变计的类型与结构常用的电阻应变计有两种：金属应变计金属箔式----光刻、腐蚀制成的薄栅丝式----金属丝弯曲半导体应变计金属薄膜式-----溅射和沉积，蒸镀薄膜薄膜型体型扩散型外延型……第9页/共77页结构(组成)：1—基底固定敏感栅2—敏感栅应变-电阻转换3—引线连接栅与测量电路4—盖层保护层金属丝式（单轴应变计）有回线式和短接式二种。回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，但横向效应较大。

5—粘结剂粘贴传递应变第10页/共77页金属箔式3向应变测量用优点是：栅的尺寸准确、一致性好、适于大批量生产，易于小型化、易散热、疲劳寿命高等。（应变花）应变花---也称多轴应变计，平面应变场中，需准确检测表面某点主应力大小、方向第11页/共77页半导体应变计灵敏度高，体积小，省电，滞后小，可测静态应变、低频应变。

但重复性、温度及时间稳定性差。多用于测量小的应变(微应变到数百微应变)引线基底敏感栅电极特点第12页/共77页2.1.3、电阻应变计的应用1、应变计的选用（1）选择类型——使用目的、要求、对象、环境等（2）材料考虑——使用温度、时间、最大应变量及精度（3）阻值选择——根据测量电路和仪器选定标称电阻（4）尺寸考虑——试件表面、应力分布、粘贴面积（5）其他考虑——特殊用途、恶劣环境、高精度第13页/共77页2、应变计的使用（1）粘结剂的选择通常在室温工作的应变片多采用常温、指压固化条件的粘结剂如聚脂树脂、环氧树脂类。（2）应变计的粘贴

①准备——试件和应变片；②涂胶；③贴片；④复查；⑤接线；⑥防护。第14页/共77页2.2电阻应变计的主要特性应变计多为一次性使用，应变计的特性是按规定的条件，从大批量生产中按比例抽样实测而得2.2.1静态特性1、灵敏系数K应变计的轴向应变---一般K＜K0（整长）第15页/共77页εxεxεyεyδδεxεxεyεyθr2、横向效应及横向效应系数H由于传感器是多线的，线与线之间连接部分不在测量方向上，引起横向效应一般计算公式：纵向（感受轴向）横向（感受径向）双向应变比双向应变灵敏系数比第16页/共77页标定情况下：可见，横向效应使传感器的灵敏度系数下降

可见，要减小误差，必须使H减小a=εy/εx=-µ0非标定情况下：相对误差为：对横向效应分析结果的应用结果之一是箔式应变计另外，应变计的长度要长、横栅r要小。消除误差方法第17页/共77页3、机械滞后-----回差原因：基底材料、粘结剂的材料、残余变形通常要求：第18页/共77页真实应变指示应变4、蠕变与零漂零漂和蠕变反映传感器的长期稳定性5、应变极限应变计的线性范围，是衡量应变计测量范围和过载能力的指标，一般＞8000蠕变零漂恒温恒载时，输出～t空载时，输出～t第19页/共77页2.2.2动态特性---应变计的动态特性就是指其感受随时间变化的应变时的响应特性机械应变以声波的形式和速度在材料中传播的。通过基底、胶层引起应变计的响应有时间的迟后（响应迟后）产生误差第20页/共77页1、※对正弦信号的响应

图表示一频率为f，幅值为ε0的正弦波，以速度v沿着应变计纵向x方向传播时，在某一瞬时t的分布图。应变计中点xt的瞬时应变为第21页/共77页而栅长L范围〔xt±（L/2）〕内的平均应变为:相对误差为上式表明，当频率增加时，误差增大,因此应使或第22页/共77页b---应变波通过栅长的理论响应特性C---实际响应特性2.对阶跃应变波的响应a-----试件产生的阶跃机械应变波；第23页/共77页

2.3电阻应变计的温度效应及其补偿（2-7）

2.3.1、温度效应及其热输出设工作温度变化为Δt℃，则引起粘贴在试件上的应变计电阻的相对变化为:热阻效应引起敏感栅与试件热膨胀失配引起相对的热输出为:（2-8）

1、温度效应第24页/共77页（2-9）

2.3.2、热输出补偿方法1、温度自补偿法精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿。(1)单丝自补偿应变计在研制和选用应变计时，若选择敏感栅的合金材料，其αt

、βt能与试件材料的βs相匹配，达到温度自补偿的目的工艺解决抵消只要即满足方法第25页/共77页（2-10）

图2.2（a）回线式（b）短接式若Ra栅产生正的热输出εa与Rb栅产生负的热输出εb相等或相近，就可达到自补偿的目的，即:RaRbRaRb(2)双丝自补偿应变计敏感栅由电阻温度系数一正一负的两种合金丝串接而成。当工作温度变化时，第26页/共77页图2.3双丝半桥式热补偿应变计2、桥路补偿法（1）双丝半桥式RaRbRaRb电路解决-----敏感栅的2个电阻是同符号的，分别接入2个桥臂调整Rb,使热补偿达最佳状态第27页/共77页图2.4补偿块半桥热补偿应变计

使用两个相同的应变计。R1贴在试件上，接入电桥工作臂，R2贴在与试件同材料、同环境温度，但不参与机械应变的补偿块上，接入电桥相邻臂作补偿臂，补偿臂产生与工作臂相同的热输出，通过电桥，起到补偿作用。

（2）补偿块法试件补偿块第28页/共77页图2.5差动电桥法巧妙地安装应变片可以起补偿作用并提高灵敏度将两个应变片分别贴于测悬梁上下对称位置，R1、RB特性相同，所以两电阻变化值相同而符号相反。因而电桥输出电压比单片时增加1倍。当梁上下温度一致时，RB与R1可起温度补偿作用。（3）差动电桥法第29页/共77页应变计的代号选用应变计应的方法选择类型选择材料选择阻值测量仪器的要求2.4电阻应变计的应用第30页/共77页2.5测量电路1、电阻应变仪工作原理2.5.1概述第31页/共77页2、应变电桥直流电桥与交流电桥纯电阻可接入LC第32页/共77页2.5.2直流电桥及其输出特性纯电阻1、电压输出电桥平衡的条件：输出电压：2-26第33页/共77页代入ΔR：如果为全等臂电桥R1=R2=R3=R4，n=1则：分子分母同除以R1R3,并略去高除微量得：假设四臂都变令R2/R1=n△Ri＜＜Ri,忽略近似线性2-272-282-29第34页/共77页对单臂，R1为应变片，可简写为：因此，单臂电桥的电压灵敏度为：2-302-312-322-33第35页/共77页2、非线性特性从上述各式可看出，只有ΔR很小时，桥路的输出才为线性第36页/共77页采用金属应变计，减小ΔR，在一定精度条件下可免去补偿措施半导体应变计虽然灵敏度高，但非线性误差大非线性补偿差动电桥补偿采用恒流源解决办法第37页/共77页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复阻抗特性，即相当于两只应变片各并联了一个电容。2.5.3交流电桥引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。第38页/共77页交流电桥输出：

1、电桥平衡条件：Uo=0，即：

Z1Z3=Z2Z4

z1z3=z2z4

Φ1+φ3=φ2+φ4

第39页/共77页变形为：

交流电桥的平衡条件（实部、虚部分别相等）：第40页/共77页2、交流电桥调平衡电阻调平衡串联法并联法第41页/共77页交流电桥平衡条件：电容调平衡差动法阻容法第42页/共77页2.6电阻应变计式传感器2.6.1.原理和特点1、作为敏感元件，直接粘贴于被测构件上，测定构件的应变和应力；2、作为转换元件，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。用以对任何能转变成弹性元件应变的其它物理量作间接测量。定力、压力、扭矩、载荷、位移、速度、加速度、流量等传感器。电阻应变片弹性元件波纹管被测压力压力传感器第43页/共77页2.6.2.应变计式传感器1.测力传感器应变计式传感器的最大用武之地还是称重和测力领域。这种测力传感器的结构由应变计、弹性元件和一些附件所组成。视弹性元件结构型式(如柱形、筒形、环形、梁式、轮幅式等)和受载性质(如拉、压、弯曲和剪切等)的不同，它们有许多种类。第44页/共77页有两个功能：

1、承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡。

2、它要产生一个高品质的应变区，使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变电信号转换。

弹性体：是一个有特殊形状的结构件(图所示)。测量原理：用应变片测量时，将其粘贴在弹性体上。当弹性体受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变第45页/共77页检测电路：电阻应变计把机械应变转换成ΔR/R后，应变电阻变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻值120Ω，灵敏系数K=2，弹性体在额定载荷作用下产生的应变为1000ε，应变电阻相对变化量为：ΔR/R=K*ε=2*1000*10ˉ6=0.002可以看出电阻变化只有0.24Ω，其电阻变化率只有0.2%。这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路，把应变计的ΔR/R变化转换成电压或电流变化。通常采用惠斯登电桥电路实现这种转换。根据电源的不同，电桥分直流电桥和交流电桥。

第46页/共77页圆柱（筒）式力传感器（a）柱式；（b）筒式；（c）圆柱面展开图；（d）桥路连线图

（1）.柱（筒）式力传感器第47页/共77页RSS02A拉压力传感器用途与特点

※采用柱式结构梁,抗偏载、长期稳定性好。

※全部外螺纹连接，方便安装。

※用于电子衡器、起吊装备及各类力值的测量与控制。技术参数：额定载荷0～10～200t第48页/共77页拉压力传感器RSS01系列传感器采用悬臂剪切结构，具有测量精度高、防尘好、安装容易、使用方便等特点。应用领域：各种电子汽车衡、单轨吊称、料斗称等.应变式拉压传感器采用全密封、全补偿的箔式应变片或半导体应变片，通过专用设备将应变片粘贴在应变梁的应力集中点上，经高温处理，使之与应变梁较好的粘合在一起，具有高稳定性及较高的输出，除传统盲孔，柱式和S型拉压传感器外，还可根据用户的特殊需要进行设计生产。

•测量范围：0～50N～500KN

•采用箔式，半导体应变计制做，第49页/共77页拉压力传感器实例压力信号输出弹性体敏感元件第50页/共77页汽车衡系统组成电子汽车衡系统标准配置由秤台、称重传感器和称重显示部分（包括称重显示仪表、接线盒和信号电缆）三大基本单元组成，根据用户的不同需要可选购其它外接设备以组成各种配置，包括：计算机、打印机、大屏幕显示器、电源浪涌.案例第51页/共77页在称重传感器的弹性上贴着应变计，应变计组成应变电桥，传感器装在承重台各个承重点下方，并将各自电缆在接线盒里并联。当汽车开到承重台上时，承重台将其所受到的力加到称重传感器上，使应变电桥输出电信号。此电信号经线性放大后给A/D转换器，A/D转换器把模拟量转换成数字量，然后送给微处理机去处理，处理后的数据送显示器显示，同时送打印机打印，车号，货物的种类，都可以通过键盘输送给微处理机并送到显示器显示。案例电子汽车衡应变电测原理称重第52页/共77页

（2）.环式力传感器第53页/共77页轮辐式传感器

应用领域：轴量秤、仓储秤、试验机。额定载荷20,30t第54页/共77页梁结构第55页/共77页

等截面梁：悬臂梁的横截面积处处相等，所以称等截面梁。当外力F作用在梁的自由端时，固定端产生的应变最大，粘贴在应变片处的应变为：式中：是梁上应变片至自由端距离，

b、h分别为梁的宽度和梁的厚度。（3）桥梁固有频率测量第56页/共77页梁力式传感器等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬臂梁。梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁长为L，粱厚为h。力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，故在对L方向上粘贴应变片位置要求不严。横截面梁双空梁S形弹性元件第57页/共77页

主要用来测量流动介质的动态或静态压力（压强）。应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。在压力p作用下，膜片产生径向应变εr和切向应变εt，表达式分别为：2应变式压力传感器第58页/共77页（1）膜片式压力传感器第59页/共77页

工作应变计R1、R3沿筒外壁周向粘贴，温度补偿应变计R2、R4贴在筒底外壁，并接成全桥。当应变筒内壁感受压力P时，筒外壁的周向应变为：

单一式压力传感器指应变计直接粘贴在受压弹性膜片或筒上。膜片式应变压力传感器的结构、应力分布及布片，与固态压阻式传感器雷同(参阅2.6节)。结构示意材料取E和μ的厚底应变筒4片应变计布片筒式应变压力传感器1—插座；2—基体；3—补偿应变计；4—工作应变计；5—应变筒

第60页/共77页(2-39)

(2-40)

对薄壁筒对厚壁筒第61页/共77页则由受压弹性元件(膜片、膜盒或波纹管)和应变弹性元件(如各种梁)组合而成。前者承受压力，后者粘贴应变计。两者之间通过传力件传递压力作用。这种结构的优点是受压弹性元件能对流体高温、腐蚀等影响起到隔离作用，使应变计具有良好的工作环境。组合式压力传感器第62页/共77页应变片液体重量传感器

应变式容器内液体重量传感器案例第63页/共77页感压膜感受上面液体的压力。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Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为：式中,K1，K2为传感器传输系数。电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系，因此可以测量容器内储存的溶液重量。

：结论第64页/共77页3.位移传感器应变式位移传感器是把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变，然后通过应变计和应变电桥，输出正比于被测位移的电量。它可用来近测或远测静态与动态的位移量。因此，既要求弹性元件刚度小，对被测对象的影响反力小，又要求系统的固有频率高，动态频响特性好。第65页/共77页图为国产YW系列应变式位移传感器结构。这种传感器由于采用了悬臂梁-螺旋弹簧串联的组合结构，因此它适用于较大位移(量程＞10～100mm)的测量。其工作原理如图(b)所示。1—测量头；2—弹性元件；3—弹簧；4—外壳；5—测量杆；6—调整螺母；7—应变计

由于测量杆位移d为悬臂梁端部位移量d1和螺旋弹簧伸长量d2之和。由材料力学可知，位移量与贴片处应变ε之间的关系为：d和ε成线性关系，其比例系数K与弹性元件尺寸、材料特性参数有关；ε通过4片应变计和应变仪测得。表明第66页/共77页

4.其他应变式传感器

利用应变计除可构成上述主要应用传感器外，还可构成其他应变式传感器，如通过质量块与弹性元件的作用，可将被测加速度转换成弹性应变，从而构成应变式加速度传感器。如通过弹性元件和扭矩应变计，可构成应变式扭矩传感器，等等。应变式传感器结构与设计的关键是弹性体型式的选择与计算，应变计的合理布片与接桥。

第67页/共77页应变式加速度传感器用于物体加速度的测量。依据：a=F/m。电阻应变式加速度传感器结构图

电阻应变式加速度传感器结构图

第68页/共77页应变式加速度传感器应变片等强度梁质量块

应变片的典型应用见下图。图中所示为加速度传感器，由悬臂梁、质量块、基座组成。测量时，基座固定在振动体上，振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统的“弹簧”，在惯性力作用下产生弯曲变形。因此，梁的应变在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比。

第69页/共77页现场应用第70页/共77页第71页/共77页CYT-302扭矩传感器在应变桥专有的