第四讲电阻应变式传感器

第四讲电阻应变式传感器第1页，课件共74页，创作于2023年2月1.1工作原理电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时 其电阻值将发生变化1.金属的电阻应变效应第2页，课件共74页，创作于2023年2月上一页返回下一页2.工作原理设有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率为

的金属单丝，它的电阻值R可表示为：当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中

、A、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。第3页，课件共74页，创作于2023年2月对于半径为r的圆导体，A=πr2，ΔA/A=2Δr/r又由材料力学可知，在弹性范围内，

上一页返回下一页ε为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；μ为电阻丝材料的泊松比，一般金属μ=0.3~0.5；λ为压阻系数，与材质有关；σ为应力值；E为材料的弹性模量；第4页，课件共74页，创作于2023年2月材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率ρ随应变引起的（压阻效应）金属材料：k0以前者为主，则k0≈1+2μ=1.7~3.6半导体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定上一页返回下一页电阻的灵敏系数：第5页，课件共74页，创作于2023年2月金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略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，K0=1+2μ是常数。其灵敏度系数多在1.7～3.6之间。上一页返回下一页第6页，课件共74页，创作于2023年2月弹性敏感元件

应变外力作用被测对象表面产生微小机械变形应变片敏感栅随同变形电阻值发生相应变化应变片位移、力、力矩、加速度、压力第7页，课件共74页，创作于2023年2月2.应变片的基本结构与种类

上一页返回下一页第8页，课件共74页，创作于2023年2月应变片的类型和材料

金属丝式：

金属箔式：

金属薄膜式上一页返回下一页金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。目前广泛用于各种应变式传感器中。第9页，课件共74页，创作于2023年2月金属丝式应变片上一页返回下一页金属电阻丝应变片的基本结构1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线第10页，课件共74页，创作于2023年2月金属箔式应变片

在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm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箔式应变片上一页返回下一页第11页，课件共74页，创作于2023年2月优点：（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求，

（2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅（3）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，灵敏度提高。（4）横向效应可以忽略。（5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。缺点：电阻值的分散性大阻值调整上一页返回下一页第12页，课件共74页，创作于2023年2月金属薄膜应变片

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0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系上一页返回下一页第13页，课件共74页，创作于2023年2月1.2应变片的粘贴技术1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。第14页，课件共74页，创作于2023年2月

2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。第15页，课件共74页，创作于2023年2月

3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。第16页，课件共74页，创作于2023年2月4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。

第17页，课件共74页，创作于2023年2月

5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。

第18页，课件共74页，创作于2023年2月1.3电阻应变片的测量电路

上一页返回下一页1直流电桥2非线性误差及其补偿第19页，课件共74页，创作于2023年2月

金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。例如，有一金属箔式应变片，标称阻值R0为100

，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模E=2

1011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R的变化量仅为0.2

，所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如何将

R/R转换为输出电压Uo的。

第20页，课件共74页，创作于2023年2月1.直流电桥

直流电桥的工作原理IL=0时电桥平衡平衡条件

:R1R4=R2R3

R1/R2=R3/R4

R1+⊿R1R2R4R3UILRL上一页返回下一页第21页，课件共74页，创作于2023年2月2．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,电桥输出端看成开路.电桥的输出式为：应变片工作时，其电阻变化ΔR

上一页返回下一页第22页，课件共74页，创作于2023年2月采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R。此时式(2.1.24)可写为当ΔRi<<R(i=1,2,3,4)时，略去上式中的高阶微量，则上一页返回下一页第23页，课件共74页，创作于2023年2月上式表明：①

ΔRi<<R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。②若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。③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。④电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。⑤增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。上一页返回下一页第24页，课件共74页，创作于2023年2月略去分母中的ΔR1/R1项,假设ΔR1/R1<<1单臂电桥，即R1桥臂变化ΔR，理想的线性关系实际输出电压上一页返回下一页电桥的相对非线性误差为2.非线性误差及其补偿第25页，课件共74页，创作于2023年2月减小非线性误差采用的措施为：

（1）采用半桥差动电桥R1R2FU0R1＋⊿R1R4R3UR2－⊿R2上一页返回下一页第26页，课件共74页，创作于2023年2月R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR

严格的线性关系电桥灵敏度比单臂时提高一倍温度补偿作用上一页返回下一页第27页，课件共74页，创作于2023年2月输出电压为：U0R1＋⊿R1UR2－⊿R2R4＋⊿R4R3－⊿R3上一页返回下一页全桥差动电路第28页，课件共74页，创作于2023年2月1.4金属应变片的主要特性（一）灵敏系数（二）横向效应（三）温度误差及其补偿上一页返回下一页第29页，课件共74页，创作于2023年2月应变片的电阻值R应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值.电阻系列：60、120、200、350、500、1000Ω

可以加大应变片承受电压，电阻值大输出信号大，敏感栅尺寸也增大上一页下一页返回第30页，课件共74页，创作于2023年2月（一）灵敏系数“标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试件材料为泊松系数μ=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5％的产品来测定，取平均值及允许公差值。电阻应变片的灵敏系数k<电阻丝的灵敏系数k0

粘结层传递变形失真还存在有横向效应原因：上一页返回下一页第31页，课件共74页，创作于2023年2月

（二）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εx，电阻圆弧段：沿轴向压应度εy电阻K(箔式应变片)上一页下一页返回lεyεxεy第32页，课件共74页，创作于2023年2月应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。第33页，课件共74页，创作于2023年2月（三）温度误差及其补偿

上一页返回下一页1、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化△t时，敏感栅材料电阻温度系数为α，则引起的电阻相对变化为2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化△t时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化温度误差第34页，课件共74页，创作于2023年2月相应的虚假应变输出可得由于温度变化而引起的总电阻变化为第35页，课件共74页，创作于2023年2月温度补偿单丝自补偿法自补偿法组合式自补偿法线路补偿法〔电桥补偿法、热敏电阻〕温度补偿上一页返回下一页第36页，课件共74页，创作于2023年2月

①电桥补偿法

U0R1R4R3URbFFR1RbR1+⊿RRb-⊿RU0R1＋⊿RR4R3URb－⊿R上一页返回下一页第37页，课件共74页，创作于2023年2月电桥补偿法优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好，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的情况，因而影响补偿效果。第38页，课件共74页，创作于2023年2月②应变片的自补偿法

粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。a.选择式自补偿应变片b.双金属敏感栅自补偿应变片第39页，课件共74页，创作于2023年2月a.选择式自补偿应变片

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。上一页返回下一页由式(2.1.16)可知，实现温度补偿的条件为当被测试件的线膨胀系数βg已知时，通过选择敏感栅材料，使下式成立(2.1.21)即可达到温度自补偿的目的。第40页，课件共74页，创作于2023年2月R1R2组合自补偿法b.双金属敏感栅自补偿应变片

敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达±0.45μm/℃的高精度上一页返回下一页第41页，课件共74页，创作于2023年2月③热敏电阻补偿

TKRtUiR1＋⊿RR4R3U0R2RtR5分流电阻UURtU=Ui-URtK上一页返回下一页第42页，课件共74页，创作于2023年2月1.5电阻应变式传感器的应用1

应变式力传感器2

应变式压力传感器3.应变式液体重量（或液位）传感器4

应变式加速度传感器上一页返回下一页第43页，课件共74页，创作于2023年2月上一页返回下一页1

应变式力传感器（a）实心圆柱；（b）空心圆筒；(1)柱式力传感器第44页，课件共74页，创作于2023年2月R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF第45页，课件共74页，创作于2023年2月第46页，课件共74页，创作于2023年2月(2)梁式力传感器上一页返回下一页第47页，课件共74页，创作于2023年2月(2)梁式力传感器等截面梁结构简单，易加工，灵敏度高适合于测5000N以下的载荷b0R1R2l0lFbh①等截面悬臂梁第48页，课件共74页，创作于2023年2月b0R1R2XlFbh②等强度悬臂梁第49页，课件共74页，创作于2023年2月③双端固定梁第50页，课件共74页，创作于2023年2月⑶薄壁圆环式力传感器

上一页返回下一页在外力作用下，各点的应力差别较大第51页，课件共74页，创作于2023年2月BK-2S称重传感器产品详细介绍

采用国际流行的双梁式或剪切S梁结构，拉、压输出对称性好、

测量精度高、结构紧凑，安装方便，广泛用于机电结合秤、料斗秤、包装秤等各种测力、称重系统中

供桥电压12VDC输入阻抗380±20Ω

输出阻抗350±10Ω绝缘电阻≥2000MΩ

工作温度-10~+50℃

上一页返回下一页第52页，课件共74页，创作于2023年2月BK－4轮辐式传感器系列

采用轮辐式结构，高度低，抗偏抗侧能力强，测量精度高，性能稳定可靠安装方便，是大、中量程精度传感器中的最佳形式，广泛用于各种电子衡器和各种力值测量，如汽车衡、轨道衡、吊勾秤、料斗秤技术参数

量程（t）1，2，5，10，20，30，50供桥电压12VDC

灵敏度1．5~2mV/V输入阻抗730±20Ω

非线性（%FS）0.03,0.05,0.1输出阻抗700±10Ω

重复性（%FS）0.03,0.05,0.1绝缘电阻≥2000MΩ

滞后（%FS）0.03,0.05,0.1工作温度-10~+50℃

允许过负荷120%FS热零点偏移（%FS/10℃）上一页返回下一页第53页，课件共74页，创作于2023年2月2.应变式压力传感器

上一页返回下一页εtεrR4R3R1R2

UU0膜片PεrεtR1R2R3R4εrεt膜片式压力传感器第54页，课件共74页，创作于2023年2月筒式压力传感器

（测较大压力）

机床液压系统的压力（106～107Pa），枪炮的膛内压力（108Pa），动态特性和灵敏度主要由材料的E值和尺寸决定上一页返回下一页第55页，课件共74页，创作于2023年2月组合式压力传感器

应变片不直接粘贴在压力感受元件上压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等通常用于测量小压力。其缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程。上一页返回下一页第56页，课件共74页，创作于2023年2月AK-1型应变式脉动压力传感器产品特点：

采用外壳和膜片为一体的圆膜片结构

尺寸小，安装方便

频响高，精度高，性能稳定可靠

适用于各种动，静态、气、液体介质的压力测量

上一页返回下一页第57页，课件共74页，创作于2023年2月3.容器内液体重量（液位）传感器上一页返回下一页第58页，课件共74页，创作于2023年2月4.

应变式加速度传感器上一页返回上一页返回在低频（10~60Hz）