传感器与检测技术课件 项目二测量物体力量学 任务2.1 电阻应变式传感器测量力量学

《测量物体力量学》项目二测量物体力量学项目思维导图测量物体力量学【知识目标】

1．能掌握应变式传感器的分类与组成结构；2.能知道电阻应变片的结构和贴片方法；3．能知道应变片的电路转换方法；4.能掌握压电材料的类型；5.能掌握压电元件常用结构形式；6.能知道压电传感器测量电路。【技能目标】1．会复述应变式力传感器的工作原理；2．会选择电阻应变式传感器类型应用场合；3．会复述掌握压电传感器的工作原理；项目教学目标测量物体力量学4．会选择压电式传感器应用场合；5.会结合生活生产实际举例说明传感器的应用。【素养目标】1．通过应变传感器的学习，要应变新知识，传承传统文化，“博学之，审问之，慎思之，明辨之，笃行之”，脚踏实地学习技能学问；2．通过石英晶体压电效应特性的分析，培养学生透过现象看本质，揭穿假象的面具，真正认识事物本质、揭示事物变化规律，要变压力为动力。项目教学目标2.1电阻应变式传感器测量力量学任务描述

在生活、生产中，我们常常需要对物体的重量进行检测。用于测量物体重量（质量）的电子装置称为电子秤。与机械秤相比，它不仅可以测量物体重量，还可以将采集的数据传送到数据处理中心，作为在线测量或自动控制的依据。电子秤的种类很多，如家用的小量程电子秤、健康秤，适合便利店、超市、大卖场等场所使用条码秤、计价秤、计重秤、收银秤，广泛应用于仓库、车间、货场、集贸市场、工地等场所使用的电子平台秤，适用于吊装物料称量的吊钩秤，应用于港口、仓储、工厂、货场的电子汽车秤等。2.1电阻应变式传感器测量力量学任务描述

应变式电阻传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到0.01%-0.1%。本节课任务是研究什么是电阻应变式传感器，其如何测量力？2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：电阻应变式传感器测量力学量一、电阻应变式传感器

电阻应变式传感器是一种利用金属电阻应变片将应变转换成电阻变化的传感器。电阻式传感器基本工作原理是：金属丝、箔、薄膜在外界应力作用下电阻值变化的效应——电阻应变效应。

电阻式传感器应用广泛、种类繁多，如电位器式、应变式、电阻式和热敏电阻等；电位式电阻传感器是一种把机械线位移或角位移输入量通过传感器电阻值的变化转换为电阻或电压输出的传感器；应变式电阻传感器是通过弹性元件的传递将被测量引起的形变转换为传感器敏感元件的电阻值变化。其外形如图所示。2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器一、电阻应变式传感器1.应变式传感器特征

可测变量：力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等；特点：结构简单、使用方便、性能稳定、可靠、灵敏度高和测量速度快等；应用领域：航空、机械、电力、化工、建筑、医学等；工作原理：导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为电阻应变效应。

组成：电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器一、电阻应变式传感器2．应变片的结构与类型

电阻应变片（简称应变片或应变计）分为金属式和半导体式两大类。根据敏感元件的形态不同，金属式应变计又可进一步分为丝式、箔式等，如图所示。2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器一、电阻应变式传感器

（1）丝式应变片

金属丝式应变片是将金属丝按图

所示形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成使用，有纸基型和胶基型两种。金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱落，但其价格低，强度高，广泛用于应变、应力的大批量、一次性的实验，测量要求不很高。

电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成，如图所示。电阻应变片的电阻值有60Ω、120Ω、200Ω、350Ω等几种规格，其中120Ω最为常用。1—基片；2—电阻丝；3—覆盖层；4—引线2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器一、电阻应变式传感器

敏感栅：敏感栅是实现应变与电阻转换的敏感元件，由直径为0.015～0.05

mm的金属细丝绕成栅状，将其用黏结剂黏结在各种绝缘基底上，并用引线引出，再盖上既可保持敏感栅和引线形状与相对位置的、又可保护敏感栅的盖片。敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。

基片：绝缘及传递应变。测量时应变片的基底粘在试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。由纸薄、胶质膜等制成。覆盖层：保护作用。防湿、蚀、尘。引线：连接电阻丝与测量电路，输出电参量。2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器一、电阻应变式传感器（2）箔式应变片

箔式应变片的敏感栅利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将电阻箔材制成各种形状而成，箔材厚度多为0.001～0.01

mm。箔式应变片的应用日益广泛，在常温条件下已逐步取代了线绕式应变片。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与基片的接触面积大得多，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。2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器一、电阻应变式传感器

它具有如下几个主要优点：

箔式应变片箔式应变片外观①制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制成任意形状以适应不同的测量要求。②敏感栅薄而宽，黏结情况好，传递试件应变性能好。③散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而可增大输出信号。④敏感栅弯头横向效应可以忽略。⑤蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器一、电阻应变式传感器（3）薄膜应变片

薄膜应变片采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形状的敏感栅，敏感栅的厚度在0.1μm以下。薄膜应变片具有灵敏系数高，易实现工业化生产的特点，是一种很有前途的新型应变片。

金属薄膜式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，允许电流密度大，工作温度范围较广。

2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器一、电阻应变式传感器

（4）半导体应变片

半导体应变片是将单晶硅锭切片、研磨、腐蚀压焊引线，最后粘贴在锌酚醛树脂或聚酰亚胺的衬底上制成的。是一种利用半导体单晶硅的压阻效应制成的一种敏感元件。1）体型半导体应变片：

是将单晶硅锭切片、研磨、腐蚀压焊引线，最后粘贴在锌酚醛树脂或聚酰亚胺的衬底上制成的。体型半导体应变片可分为6种。

①普通型：它适合于一般应力测量；

②温度自动补偿型：它能使温度引起的导致应变电阻变化的各种因素自动抵消，只适用于特定的试件材料；

③灵敏度补偿型：通过选择适当的衬底材料（例如不锈钢），并采用稳流电路，使温度引起的灵敏度变化极小；

2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器一、电阻应变式传感器

④高输出（高电阻）型：它的阻值很高（2~10千欧），可接成电桥以高电压供电而获得高输出电压，因而可不经放大而直接接入指示仪表。

⑤超线性型：它在比较宽的应力范围内，呈现较宽的应变线性区域，适用于大应变范围的场合；

⑥P-N组合温度补偿型：它选用配对的P型和N型两种转换元件作为电桥的相邻两臂，从而使温度特性和非线性特性有较大改善。3）扩散型半导体应变片

这种应变片是将P型杂质扩散到一个高电阻N型硅基底上，形成一层极薄的P型导电层，然后用超声波或热压焊法焊接引线而制成。它的优点是稳定性好，机械滞后和蠕变小，电阻温度系数也比一般体型半导体应变片小一个数量级。缺点是由于存在P-N结，当温度升高时，绝缘电阻大为下降。新型固态压阻式传感器中的敏感元件硅梁和硅杯等就是用扩散法制成的。2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器一、电阻应变式传感器

4）外延型半导体应变片

这种应变片是在多晶硅或蓝宝石的衬底上外延一层单晶硅而制成的。它的优点是取消了P-N结隔离，使工作温度大为提高（可达300℃以上）。5）半导体应变片特点

半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，这为它的应用提供了有利条件。另外，由于机械滞后小、横向效应小以及它本身体积小等特点，扩大了半导体应变片的使用范围。

其最大的缺点是温度稳定性差、灵敏度离散程度大（由于晶向、杂质等因素的影响）以及在较大应变作用下非线性误差大等，给使用带来一定困难。2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器一、电阻应变式传感器表列出了某电子仪器厂生产的部分应变片的主要技术参数，PZ型为纸基丝式应变片，BA、BB、BX型为箔式应变片，PBD型为半导体应变片。2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器一、电阻应变式传感器

3.应变片的工作原理

电阻应变片式传感器是利用了金属和半导体材料的“应变效应”。应变效应——金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械变形大小而发生变化的现象就称为“应变效应”。

如图所示，当电阻丝受到拉力F时，其阻值发生变化。材料电阻值的变化，一是受力后材料几何尺寸变化；二是受力后材料的电阻率也发生了变化。设有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率为ρ的金属单丝，它的电阻值R可表示为：2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器一、电阻应变式传感器

金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大，如下图所示。

当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中ρ、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；又如，某些半导体受拉时，ρ将变大，导致R变大。2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器一、电阻应变式传感器

如图所示，当金属导线两端受到均匀的力F作用时，其长度、横截面积和电阻率都将发生变化，上式中，L、r、ρ即发生变化，从而导致电阻值R发生变化。利用材料力学的知识，通过理论上的公式推导，并经过实验证明，可以得到：电阻丝电阻的相对变化△R/R与△L/L的关系在很大范围内是线性的，即

式中△L/L——电阻丝的轴向应变，△L/L=εx；K——电阻应变片的灵敏度，指单位应变所引起的电阻相对变化。K==

（2.1）2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器一、电阻应变式传感器

对于不同的金属材料，K略微不同，一般为2左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率ρ会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。在材料力学中，εx=△l/l称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变。εx通常很小，常用10-6表示之。

应变效应的结论：

（1）灵敏度系数：大量实验证明，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。

当我们将金属丝做成电阻应变片后，电阻--应变特性与金属单丝是不同的。实验证明，电阻的相对变化与应变的关系在很大范围内仍然有很好的线性关系，即=Kε

2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器一、电阻应变式传感器

电阻应变片的灵敏系数。其值恒小于金属单丝的灵敏度系数k0。究其原因，除了应变片使用时胶体粘贴传递变形失真外，另一重要原因是由于存在着所谓横向效应的缘故。（2）应变测量：应变片测量应变的基本原理——应力σ正比于电阻值的变化。

4.弹性敏感元件

在传感器工作过程中，用弹性元件把各种形式的物理量转换成形变，再由电阻应变计等转换元件将形变转换成电量。所以，弹性元件是传感器技术中应用最广泛的元件之一。2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器一、电阻应变式传感器

弹性元件结构形式分为柱形、筒形、环形、梁式、轮辐式等几种形式。变换力的弹性敏感元件如图所示。悬臂梁是一端固定另一端自由的弹性敏感元件，结构简单、加工方便，应用在较小力的测量中。悬臂梁可分为等截面梁和等强度梁。2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器一、电阻应变式传感器变换压力的弹性敏感元件有弹簧管、波纹管、波纹膜片、膜盒、薄壁圆筒、薄壁半球等，如下面图所示。变换压力的弹性敏感元件各种波纹管敏感元件的外形2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器二、测量转换电路

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。通常采用电桥电路实现微小电阻值变化的电压输出。

根据电源的不同，可将电桥分为直流电桥和交流电桥。电桥按读数方法可分为平衡电桥（零读法）和不平衡电桥（偏差法）两种。平衡电桥仅适合与测量静态参数，而不平衡电桥对静、动态参数都可测量。我们只讨论直流不平衡电桥。

直流电桥电路如图所示，它的四个桥臂由电阻R1、R2、R3、R4组成。它们可以全部或部分是应变片。2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器二、测量转换电路

34端接直流电压E，12端输出电压U0。初始状态下，电桥是平衡的，输出为零。

当其中一个桥臂（或两个、三个、四个）上受到应变作用后，则阻值将发生变化，桥路失去平衡，就会有信号U0输出。当电桥平衡时，有：R1R4=R2R3

则：U0=0

电桥平衡条件：相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积相等。

当电桥不平衡时：（2.2）2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器二、测量转换电路

2.差动半桥

应变片双臂直流电桥（半桥）：半桥电路中把两只应变片接入电桥的相邻两支桥臂。根据被测试件的受力情况，一个受拉，一个受压。两支桥臂的应变片的电阻变化大小相等，方向相反（差动工作）。

根据式（2.2），输出端电压为：U0==

Kε

（2.4）U0=·Us=Us

（2.5）

Kε

2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器二、测量转换路3.差动全桥

有4个应变片接入电桥。且差动工作，则有直流电桥输出电压与被测应变量呈线性关系，而在相同条件下（供电电源和应变片的型号不变），半桥差动输出是单臂输出的2倍，全桥差动电路输出电压达到单臂输出的4倍，即全桥工作时，输出电压最大，检测的灵敏度最高。单臂工作直流电桥

双臂直流电桥

差动全桥2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器三、应变片温度补偿

测量时希望应变片的阻值仅随应变变化而不受其他因素的影响，但是温度变化所引起的电阻变化与试件应变所造成的变化几乎处于相同的数量级，因此应清楚温度对测试的影响以及考虑如何补偿温度对测量的影响。

在应变片的实际应用中，环境温度的变化也会引起电桥电阻的变化，导致电桥的零点漂移，这种因温度变化产生的误差称为温度误差。产生的原因有：电阻应变片的电阻温度系数不一致；应变片材料与被测试件材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变。因此必须采取一定的措施减小或消除温度变化的影响，称之为温度补偿。

常用的温度补偿方法：一是从电阻应变片的敏感栅材料及制造工艺上采取措施，这是从应变传感器生产角度上来讲的；二是通过适当的贴片技巧与桥路连接方法消除温度的影响，这是从应变传感器应用角度上来讲的。这里主要介绍两种桥路补偿法。2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器三、应变片温度补偿1.单丝补偿片法

在只有一个应变片工作的桥路中，可用补偿片法，如图所示，欲测量力F作用下试件的应变时，采用两片初始电阻值、灵敏系数和敏感元件都相同的应变

片R1和R2。R1贴在试件的测量点上，R2贴在补偿块上。所谓补偿块，就是与试件材料、温度相同，但不受力的试块，由于工作片R1和补偿片R2所受温度相同，则两者所产生的热应变相等。因为是处于电桥的两臂，所以不影响电桥的输出。补偿片法的优点是简单、方便，在常温下补偿效果比较好。缺点是温度变化梯度较大时，比较难以掌握。2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器三、应变片温度补偿2.双丝组合式自补偿应变片法

由两种电阻温度系数符号不同（一个为正，一个为负）的电阻丝材料组成。将两者串联绕制成敏感栅，若两段敏感栅电阻R1和R2由于温度变化而产生的电阻变化分别为R1t和R2t，其大小相等而符号相反，就可以实现温度补偿，如图所示。2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器三、应变片温度补偿3.桥式电路补偿法

测量应变时使用两个应变片，一个是工作应变片，另一个是补偿应变片。工作应变片贴在被测试件的表面，补偿应变片贴在与被测试件材料相同的补偿块上。

R1和R2分别接入相邻的两桥臂，因温度变化引起的电阻变化△R1和△R2的作用相互抵消，这样就起到了温度补偿的作用。2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器四、应变式传感器的应用1.应变式力传感器

应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器，是常用的传感器之一。由电阻应变片和测量电路两部分组成。应变式传感器的核心元件是电阻应变片，如图所示。应变式力传感器：被测物理量为荷重或力的应变式传感器。应用：作为各种电子秤与材料试验机的测力元件，也可用于发动机的推力测试，或水坝坝体承载状况的监视。2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器四、应变式传感器的应用

【应变新知识，传承传统文化】应变式传感器告诉我们，如何迎接变化，如何把不易测量的被测量变换为直观的可测量：在现在的知识爆炸时代，从各种信息渠道，接收到大量信息。从互联网的角度来看，大部分内容只是一些浅显的、易于理解的、不需要过多思考就能够获取的信息。然而，它却不能为你提供系统、有深度的认识，更多的是一些零碎的边角料。对于平台而言，多数的平台，他们的目的就是“获取更多的用户”，所以在传播知识上，利用擦边球的方式吸引更多人的眼球。渐渐的，那种碎片化阅读方式让你形成阅读惰性，不愿在读书时主动理解，更难以产生深邃的思想。你的大脑越来越懒，也不会轻易地动脑做结论。

其实学习是一个终身的工作，是一个不断成长和跃迁的体系。学习是一个“博学之，审问之，慎思之，明辨之，笃行之”的过程。天下所有的技能学问，没有不去执行而就可以称之为“学”的。“笃行”的“笃”，是敦实笃厚的意思，是说一旦进入了行之始，就踏踏实实一步一个脚印行下去，不半途而废的意思。分辨明白了，思考慎重了，问得详尽了，学也找到门道了，然后又能持续不断下功夫，这就称之为笃行。我们要应变新知识，传承传统文化，“博学之，审问之，慎思之，明辨之，笃行之”，脚踏实地学习技能学问。2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器四、应变式传感器的应用（1）圆柱式力传感器

纵向和横向各贴四片应变片，纵向对称的R1和R3串接，R2和R4串接，并置于相对桥臂以减小偏心载荷及弯矩的影响，如图所示。(2)应变片用在悬臂梁上，如右图所示，主要用于检测和监控各种悬臂梁的工作状态。（a）圆柱面展开图

（b）桥路连接图

2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器四、应变式传感器的应用（3）应变式荷重传感器，如图所示，主要用于各种载荷的承重检测，如电子称、电子磅。（4）汽车衡称重系统结构组成：电子汽车衡主要由承载器、称重显示仪表、称重传感器、连接件、限位装置及接线盒等零部件组成，还可以选配打印机、大屏幕显示器、计算机等外部设备。2.1电阻应变式传感器测量力量学知识链接：选用传感器四、应变式传感器的应用

工作原理：被称重物或载重汽车置于承载器台面上，在重力作用下，通过承载器将重力传递至称重传感器，使称重传感器弹性体产生变形，贴附于弹性体上的应变计桥路失去平衡，输出与重量数值成正比例的电信号。

经线性放大器将信号放大，再经A/D