2019/6/1 上海开放大学 传感器与测试基础 第二章 电阻应变式传感器 主讲

第二章 电阻应变式传感器 本章学习电阻应变式传感器的原理及应用。

第二章 电阻应变式传感器 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，这种现象称为应变效应。 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。

通过欧姆定律： 电压=电阻×电流 即可用最较成熟的电压与电流值来得到电阻的变化量。因此，电阻应变式传感器是应用最广泛的传感器之一。 第二章 电阻应变式传感器 当一个电阻器件受力产生应变，器件在长度、截面积和（密度改变）电阻率的会发生变化，自然改变了电阻器件的电阻值 应变 这样形成了一类电阻应变式传感器 通过欧姆定律： 电压=电阻×电流 即可用最较成熟的电压与电流值来得到电阻的变化量。因此，电阻应变式传感器是应用最广泛的传感器之一。

第二章 电阻应变式传感器 应变片

电阻应变式传感器 1.应变片的工作原理 2.应变片的种类与结构 3.测量转换电路 4.电阻应变式传感器的应用

1.应变片的工作原理 金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。 取一根细电阻丝，两端接上一台3 1/2位数字式欧姆表（分辨率为1/2000），记下其初始阻值。当用力将该电阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加。

1.应变片的工作原理 电阻应变片工作原理是基于应变效应的，在导体产生机械变形即拉力F作用时，电阻丝将伸长，横截面积相应减小，电阻率将因晶格发生变形等因素而改变

1.应变片的工作原理 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，电阻值R可表示为 （2-1） 沿金属丝长度方向均匀拉力（或压力），r、l发生变化，导致电阻值R发生变化。

1.应变片的工作原理 当电阻丝受到外力作用发生形变,影响电阻变化的三个参数（电阻率、长度、截面积） 由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为： 负号表示应变方向相反 横向收缩和纵向伸长关系 μ:泊松系数, μ=0.3→0.5; 和 分别为纵向应变（长度相对变化量）和横向应变（横向相对变化量） ε是量纲为1的数。ε通常很小,常用10-6表示，称为微应变(1με)。

1.应变片的工作原理 截面积变化量转换为直径变化 电阻率的变化 λ-为压阻系数，与材质有关；σ为试件的应力；E为试件材料的弹性模量。 当电阻丝受到外力作用发生形变,影响电阻变化的三个参数（电阻率、长度、截面积） 由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为： 负号表示应变方向相反 截面积变化量转换为直径变化 电阻率的变化 λ-为压阻系数，与材质有关；σ为试件的应力；E为试件材料的弹性模量。

1.应变片的工作原理 电阻丝应变片的电阻相对变化量 △R/R与材料力学中的轴向应变 的关系在很大范围内是线性的，即 K0—电阻应变片的灵敏度

1.应变片的工作原理 对于不同的金属材料，K略微不同，一般为2左右。 对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率 会产生很大的变化（压阻效应），所以灵敏度比金属材料大几十倍。 半导体应变片的突出优点是灵敏度高，比金属丝式应变片高50~80倍，尺寸小，横向效应小，动态响应好。但它有温度系数大，应变时非线性比较严重等缺点。

1.应变片的工作原理 由材料力学可知， =F/(AE)，所以△R/R又可表示为： 如果应变片的灵敏度K和试件的横截面积A以及弹性模量Ｅ均为已知，则只要设法测出△R/R的数值，即可获知试件受力Ｆ的大小，例如可用于电子秤的称重。

电阻应变式传感器 1.应变片的工作原理 2.应变片的种类与结构 3.测量转换电路 4.电阻应变式传感器的应用

2.应变片的种类与结构 金属应变片 金属丝式 箔式 薄膜式 半导体应变片

2.应变片的种类与结构 金属应变片：金属丝式 —价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验

2.应变片的种类与结构 金属应变片：箔式 金属箔通过光刻、腐蚀 等工艺制成。 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，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。

2.应变片的种类与结构 半导体应变片

2.应变片的种类与结构 线性度比较 金属电阻丝: 非线性误差小,在较大测量范围内应变片灵敏系数基本不变。 半导体材料: 非线性误差严重, 测量范围小。

2.应变片的种类与结构 动态特性比较 金属电阻丝: 响应速度在低频时较好,但随频率提高,响应速度有可能跟不上而导致失真. 金属电阻丝: 响应速度在低频时较好,但随频率提高,响应速度有可能跟不上而导致失真. 半导体材料: 因体积小,保证响应速度良好,频率范围较宽.

2.应变片的种类与结构 应变片主要性能指标举例 上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？

2.应变片的种类与结构 应变片的粘贴 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。

2.应变片的种类与结构 应变片的粘贴 2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，涂一层均匀的粘贴胶 ，用镊子将应变片放上去，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

2.应变片的种类与结构 应变片的粘贴 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。

2.应变片的种类与结构 应变片的粘贴 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。

2.应变片的种类与结构 应变片的粘贴 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。

电阻应变式传感器 1.应变片的工作原理 2.应变片的种类与结构 3.测量转换电路 4.电阻应变式传感器的应用

3.测量转换电路 由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来，并把电阻相对变化转换为电压或电流的变化。 直接测量 直流电桥测量 交流电桥测量

3.测量转换电路 直接测量 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。 输出电压: (1)应变片受力形变前: (2)应变片受力形变后:

3.测量转换电路 电桥 电桥平衡条件：

3.测量转换电路 电桥平衡的条件 调节RP，使R1’/R2’=R4/R3（R1’、R2’是R1、R2并联RP后的等效电阻），电桥趋于平衡，Uo被预调到零位，这一过程称为调零。 图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。

3.测量转换电路 电桥 若R1-R4受到应变作用 阻值=Ri+ △Ri 负载电阻无穷大，输出电压可近似为：

3.测量转换电路 单臂电桥 R1-R4只有一个为工作的应变片(如R1),其余为固定电阻，构成了单臂电桥.R1=R2=R3=R4;

3.测量转换电路 双臂电桥 R1，R2为应变片，R3，R4为固定电阻。应变片R1 R2 感受到的应变ε1ε2以及产生的电阻增量正负号相间，可以使输出电压Uo成倍地增大。

3.测量转换电路 四臂全桥 全桥的四个桥臂都为应变片。试件受力后，应变片R1 - R4产生的电阻增量正负号相间，使输出电压Uo成倍地增大。

3.测量转换电路 全桥的温度补偿原理 环境温度升高时，桥臂上应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，全桥的温漂较小；半桥也能克服温漂。

3.测量转换电路 全桥四臂工作方式的灵敏度最高 双臂半桥次之 单臂半桥灵敏度最低

电阻应变式传感器 1.应变片的工作原理 2.应变片的种类与结构 3.测量转换电路 4.电阻应变式传感器的应用

4.电阻应变式传感器的应用 应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。 应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路。

4.电阻应变式传感器的应用 第一类应用是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。 第二类应用是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。

4.电阻应变式传感器的应用 应变式力传感器：悬臂梁 F F F F

4.电阻应变式传感器的应用

4.电阻应变式传感器的应用 F F 固定点 固定点 电缆

4.电阻应变式传感器的应用 应变片在悬臂梁上的粘贴及变形 悬臂梁应变式电子秤

4.电阻应变式传感器的应用 应变式荷重传感器 F R 4 R 2 R 1

4.电阻应变式传感器的应用 应变式荷重传感器 F F

4.电阻应变式传感器的应用 应变式荷重传感器 —荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。

4.电阻应变式传感器的应用 应变式荷重传感器：汽车衡

4.电阻应变式传感器的应用 应变式荷重传感器：汽车衡 ——参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 1-Jun-19

4.电阻应变式传感器的应用 应变式荷重传感器：汽车衡 1-Jun-19

4.电阻应变式传感器的应用 应变式荷重传感器：计算公式 —当KF 为常数时，桥路所加的激励源电压Ui 越高，满量程输出电压Uom也越高。

4.电阻应变式传感器的应用 应变式荷重传感器：计算公式 在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了4个荷重传感器，量程Fm =20t，灵敏度KF =2.5mV/V，使用4个独立的桥路电源，每一个电源电压均相等， Ui =12V，四个荷重传感器的输出串联，总的输出电压Uo =24mV， 请估算汽车的质量。 汽车在钢板上有少许的前、后、左、右偏位，是否会影响测量结果？为什么？

4.电阻应变式传感器的应用 应变式荷重传感器：用于构件的称重 荷重传感器 （共 3个，120度分布，以达到均衡目的，另两个未拍出）） 垫块 底座 电缆

4.电阻应变式传感器的应用 应变式荷重传感器：电子秤 远距离显示 磅秤 超市打印秤

4.电阻应变式传感器的应用 应变式荷重传感器：电子天平 ——电子天平的精度可达十万分之一 1-Jun-19

4.电阻应变式传感器的应用 应变式荷重传感器：吊钩秤

4.电阻应变式传感器的应用 应变式数显扭矩扳手 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2~500N.m，耗电量≤10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。

4.电阻应变式传感器的应用 压阻式固态压力传感器 利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。

4.电阻应变式传感器的应用 压阻式固态压力传感器 隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片 隔离开来。 1-Jun-19

4.电阻应变式传感器的应用 压阻式固态压力传感器内部结构 信号处理电路

4.电阻应变式传感器的应用 小型压阻式固态压力传感器 低压进气口 高压进气口 1-Jun-19

4.电阻应变式传感器的应用 小型压阻式固态压力传感器 呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器 p1进气管 固态压力传感器 p2进气管

4.电阻应变式传感器的应用 小型压阻式固态压力传感器 p1进气管 表压压力传感器

4.电阻应变式传感器的应用 投入式液位计 投入式液位传感器安装方便，适应于深度为 几米 至 几十米，且混有 大 量 污物、杂质的水或其他液体的液位测量。

4.电阻应变式传感器的应用 投入式液位计 压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。 1-Jun-19

4.电阻应变式传感器的应用 投入式液位计 光柱 显示器 橡胶 背压管 压阻式固态压力传感器

4.电阻应变式传感器的应用 投入式液位计 h=h0+h1=h0+p1 /(ρg) 安装高度h0处水的表压 p1=ρgh1 h=h0+h1=h0+p1 /(ρg) 例：液位计安装高度为1m，测得压力为98kPa，求水的深度。

4.电阻应变式传感器的应用 电阻应变仪 下图所示的静态应变仪测量范围：±19999με； 分辨率：1με；电桥电压：直流2.5V； 应变片：120Ω或其他阻值；测量点数：8/16点；

4.电阻应变式传感器的应用 电阻应变仪 接线端子

4.电阻应变式传感器的应用 材料应变的测量 斜拉桥上的斜拉绳应变测试 1-Jun-19

确定应变测试点 连接电阻应变仪进行测试

桥梁维护需要应变测试 桥梁上设置各个应变测试点

本次讲课结束