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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
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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。
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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。
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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。
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第二章 电阻应变式传感器 应变片
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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
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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。
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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
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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。
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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)。
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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。
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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
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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。
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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。
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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
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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
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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
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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。
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2.应变片的种类与结构 半导体应变片
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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。
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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.
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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？
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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。
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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
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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。
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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。
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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。
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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
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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
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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:
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3.测量转换电路 电桥 电桥平衡条件：
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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。
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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：
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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;
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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。
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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。
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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。
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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
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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
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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。
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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。
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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
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4.电阻应变式传感器的应用
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4.电阻应变式传感器的应用 F F 固定点 固定点 电缆
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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
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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
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4.电阻应变式传感器的应用 应变式荷重传感器 F F
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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。
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4.电阻应变式传感器的应用 应变式荷重传感器：汽车衡
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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
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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
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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。
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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？
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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
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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
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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
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4.电阻应变式传感器的应用 应变式荷重传感器：吊钩秤
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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。
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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。
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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
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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
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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
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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
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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
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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。
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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
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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
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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。
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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；
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4.电阻应变式传感器的应用 电阻应变仪 接线端子
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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
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确定应变测试点 连接电阻应变仪进行测试
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桥梁维护需要应变测试 桥梁上设置各个应变测试点
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本次讲课结束
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