应变式传感器

1、（电阻）应变式传感器基本上是利用金属（或半导体）的电阻应（电阻）应变式传感器基本上是利用金属（或半导体）的电阻应变效应将被测量转换为电量（电压或电流）输出的一种传感器。变效应将被测量转换为电量（电压或电流）输出的一种传感器。传感元件有金属应变片、半导体膜片、电位器等。由它们分别制传感元件有金属应变片、半导体膜片、电位器等。由它们分别制成了金属应变式传感器、压阻式传感器、电位器式传感器等。成了金属应变式传感器、压阻式传感器、电位器式传感器等。常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，误差小于测量应变的

2、灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，误差小于1%价格便宜，品种多，工艺较成熟价格便宜，品种多，工艺较成熟适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快。测量时对被测件的应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可用于动态测量工作状态和应力分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可用于动态测量 精度高，测量范围大精度高，测量范围大应变式传感器优点应变式传感器优点频率响应特性好

3、频率响应特性好应变式传感器缺点应变式传感器缺点在大的应变状态中具有明显的非线性，半导在大的应变状态中具有明显的非线性，半导体应变式传感器的非线性更为突出体应变式传感器的非线性更为突出输出信号微弱，抗干扰能力差，需采取屏蔽措施输出信号微弱，抗干扰能力差，需采取屏蔽措施只能测出一点或应变栅范围内的平均应变，只能测出一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化不能显示应力场中应力梯度的变化2.1.1 工作原理2.1.2 金属应变片的主要特性2.1.3 测量电路2.1.4 应变式传感器应用返 回1.1.金属的电阻应变效应金属的电阻应变效应电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时

4、其电阻值将发生变化AlRF l、A 、 RddddRlARlA上一页返 回下一页AAllRR对于半径为对于半径为r的圆导体，的圆导体，A=r2，A/A=2r/r，由材料力学，在弹性范围内由材料力学，在弹性范围内 /,=/,rl lr r 泊松比(12 )(1 2 )SRCKR 为导体的轴向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.30.5()(-2)( 2)(1 2 )rdVdAdlCCCCCVAl 金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或压缩之间存在比例关系金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或压缩之间存在比例关系 Ks-灵敏度系数，单位应变引起的电阻相对变化。一般

5、在灵敏度系数，单位应变引起的电阻相对变化。一般在1.83.6R R/k12S 21/kS金属材料：kS以前者为主，则k01+2=1.83.6半 导 体：kS值主要是由电阻率相对变化所决定RkRS材料的几何尺寸变化引起的材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率材料的电阻率随应变引起的随应变引起的金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或压缩之间存在比例关系金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或压缩之间存在比例关系位移、力、力矩、加速度、压力弹性敏感元件 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 应变片由敏感栅、基底、盖片、引由敏感栅、基底、盖片、引线和粘结剂组成线和粘

6、结剂组成金属丝式金属丝式金属箔式金属箔式 金属电阻丝应变片的基本结构 1-基底；2-敏感栅；3-盖片；4-引线 (1)基底基底为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质 的基底上。一般厚度为的基底上。一般厚度为0.020.04mm(2)敏感栅敏感栅 应变片中实现应变应变片中实现应变-电阻转换的敏感元件。其电阻值一般规格电阻转换的敏感元件。其电阻值一般规格60，120，200(3)盖层盖层用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防

7、损等作用(4)引线引线它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。直径为直径为0.015-0.05mm左右的合金电阻左右的合金电阻丝丝绝缘绝缘栅长栅长b 栅宽栅宽l在绝缘基底上，将厚度为在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制电阻箔材，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 箔式单向应变片箔式单向应变片板式压力应变片板式压力应变片箔式扭矩应变片箔式扭矩应变片（1 1）尺寸准确，线条均匀，适应不同测量要求，）尺寸准确，线条均匀，适应不同测量要求， 可

8、制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 （2 2）与被测试件接触面积大，粘结性能好，散热条件好，）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，灵敏度提高允许电流大，灵敏度提高（3 3）金属箔很薄，应力状态与试件表面的应力状态更为接近。）金属箔很薄，应力状态与试件表面的应力状态更为接近。（4 4）箔栅的端部宽，横向效应可忽略。蠕变、机械滞后小，）箔栅的端部宽，横向效应可忽略。蠕变、机械滞后小， 疲劳寿命长。疲劳寿命长。 缺点：缺点：生产工序复杂，不耐高温，价格高生产工序复杂，不耐高温，价格高 （一）灵敏度系数（一）灵敏度系数（二）横向效应（二）横向效应

9、（三）机械滞后（三）机械滞后（四）（四）零点漂移和蠕变零点漂移和蠕变（五）应变极限（五）应变极限R /RK K为为应变片应变片的灵敏系数的灵敏系数当具有初始电阻值的应变片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递当具有初始电阻值的应变片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化。实验证明，在一定的应变范围：给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化。实验证明，在一定的应变范围：应变片的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。因此，值通常采用从批量生产中每批应变片的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。因此，值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件下通过实测

10、确定，故又称标定灵敏系数。上述规定条件是：抽样，在规定条件下通过实测确定，故又称标定灵敏系数。上述规定条件是：试件材料取泊松比试件材料取泊松比=0.285的钢；的钢；试件单向受力；试件单向受力；应变片轴向与主应力方向一致。应变片轴向与主应力方向一致。应变片的灵敏系数并不等于其金属单丝的灵敏系数，一般情况下，应变片的灵敏系数并不等于其金属单丝的灵敏系数，一般情况下，KKs。K除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。弧部分横向效应的影响。例题：例题：如果将如果将100的电阻

11、应变片贴在弹性试件上，若试件受力横截面积的电阻应变片贴在弹性试件上，若试件受力横截面积S=0.5*10-4m2，弹性摸量，弹性摸量E=2*1011N/m2，若有，若有F=5*104N的拉力引的拉力引起应变电阻变化为起应变电阻变化为1。试求该应变片的灵敏度系数？。试求该应变片的灵敏度系数？F = =ES应变， 为试件所受应力，提示：根据材料力学理论提示：根据材料力学理论F= =ES，RR1100解：解：应变片电阻的相对变化量应变片电阻的相对变化量4-411F5 10=0.005SE0.5 102 10 应变片的零度系数应变片的零度系数R RK2应变片轴向受力及横向效应应变片轴向受力及横向效应(a

12、)应变片及轴向受力图应变片及轴向受力图 (b)横向效应横向效应直线段：沿纵向（轴向）拉应变直线段：沿纵向（轴向）拉应变x圆弧段：沿横向（径向）压应度圆弧段：沿横向（径向）压应度y应变片既受纵向应变影响，又受横向应变影响应变片既受纵向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象，称为横向效应而引起电阻变化的现象，称为横向效应纵向灵敏系数纵向灵敏系数横向灵敏系数横向灵敏系数横向效应系数横向效应系数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

13、及尺寸有关。敏感纵栅愈窄，越长，而横栅灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感纵栅愈窄，越长，而横栅越宽、越短，则横向效应的影响愈小。越宽、越短，则横向效应的影响愈小。yxk(n-1) rH= =k2nl+(n-1) r它是指粘贴在试件上的应变片，在恒温条件下，增它是指粘贴在试件上的应变片，在恒温条件下，增(加载加载)、减、减(卸载卸载)试件应变的过程试件应变的过程中，对应同一机械应变所指示应变量中，对应同一机械应变所指示应变量(输出输出)之差值。实用中，由于敏感栅基底和粘结之差值。实用中，由于敏感栅基底和粘结剂材料性能，或使用中的过载、过热，都会使应变片产生残余变形，导致应

14、变片输剂材料性能，或使用中的过载、过热，都会使应变片产生残余变形，导致应变片输出的不重合。这种不重合性用机械滞后出的不重合。这种不重合性用机械滞后(zj)来衡量。来衡量。应变片的机械滞后应变片的机械滞后通常在室温条件下，要求机械滞后通常在室温条件下，要求机械滞后zj310。实测中，可在测试前通过多次。实测中，可在测试前通过多次重复预加、卸载，来减小机械滞后产生重复预加、卸载，来减小机械滞后产生的误差。的误差。加载加载卸载卸载当试件初始空载时，应变片指示应变仍会随时间变化的现象称为零漂。当试件初始空载时，应变片指示应变仍会随时间变化的现象称为零漂。零漂引起零票的原因：通以工作电流后的温度效应，应

15、变片内的内应力变化，黏结引起零票的原因：通以工作电流后的温度效应，应变片内的内应力变化，黏结剂固化不充分等剂固化不充分等蠕变蠕变粘贴在试件上的应变片，在恒温、恒载条件下，指示应变量随时间单向变化粘贴在试件上的应变片，在恒温、恒载条件下，指示应变量随时间单向变化的特性称为蠕变。的特性称为蠕变。蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性。引起蠕变的主要原因是蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性。引起蠕变的主要原因是胶层之间产生的胶层之间产生的“滑移滑移”所致。所致。应变片的线性应变片的线性(灵敏系数为常数灵敏系数为常数)特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持。特性，只有在一定的应变限度

16、范围内才能保持。当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变片的输出特性将出现非线性。当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变片的输出特性将出现非线性。在恒温条件下，使非线性误差达到在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限。时的真实应变值，称为应变极限。应变极限是衡量应变计片测量范应变极限是衡量应变计片测量范围和过载能力的指标。围和过载能力的指标。lim 影响应变极限的大小主要因素是影响应变极限的大小主要因素是黏结剂和基底材料传递变形的性黏结剂和基底材料传递变形的性能及应变片安装的质量。能及应变片安装的质量。上一页返 回下一页1 1 直流电桥直流电桥2 2 非线性误差及其补

17、偿非线性误差及其补偿 1. R1=R2=R3=R4=R 等臂桥 2. R1=R2=R R3=R4=R 输出对称桥3. R1=R3=R R2=R4=R 电源对称桥电阻配置电阻配置工作应变片工作应变片1. R1 应变片，R2补偿应变片 单臂桥 2. R1和R2均为工作应变片 半桥3. R1 R2 R3 R4均为工作应变片 全桥 惠斯通电桥惠斯通电桥灵敏度高、测量范围宽、电路简单、灵敏度高、测量范围宽、电路简单、精度高、易于实现温度补偿精度高、易于实现温度补偿 R1R2R4R3EABCD直流电桥示意图直流电桥示意图0URUU2 R2=K0URU4R1=K40RURU=UK三种电桥测量电路三种电桥测量

18、电路l 直流电桥的工作原理直流电桥的工作原理 1423123412343412RR R RIER (RR )(RR ) RR (RR ) R R (RR )gg-Ig=0时电桥平衡R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4平衡条件 : R1R2R4R3EABCDRgIg1423123412343412R RR RE1(RR )(RR )R R (RR )R R (RR )Rgg-U 应变片工作时，其电阻变化应变片工作时，其电阻变化R )()()(44332211332244110RRRRRRRRRRRRRRRRUU3101234()RRUERRRRRg无穷大无穷大B，D两端开路两端开路应变片工

19、作时，其电阻变化应变片工作时，其电阻变化R 11442233011223344(RR )(RR )(RR )(RR )UU(RRRR )(RRRR )3101234()RRUURRRRU0R1R1UR2+R2R4R4R3+R3采用等臂电桥，即采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R1234142301234R( RRRR )RRRRUU(2RRR )(2RRR )当当Ri R ( i=1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，则时，略去上式中的高阶微量，则 31240RRRRUU4RRRR01234UKU4 Ri1.5非线性%F.S0.03滞后%F.S0.03重复性%F.S0.03零点

20、输出%F.S0.50.8mV/V 基本误差0.2; 0.3; 0.5%F.S 线性误差L0.2; 0.3; 0.5%F.S 回程误差H 0.2; 0.3; 0.5%F.S 重复性R0.2; 0.3; 0.5%F.S 工作温度-10+60温度补偿范围室温+60零点温度影响0.3%F.S/10 输出温度影响0.3%F.S/10 激励电压512VDC绝缘电阻1000M/100VDC输入电阻35020 输出电阻35020 零点输出05%F.S 安全过负荷率120%F.S 技术参数：产品产品特点： 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、

21、液体介质的压力测量上一页返 回下一页机床液压系统的压力（机床液压系统的压力（106107Pa），），枪炮的膛内压力（枪炮的膛内压力（108Pa），），动态特性和灵敏度主要由材料的动态特性和灵敏度主要由材料的E值和尺寸决定值和尺寸决定 PP应变片不直接粘贴在压力感受元件上应变片不直接粘贴在压力感受元件上压力作用于敏感元件（膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等压力作用于敏感元件（膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等 ），传感器内部），传感器内部的梁产生变形，应变片贴在梁的根部感受到弹性敏感元件传递的应变而的梁产生变形，应变片贴在梁的根部感受到弹性敏感元件传递的应变而使其电阻值发生变化。使其电阻值发生变化。通常用于

22、测量小压力。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。其缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程。SBC-T 波纹管称重传感器 应用领域：料斗秤、应用领域：料斗秤、皮带秤、配料系统。皮带秤、配料系统。技术参数：技术参数：额定载荷25,50,100,200kg绝缘电阻5000M工作温度范围-40 +80灵敏度2.0/3.00.002mv/v安全过载150%F.S综合误差0.02%F.S极限过载300%F.S蠕变0.02%F.S推荐激励电压1012V(DC)零点平衡1%F.S最大激励电压15V零点温度影响0.02%F.S/10密封等级IP68输出温度影响0.02%F.S/10材质合金

23、钢/不锈钢输入电阻40010电缆线长：612m；直径6mm输出电阻3505输入+：红；输入-：黑；输出+：绿；输出-：白插入式液体重量（液位）传感器插入式液体重量（液位）传感器hgAAUUU)(21210液位传感器液位传感器 式中式中 A1 、A2传感器的传输系数；传感器的传输系数； g 重力加速度重力加速度(m/s2)； 被测溶液的密度被测溶液的密度(Kg/m3)。溶液重量溶液重量 DQAAU)(210式中式中 Q容器内感压膜上面溶液容器内感压膜上面溶液的重量的重量(N) ；D柱形容器的截面积柱形容器的截面积(m2)。 在低频（在低频（1060Hz）振动测量中得到广泛的应用）振动测量中得到广

24、泛的应用,但不适用于频率较高的振动和冲击。但不适用于频率较高的振动和冲击。 应变式加速度传感器结构示意图应变式加速度传感器结构示意图1等强度梁等强度梁 2质量块质量块 3壳体壳体 4电阻应变片电阻应变片例题：例题： 一台用等强度梁作为弹性元件的电子秤，在梁的上、下表面各贴两片相同一台用等强度梁作为弹性元件的电子秤，在梁的上、下表面各贴两片相同的电阻应变片（的电阻应变片（K=2），如图），如图2-1（a）所示。已知）所示。已知l=100 mm、b=11mm、t=3mm，E=2*104N/mm2。现将四个应变片接入图（。现将四个应变片接入图（b）直流桥路中，电桥）直流桥路中，电桥电源电压电源电压U

25、=6V。当。当F=0.5kg时，求电桥的输出电压时，求电桥的输出电压U0=？b0hlR1，R3FR2，R4h206lF=b h EU0R1R1UR2R2R3R3R4R4解：由图（解：由图（a）所示，四片相同电阻应变片贴于等强度梁）所示，四片相同电阻应变片贴于等强度梁上、下各两片。当重力上、下各两片。当重力F作用梁端部后，梁上下表面作用梁端部后，梁上下表面R1和和R3产生正应变电阻变化，而下表面产生正应变电阻变化，而下表面R2和和R4，则产生负应，则产生负应变电阻变化，其应变绝对值相等，即变电阻变化，其应变绝对值相等，即132426Fb Elt 3124113214RRRRRKRRRRR 电阻相

26、对变化量为电阻相对变化量为02R6FUURlKbt E现将四个应变电阻按图（现将四个应变电阻按图（b）所示接入桥路组成等臂全桥电路，）所示接入桥路组成等臂全桥电路，其输出电路电压为其输出电路电压为例题：例题： 采用四片相同的金属丝应变片（采用四片相同的金属丝应变片（K=2），将其贴在实心圆柱形测力），将其贴在实心圆柱形测力弹性元件上。如图弹性元件上。如图2-2（a）所示，力）所示，力F=1000 kg。圆柱断面半径。圆柱断面半径r=1cm，杨式模量，杨式模量E=2*107N/cm2，泊松比，泊松比 =0.3。求：。求：（1）画出应变片在圆柱上粘贴位置及相应测量电路原理图。）画出应变片在圆柱上粘

27、贴位置及相应测量电路原理图。（2）各应变片的应变）各应变片的应变 =？电阻相对变化量？电阻相对变化量 R/R=？（3）若供电电桥）若供电电桥U=6V，求桥路输出电压，求桥路输出电压U0=？（4）此种测量方式能否补偿环境温度对测量的影响？说明原因。）此种测量方式能否补偿环境温度对测量的影响？说明原因。FR1R3R2R4FU0R1R1UR2R2R3R3R4R4(1)按题意采用四个相同应变片测力弹性元件，贴的位置如图（按题意采用四个相同应变片测力弹性元件，贴的位置如图（a）所示。所示。R1、R3沿轴向在沿轴向在F作用下产生正应变作用下产生正应变 10， 30； R2、R4沿圆沿圆周方向贴，则产生负应

28、变周方向贴，则产生负应变 20， 4(1+)，故(1+)项可以忽略llERR半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的，而电阻率的变化是由应变引起的 半导体单晶的应变灵敏系数可表示ERRKl/半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小2.2.1 半导体的压阻效应2.2.2 体型半导体应变片体型半导体应变片2.2.3 扩散型压阻式压力传感器2.2.4 压阻式加速度传感器2.2.5 测量桥路及温度补偿l结构形式及特点结构形式及特点 l测量电路测量电路 主要优点主要优点 灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍 横向效应和机械滞后极小 温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多

29、 l恒压源恒压源l恒流源恒流源)/(0tRRRUURIU0电桥输出电压与R / R成正比，输出电压受环境温度的影响。电桥输出电压与R成正比，环境温度的变化对其没有影响。2.2.1 半导体的压阻效应2.2.2 体型半导体应变片2.2.3 扩散型压阻式压力传感器扩散型压阻式压力传感器2.2.4 压阻式加速度传感器2.2.5 测量桥路及温度补偿压阻式压力传感器结构简图1低压腔 2高压腔 3硅杯 4引线 5硅膜片采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜 工作原理：工作原理： 膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。 四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡， 输出 相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。 四个电阻