第2章电阻应变式传感器

1、计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器第2章 电阻应变式传感器 Resistance Strain Gage计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器电阻应变式传感器概述电阻应变式传感器概述v工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力 作用下电作用下电阻值变化的效应阻值变化的效应电阻应变效应电阻应变效应v结构简单，使用方便结构简单，使用方便v可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；弹性弹性敏感敏感元件元件力、压力、压力、位力、

2、位移移电阻电阻应变应变片片电桥电桥电路电路RUv易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测；易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测；v灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器应变片用于各种电子衡器应变片用于各种电子衡器 磅秤磅秤电子天平电子天平计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器材料应变的测量材料应变的测量斜拉桥上的斜拉斜拉桥上

3、的斜拉绳应变测试绳应变测试 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器汽车衡汽车衡称重系统称重系统计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器汽车衡汽车衡计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.1 2.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理金属的电阻应变效应金属的电阻应变效应 金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变化的现象称为金属的化的现象称为金属的电阻应变效应电阻应变效应。金属丝受

4、拉时，金属丝受拉时，l变长、变长、r变小，导致变小，导致R变大变大 。lRS计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器2lldRdldsdsssdRdldsdRlsxdll金属丝的轴向应变；金属丝的轴向应变；ydrr金属丝的径向应变金属丝的径向应变（ dS /S=2dr/r） x= - Y ； 泊松系数；(Poisson ratio)计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 式中：式中：K KS S 金属丝的灵敏系数；金属丝的灵敏系数；(gage factor)(12 )xdRdR 12SXxdRdK

5、R令：令：在金属丝的弹性范围内，灵敏系数在金属丝的弹性范围内，灵敏系数K KS S 为常数，即为常数，即 ： sxRKR线性关系线性关系x通常很小，常用通常很小，常用1010-6-6表示之。例如，当表示之。例如，当 x x为为0.0000010.000001时，在工程时，在工程中常表示为中常表示为1 1 1010-6-6或或 m/mm/m。在应变测量中，也常将之称为微应变。在应变测量中，也常将之称为微应变()()。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于要大于1 1 10-310-3，即，即10001000 m/mm/m，否则有

6、可能超过材料的极限强度而导，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。致断裂。计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.2.12.2.1应变片的基本结构应变片的基本结构2.2 电阻应变片的结构、种类和材料电阻应变片的结构、种类和材料2.2.22.2.2应变片的种类应变片的种类计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器1.金属丝式应变片金属丝式应变片 (bonded metal-wire gage) 直径在直径在0.0120.05mm的金属丝的金属丝；2.金属金属箔式应变片箔式应变片(bonded me

7、tal-foil gage)厚度在厚度在0.0010.01mm的金属箔；的金属箔；计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金铜镍合金。箔式应变片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。还可以对金属箔蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔

8、式应变片进行适当的热处理，使式应变片进行适当的热处理，使其其线胀系数、电阻温度系数以线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。3.3.金属金属薄膜式应变片薄膜式应变片( (vacuum-deposited thin-metal-film gage, , sputter- deposited thin-metal-film gage)厚度在厚度在0. 1m以下的金属箔；以下的金属箔；计算机与信息工程学院计算机与信

9、息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.2.3 2.2.3 应变片的材料应变片的材料1.1.敏感栅材料敏感栅材料 对敏感栅的材料的要求：对敏感栅的材料的要求：应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻温度系数要小；电阻温度系数要小；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强； 在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度； 加工性能良好加工性能良好, ,易于拉制成丝或轧压成箔材；易于拉制成丝或轧

10、压成箔材； 易于焊接，对引线材料的热电势小。易于焊接，对引线材料的热电势小。 常用材料有：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、铂、常用材料有：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、铂、铂钨合金等。铂钨合金等。计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。为基底长，其宽度称为基底宽。 基底材料有

11、纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等基底材料有纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚度约制成胶膜，厚度约0.030.05mm2.2.基底材料基底材料3.3.黏合剂材料黏合剂材料 用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。和敏感栅。 常用的粘结剂分为有机和无机

12、两大类。有机粘结剂用于低温、常常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器4.4.引线材料引线材料是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多

13、数电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。敏感栅材料都可制作引线。2.32.3应变片的主要参数应变片的主要参数1.1.应变片电阻值（应变片电阻值（R R0 0）电阻应变片的电阻值为电阻应变片的电阻值为6060、120120、350350，500500和和10001000 等等多种规格，以多种规格，以120120最为常用。最为常用。应变片的电阻值越大，允许的工作电压就大，传感器的输出电压应变片的电阻值越大，允许的工作电压就大，传感器的输出电压也大，相应地应变片的尺寸也要增大，在条件许可的情况下，应也大，相应地应变片的尺寸也要增大，在条件许可的情况下，应尽量

14、选用高阻值应变片。尽量选用高阻值应变片。计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.2.应变片的灵敏系数（应变片的灵敏系数（K K）金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数用灵敏度系数K KS S表示。当金属丝做成应变片后，其电阻表示。当金属丝做成应变片后，其电阻应变特性，应变特性，与与金属单丝情况不同金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻。因此，须用实验方法对应变片的电阻应变应变特性重新测定。特性重新测定。实验表明，实验表明，金属应变片的电阻相对

15、变化与应变金属应变片的电阻相对变化与应变在在很宽的范围内均为线性关系。即很宽的范围内均为线性关系。即KRRRRK计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。零点漂移。产生原因产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。化；粘结剂固化不充分等。3.3.零漂和蠕变零漂和蠕变 如果在一定

16、温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为值随时间增加而变化的特性称为蠕变蠕变。一般蠕。一般蠕变的方向与原应变的方向与原应变量的方向相反。量的方向相反。 产生原因产生原因：由于胶层之间发生由于胶层之间发生“滑动滑动”，使力传到敏感栅的应，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。变量逐渐减少。计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器4.4.疲劳寿命疲劳寿命 疲劳寿命疲劳寿命指对已粘贴好的应变片，在恒定幅值的交变力作用指对已粘贴好的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而

17、不产生疲劳损坏的循环次数。下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。 5. 5.允许电流：静态允许电流：静态2525mAmA, ,动态：动态：7575100100mAmA；2.42.4应变片的应用应变片的应用2.4.12.4.1应变片的选择应变片的选择1.1.应变片类型的选择应变片类型的选择2.2.材料的选择材料的选择3.3.阻值的选择阻值的选择4.4.尺寸的选择尺寸的选择 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 1. 1. 去污：采用手去污：采用手持砂轮工具除去构件持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交斑等

18、，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加叉打磨出细纹以增加粘贴力粘贴力 ，用浸有酒精，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。脂棉球擦洗。 2.4.22.4.2应变片的使用应变片的使用计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 2.2.贴片：在应变片的表贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘上，各涂一层均匀的粘贴胶贴胶 ，用镊子将应变片，用镊子将应变片放上去，并调好位置，放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下手指揉和滚压，排出下面的气泡面的气泡 。计算机与信

19、息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 3.3.测量测量 ： 从分开的端子处，预从分开的端子处，预先用万用表测量应变先用万用表测量应变片的电阻，发现端子片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。折断和坏的应变片。计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 4.4.焊接：焊接： 将引线和端子用烙将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不铁焊接起来，注意不要把端子扯断要把端子扯断。 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 5.5.固定：固定： 焊接后用胶布将焊接后用胶布将引线和

20、被测对象引线和被测对象固定在一起，防固定在一起，防止损坏引线和应止损坏引线和应变片变片。 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.5 2.5 转换电路转换电路 应变片将应变的变化转换成电阻相对变化应变片将应变的变化转换成电阻相对变化R R/ /R R，要把电阻的，要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。电阻变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。电阻应变片的测量线路多采用电桥电路。应变片的测量线路多采用电桥电路。2.5.1直流电桥直流电桥 R2R4R1R3Ui恒压电桥电路原理图RoACDIoB计算机与信息工程

21、学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 电源电源E E为恒压源。根据电路学为恒压源。根据电路学中的克希霍夫定律，列出电路方中的克希霍夫定律，列出电路方程：程： R2R4R1R3Ui恒压电桥电路原理图RoACDIoB1I2I3I4I210340334433001144220000iIIIIIII RI RUI RI RI RI RI RI R计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器142300123412343412iURRR RIRRRRRRRRRR RRR式中式中 R0为负载电阻，因而其输出电压为负载电阻，因而

22、其输出电压U0为为:142300012341234341201iUR RR RUI RRRRRR RRRR RRRR联立求解上述方程，求出检流计中流过的电流联立求解上述方程，求出检流计中流过的电流I Io o为为: :当当R1R4=R2R3时，时，I0=0，U0=0，即电桥处于平衡状态。，即电桥处于平衡状态。若电桥的若电桥的负载电阻负载电阻R0为无穷大，则为无穷大，则B、D两点可视为开路，上式两点可视为开路，上式可以化简为可以化简为:计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器14231234oiR RR RUURRRR设设R1为应变片的阻值，工作时

23、为应变片的阻值，工作时R1有一增量有一增量R1，当为拉伸应，当为拉伸应变时，变时，R1为正；压缩应变时，为正；压缩应变时，R1为负。在上式中以为负。在上式中以R1+R1代替代替R1，则，则1142311234oiRR RR RUURRRRR计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器由于由于R1 R1 , ,略去略去(2-13)分母中的分母中的 R1 /R1得：得：41310124113U11iRRRRURRRRRR整理得：整理得：(2-13)2413RRnRR定义定义桥臂比桥臂比：10211iRnUURn(2-14)计算机与信息工程学院计算机与信息

24、工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 (2-15) 当当dKU/dn=0时，时， KU最大，此时最大，此时n=1； 即即R1 =R2= R3 = R4电桥为等臂电桥，其输出电压为：电桥为等臂电桥，其输出电压为： (2-16)02111UiUnKURnR1011144iiRUUK UR定义定义电桥灵敏度：电桥灵敏度：计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器差动电桥差动电桥两臂差动两臂差动电桥的输出电压为：电桥的输出电压为：3110112234iRRRUURRRRRR 设初始时为设初始时为R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=

25、R=R4 4=R=R；则上式为；则上式为120122 2iURRURRR 若工作时应变片一片受拉、一片受压，即若工作时应变片一片受拉、一片受压，即RR1 1= =RR2 2=R=R，则，则022iiUURUKR可见，这时输出电压可见，这时输出电压U U0 0与与R/RR/R间成严格的线性关系，且电桥灵间成严格的线性关系，且电桥灵敏度比单臂电桥提高一倍。敏度比单臂电桥提高一倍。计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器312431244112ioRRRRURRRRURRRRRRRR若采用四臂差动电桥（若采用四臂差动电桥（全桥全桥），如图，），如图，并

26、设初始时并设初始时R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R；工作时各个；工作时各个桥臂中电阻应变片电阻的变化为：桥臂中电阻应变片电阻的变化为：R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4；则电桥输出为：；则电桥输出为：0iiRUUK UR 若若R R1 1=R R4 4= =R R2 2= =R R3 3=R R，则有，则有 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.5.32.5.3交流电桥交流电桥.1 423O1234Uiz zz zUzzzz交流电桥的平衡条件交流电桥的平衡条件交流电桥电路如图所示交流电桥电路

27、如图所示, ,输出电压为输出电压为1423z zz z 平衡条件为平衡条件为：计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器12341111222233334444jjjjzrjxZ ezrjxZ ezrjxZ ezrjxZ e设各臂阻抗为设各臂阻抗为: :式中，式中，r ri i、x xi i为相应各桥臂的电阻和电抗，为相应各桥臂的电阻和电抗，Z Zi i和和i i为复阻抗的模和为复阻抗的模和幅角。幅角。14231423Z ZZ Z上式表明，交流电桥平衡要满足两个条件，即相对两臂复阻抗上式表明，交流电桥平衡要满足两个条件，即相对两臂复阻抗的模之积相等

28、，并且其幅角之和相等。所以交流电桥的平衡比直的模之积相等，并且其幅角之和相等。所以交流电桥的平衡比直流电桥的平衡要复杂得多。流电桥的平衡要复杂得多。故交流电桥的平衡条件为故交流电桥的平衡条件为: :计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.72.7电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.7.12.7.1电阻应变式力传感器电阻应变式力传感器1 1柱式力传感器柱式力传感器柱式力传感器的弹性元件分实心柱式力传感器的弹性元件分实心和空心两种，如图。其特点是结和空心两种，如图。其特点是结构简单，可承受较大载荷，最大构简单，可承受较大载荷，最大可达可达1010

29、7 7N N，在测，在测10103 310105 5N N载荷时，载荷时，为提高变换灵敏度一般采用空心为提高变换灵敏度一般采用空心圆柱结构。圆柱结构。 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器BLRBLR1 1型拉力传感器型拉力传感器 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器4 11412 12ioitU KUK U 计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器应变式荷重传感器外形及受力位置应变式荷重传感器外形及受力位置FF计算机与信息工程学院计算机与信息

30、工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器悬臂梁式：悬臂梁式：等截面梁：等截面梁：=6Fl0/Ebh=6lF/Eb0h等强度梁：等强度梁：2 2梁式力传感器梁式力传感器计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器双孔平行梁：双孔平行梁：21122134,FLMFLMEWEWFLMFLMEWEW 26bhW 抗弯断面系数抗弯断面系数02iU KUFLEW差动电桥输出：差动电桥输出：可见载荷的位置不影响输出可见载荷的位置不影响输出载荷可以施加在任何位置，都可以载荷可以施加在任何位置，都可以简化为作用于梁端部的力简化为作用于梁端部的力F F及一个力偶及一个力偶M M计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器S S型型双孔梁双孔梁04iU KUFLEW差动电桥输出：差动电桥输出：26bhW 抗弯断面系数抗弯断面系数计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器FFFF计算机与信息工程学院计算机与信息工程学院第第2 2章章