电阻应变传感器

§3电阻应变传感器电阻应变式传感器由电阻应变片和测量电路组成。电阻应变片的电阻随着机械变形（伸长或缩短）的大小而变化，再通过测量电路，把电阻应变片的电阻的变化转换成反映机械变形大小的电信号。用于测量力和与力有关的一些非电参数（如压力、荷重、扭力、加速度等）。

3.1应变片的工作原理；3.2应变片的种类；

3.3应变平的技术参数；3.4应变片的粘贴；

3.5测量转换电路；3.6集成与应用

3.1应变片的工作原理

长度为l，截面为A，电阻率为ρ的导体或半导体的电阻为

设导体在拉力的作用下，l、A、ρ分别变化dl、dA、

dρ，R的变化dR，可对上式两边取对数再微分求得，即

右边第一项反映导体长度变化引起的电阻变化，第二项反映导体截面变化引起的电阻变化，第三项反映导体电阻率变化引起的电阻变化。3.2应变片的种类

1、金属电阻应变片⑴结构

基本结构见右图。图中，l

称为应变片的标距或称为工作基长；b称为应变片的工作宽度。导体的电阻随着它所受机械变形（伸长或缩短）的大小而发生变化的现象，称为导体的应变效应。这是电阻应变片工作的基础。3.2应变片的种类

1、金属电阻应变片⑵种类和性能

丝式：常采用直径0.025mm的高电阻率金属丝制成。精度高，测量范围大，性能稳定。

箔式：采用光刻、腐蚀等工艺成，箔栅厚度0.003~0.01mm。散热好，蠕变小，额定电流大，可制成各种所需的形状，便于批量生产。薄膜式：采用蒸镀、沉淀等方法在绝缘基片上形成金属薄膜而制成。灵敏度高，额定电流大，工作范围广，便于工业化生产。3.2应变片的种类

1、金属电阻应变片⑶基本关系式

直径为D的材料，由A=πD2/4可得

由材料力学可知式中：为纵向应变；

为横向应变；μ为材料的泊松系数

由上述关系可得令ε=dl/l，则右边第一项反映导体长度变化引起的电阻变化，第二项反映导体截面变化引起的电阻变化，第三项反映导体电阻率变化引起的电阻变化。金属应变片应变后电阻率变化很小，故式中：k称为应变片的灵敏度系数。大多数金属的μ值在0.3~0.5之间，故k值在1.6~2.0之间。3.2应变片的种类2、半导体电阻应变片根据压电效应原理工作。结构见右图。应变后阻值的变化主要由电阻率的变化所引起，故式中：πr为半导体的压阻系数；E为半导体的弹性模量；k=πrE称为应变片的灵敏度系数,很高，可达100多。⑴结构3.2应变片的种类3.2应变片的种类2、半导体电阻应变片⑵性能最大的优点是灵敏度高。缺点是非线性严重，热稳定性差。但目前采用集成电路工艺制成的半导体应变片，内设非线性补偿和温度补偿电路，具有广泛的应用前景。3.3应变片的主要技术参数

标称阻值R0：未受应力时的阻值。60Ω、120Ω、200Ω、350Ω、500Ω、1000Ω几种。绝缘电阻RC：敏感栅与基片之间的电阻值，一般应大于10MΩ。灵敏系数(k):在其轴线方向上的应力作用下，应变片电阻值相对变化dR/R与应变Ɛ比。应变极限Ɛm:dR/R最大允许值，一般规定为10%。允许电流(IN):应变片允许通过的最大电流。由此可求得UN=INR0，PN=IN2R0。机械滞后：温度一定时，在增加或减少机械应变过程中约定应变之间的差值。蠕变：粘贴好的应变片，在温度一定时，阻值随时间变化的变化量。零漂：温度一定，且无机械应变时，阻值随时间在R0左右变化的变化量。3.4应变片的粘贴具体要求如下：1.试件的表面处理2.确定贴片位置在应变片上标出敏感栅的纵、横向中心线上。3.粘贴应变片4.固化处理5.引出线的固定与保护6.粘贴质量检查检查步骤如下：(1)对应变片粘贴的位置是否正确等外观检查。(2)对粘贴前后的应变片电阻值进行检查。(3)对应变片与被测物体之间的绝缘电阻进行检查，一般应大于200MΩ。3.5测量转换电路图4-11桥式测量电路由于电阻应变片工作时其电阻变化很微小，例如，一片k=2、初始电阻120Ω的应变片，受1000微应变时，其电阻变化仅0.24Ω。测量转换电路的任务是把微弱的电阻变化转换成电压或电流的变化，因此常用直流电桥和交流电桥作为测量电路。电阻式传感器大都采用右图所示的直流电桥；对于电感和电容传感器，则需采用交流电桥。3.5测量转换电路1.电桥测量电路分析当电桥的负载电阻为无穷大时，桥路的输出电压为：电桥的平衡条件为。设R1=R2=R3=R4=R，并设各臂电阻均有增量△R

i，且△R

i<<R，则有忽略高价无穷小得3.5测量转换电路1.电桥测量电路分析

单臂桥：R1为应变片，其余为固定电阻，则输出电压和电压灵敏度分别为

双臂桥：R1、R3

为应变片，其余为固定电阻，且Ɛ1=Ɛ3，则输出电压和电压灵敏度分别为

全桥：

R1、R2

、R3、R4均为应变片，且Ɛ1=Ɛ3=-Ɛ2=-Ɛ4，则输出电压和电压灵敏度分别为3.5测量转换电路2.组桥原则为了获得较高的输出电压（即获得较大的电压灵敏度），组桥原则见下图。3.5测量转换电路3.调零直流电桥调零3.5测量转换电路3.调零交流流电桥调零3.5测量转换电路4.温度补偿温度变化对应变片本身引起的误差，可采用相同型号的应变片通过电桥进行补偿。注意，组桥时，补偿应变片应与工作应变片相邻。温度变化引起测试件（确切地说，应称为弹性部件）弹性模量E变化，从而引起应变片阻值发生变化所引起的误差，可采用改变拱桥电压的方法进行补偿，如右图所示。设R1为应变片（设为单臂桥），补偿过程如下：3.6集成与应用1.集成应变片传感器利用半导体压阻效应，以单晶硅膜片作敏感元件，在膜片上采用集成工艺制作成电阻网络，组成惠斯通电桥，与双极运算放大器集成在一块芯片上。当膜片受力后，4个电阻阻值发生变化，集成块输出高精度、带温度补偿，且与压力成正比的模拟信号。集体应变片式传感器MPXH6300系列的外形图，内部结构和应用电路如下图所示。3.6集成与应用

2.应用

（1）测力传感器右图为柱式结构，可测大的拉力或压力，量程上限可达107N。在小荷（103~105N）时，可用空心筒式结构。当力与轴向一致时，应变片感受的纵向应变为：沿圆周方向粘贴的应变片感受模向应变为：式中：F为被测力（N）；A为受力面积（m2）；E为材料的弹性模量（N/m2）。3.6集成与应用

2.应用

（1）测力传感器右图为单端悬臂梁式测力传感器。，其灵敏度高，测量范围小，约1~103N。粘贴于梁上方和下方相同位置上感受的应变绝对值相等符号相反，可用下式计算：式中，l为受力点到应变片中心的距离（m）；b为宽度；h为宽度。3.6集成与应用

2.应用

（2）压力传感器右图为筒式压力传惑器它被测压力p作用于筒内腔，使筒发生形变，工作应变片1贴在空心的筒壁外感受应变.补偿应变片2贴在不发生形变的实心端作为温度补偿用。一般可用来测量机床液压系统压力和枪、炮筒腔内压力等。例题1、采用四片相同的金属丝应变片（K=1.6），将其贴在实心圆柱形测力弹性元件上。如图所示，力F=1000kg。圆柱断面半径r=1cm,杨氏模量E=2×107N/cm2，泊松比μ=0.3。求：（1）画出应变片在圆柱上粘帖位置及相应测量桥路原理图；（2）各应变片的应变=?电阻相对变化量ΔR/R=？（3）若供电桥压U=6V，求桥路输出电压UO=？（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。例题（1）R1、R3沿轴向在力F作用下产生正应变ε1>0ε3>0；R2、R4沿圆周方向贴则产生负应变ε2<0,ε4<0。（2）解例题（3）例题（4）可以补偿环境温度变化的影响因素。因为四个相同电阻应变在同样环境条件下，感受温度变化产生电阻相对变化量相同，在全桥电路中不影响输出电压值，即例题

2、一台用等强度梁作为弹性元件的电子秤，在梁的上、下