应变式位移传感器

应变式位移传感器电子发烧友电子技术论坛第1页，共50页，2023年，2月20日，星期六2.1.1工作原理1.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 其电阻值将发生变化F

Δl、ΔA、ΔρΔR上一页返回下一页第2页，共50页，2023年，2月20日，星期六电阻的灵敏系数对于半径为r的圆导体，A=πr2，ΔA/A=2Δr/r又由材料力学可知，在弹性范围内，

上一页返回下一页ε为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；μ为电阻丝材料的泊松比，一般金属μ=0.3~0.5；λ为压阻系数，与材质有关；σ为应力值；E为材料的弹性模量；第3页，共50页，2023年，2月20日，星期六金属电阻的灵敏系数材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率ρ随应变引起的（压阻效应）金属材料：k0以前者为主，则k0≈1+2μ=1.7~3.6半导体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定上一页返回下一页第4页，共50页，2023年，2月20日，星期六2.应变片的基本结构与种类敏感栅直径为0.025mm左右的合金电阻丝丝绕式基底绝缘覆盖层保护位移、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上一页返回下一页第5页，共50页，2023年，2月20日，星期六应变片的类型和材料

金属丝式

金属箔式

金属薄膜式

回线式短接式上一页返回下一页第6页，共50页，2023年，2月20日，星期六金属丝式应变片上一页返回下一页金属电阻丝应变片的基本结构1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线第7页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比，并且对同一电阻材料，

K0=1+2μ是常数。其灵敏度系数多在1.7～3.6之间。上一页返回下一页第8页，共50页，2023年，2月20日，星期六金属箔式应变片在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm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箔式应变片上一页返回下一页第9页，共50页，2023年，2月20日，星期六优点：（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求，

（2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅（3）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。（4）横向效应可以忽略。（5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。缺点：电阻值的分散性大阻值调整上一页返回下一页第10页，共50页，2023年，2月20日，星期六金属薄膜应变片采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系上一页返回下一页第11页，共50页，2023年，2月20日，星期六2.1.2金属应变片的主要特性

（一）灵敏系数（二）横向效应（三）温度误差及其补偿上一页返回下一页第12页，共50页，2023年，2月20日，星期六应变片的电阻值R应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值电阻系列：60、120、200、350、500、1000Ω

可以加大应变片承受电压，电阻值大输出信号大，敏感栅尺寸也增大

上一页下一页返回第13页，共50页，2023年，2月20日，星期六（一）灵敏系数“标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试件材料为泊松系数μ=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5％的产品来测定，取平均值及允许公差值。电阻应变片的灵敏系数k<电阻丝的灵敏系数k0

粘结层传递变形失真还存在有横向效应原因：上一页返回下一页第14页，共50页，2023年，2月20日，星期六

（二）横向效应敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段：沿轴向拉应变εx，电阻圆弧段：沿轴向压应度εy

电阻K(箔式应变片)上一页下一页返回lεyεxεy第15页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛横向效应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及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。第16页，共50页，2023年，2月20日，星期六（三）温度误差及其补偿

上一页返回下一页1、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化△t时，敏感栅材料电阻温度系数为，则引起的电阻相对变化为2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化△t时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化温度误差第17页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛相应的虚假应变输出可得由于温度变化而引起的总电阻变化为第18页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛温度补偿单丝自补偿法自补偿法组合式自补偿法线路补偿法〔电桥补偿法、热敏电阻〕温度补偿上一页返回下一页第19页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛

①电桥补偿法U0R1R4R3URbFFR1RbR1+⊿RRb-⊿RU0R1＋⊿RR4R3URb－⊿R上一页返回下一页第20页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛电桥补偿法优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好，缺点：在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。第21页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛②应变片的自补偿法粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。a.选择式自补偿应变片b.双金属敏感栅自补偿应变片第22页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛a.选择式自补偿应变片优点：容易加工，成本低，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。上一页返回下一页由式(2.1.16)可知，实现温度补偿的条件为当被测试件的线膨胀系数βg已知时，通过选择敏感栅材料，使下式成立

(2.1.21)

即可达到温度自补偿的目的。第23页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛R1R2组合自补偿法b.双金属敏感栅自补偿应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达±0.45μm/℃的高精度上一页返回下一页第24页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛③热敏电阻补偿

TKRtUiR1＋⊿RR4R3U0R2RtR5分流电阻UURtU=Ui-URtK上一页返回下一页第25页，共50页，2023年，2月20日，星期六2.1.3

电阻应变片的测量电路

上一页返回下一页1直流电桥2非线性误差及其补偿第26页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛1.直流电桥直流电桥的工作原理IL=0时电桥平衡平衡条件

:R1R4=R2R3

R1/R2=R3/R4

R1+⊿R1R2R4R3UILRL上一页返回下一页第27页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛2．不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度

当电桥后面接放大器时,电桥输出端看成开路.电桥的输出式为：应变片工作时，其电阻变化ΔR

上一页返回下一页第28页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R

。此时式(2.1.24)可写为当ΔRi<<R(i=1,2,3,4)时，略去上式中的高阶微量，则上一页返回下一页第29页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛上式表明：①

ΔRi<<R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。②若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。③若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。④电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。⑤增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。上一页返回下一页第30页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛略去分母中的ΔR1/R1项,假设ΔR1/R1<<1单臂电桥，即R1桥臂变化ΔR，理想的线性关系实际输出电压上一页返回下一页电桥的相对非线性误差为2.非线性误差及其补偿第31页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛减小非线性误差采用的措施为：（1）采用半桥差动电桥R1R2FU0R1＋⊿R1R4R3UR2－⊿R2上一页返回下一页第32页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR

严格的线性关系电桥灵敏度比单臂时提高一倍温度补偿作用上一页返回下一页第33页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛输出电压为：U0R1＋⊿R1UR2－⊿R2R4＋⊿R4R3－⊿R3上一页返回下一页全桥差动电路第34页，共50页，2023年，2月20日，星期六2.1.4电阻应变式传感器的应用1

应变式力传感器2

应变式压力传感器3.应变式液体重量（或液位）传感器4

应变式加速度传感器上一页返回下一页第35页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛上一页返回下一页柱式力传感器1

应变式力传感器（a）实心圆柱；（b）空心圆筒；第36页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF第37页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛(2)梁式力传感器上一页返回下一页等截面梁结构简单，易加工，灵敏度高适合于测5000N以下的载荷b0R1R2l0lFbh①等截面悬臂梁第38页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛b0R1R2XlFbh②等强度悬臂梁第39页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛③双端固定梁第40页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛⑶薄壁圆环式力传感器

上一页返回下一页在外力作用下，各点的应力差别较大第41页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛BK-2S称重传感器产品详细介绍

采用国际流行的双梁式或剪切S梁结构，拉、压输出对称性好、

测量精度高、结构紧凑，安装方便，广泛用于机电结合秤、料斗秤、包装秤等各种测力、称重系统中

供桥电压12VDC输入阻抗380±20Ω

输出阻抗350±10Ω绝缘电阻≥2000MΩ

工作温度-10~+50℃

上一页返回下一页第42页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛BK－4轮辐式传感器系列

采用轮辐式结构，高度低，抗偏抗侧能力强，测量精度高，性能稳定可靠安装方便，是大、中量程精度传感器中的最佳形式，广泛用于各种电子衡器和各种力值测量，如汽车衡、轨道衡、吊勾秤、料斗秤技术参数

量程（t）1，2，5，10，20，30，50供桥电压12VDC

灵敏度1．5~2mV/V输入阻抗730±20Ω

非线性（%FS）0.03,0.05,0.1输出阻抗700±10Ω

重复性（%FS）0.03,0.05,0.1绝缘电阻≥2000MΩ

滞后（%FS）0.03,0.05,0.1工作温度-10~+50℃

允许过负荷120%FS热零点偏移（%FS/10℃）上一页返回下一页第43页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛2.应变式压力传感器

上一页返回下一页εtεrR4R3R1R2

UU0膜片PεrεtR1R2R3R4εrεt膜片式压力传感器第44页，共50页，2023年，2月20日，星期六电子发烧友电子技术论坛筒式压力传感器测较大压力

机床液压系统的压力（106～107Pa），枪炮的膛内压力（108Pa），动态特性和灵敏度主要由材料的E值和尺寸决定上一页返回下一页第45页，共50页，2023年