新型传感技术及应用 课件 第五部分：典型传感器-应变式传感器

新型传感技术及应用第五部分：典型传感器（2）-应变式传感器主要内容第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的材料与工艺第四部分：敏感结构的建模第五部分：典型传感器

第六部分：传感器的典型应用2

（2）-应变式传感器3第五部分思考题（2）发表在MOOC讨论区里1.论述电桥原理及在传感器中的应用；2.简要说明右图所示传感器对你的启示；3.设计一种应变式加速度传感器，讨论提高灵敏度的措施；4.应变式传感器中讨论的问题，哪些是传感器的共性问题？5.2.1电阻应变片5.2.2应变片的温度误差及其补偿5.2.3电桥电路原理5.2.4应变式传感器的典型实例45金属电阻丝应变效应示意长L、截面半径r、电阻率ρ的圆形金属电阻丝，电阻及相对变化一维金属丝轴向应变εL

=dL/L与径向应变εr

=dr/r=-μεL，则应变效应为K0—金属丝应变灵敏系数在金属丝拉伸比例极限内，K0为常数；康铜1.9～2.1；镍铬合金2.1～2.3；铂3～55.2.1电阻应变片

6金属应变片的基本结构示意图为金属应变片基本结构：敏感栅、基底、粘合层、引出线和覆盖层；敏感栅由金属细丝制成，直径约0.01～0.05mm；实验结果：应变片电阻相对变化与受到的轴向应变，有线性特性K

—应变片灵敏系数；应变灵敏系数小于同种材料金属丝灵敏系数；应变灵敏系数通过测试得到，故又称“标称灵敏系数”；实用时依应用条件重新测试5.2.1电阻应变片

7应变片的横向效应制成金属应变片(如图)，电阻丝弯段变化情况与直段不同，产生“横向效应”；实际应变片应变效应为Kx

—对轴向应变εx的应变灵敏系数；Ky

—对横向应变εy的应变灵敏系数；为减小横向效应，采用右图箔式应变片箔式应变片5.2.1电阻应变片

81.金属丝式应变片制作简单、性能稳定、价格低、易粘贴；敏感栅直径

0.01～0.05mm；基底很薄，约0.03mm；

3.薄膜式应变片

厚度极薄，不超过0.1μm；采用真空蒸发或沉积等镀膜将电阻材料镀在基底上，灵敏度高、便于批产；也可将电阻直接制作在敏感元件上，免去粘贴工艺箔式应变片2.金属箔式应变片利用照相制版或光刻腐蚀，将电阻箔材在绝缘基底上制成一定图案应变片；敏感栅箔片很薄，厚度为1～10μm；

4.半导体应变片基于半导体“压阻效应”：电阻率随应力变化制成；

半导体应变片采用锗和硅等半导体材料制成单根状；

优点：体积小、灵敏度高、机械滞后小、动态特性好等；

缺点：灵敏系数温度稳定性差半导体应变片5.2.1电阻应变片（种类）

5.2.1电阻应变片5.2.2应变片的温度误差及其补偿5.2.3电桥电路原理5.2.4应变式传感器的典型实例910敏感栅电阻丝自身随温度变化1.电阻热效应—温度t0

和t

时电阻值；α—应变丝电阻温度系数(1/℃)

试件与应变丝线膨胀系数不一致，应变丝产生附加变形，引起电阻变化，如图；2.热胀冷缩效应线膨胀系数不一致引起的温度误差电阻丝初始(温度t0)长度L0，温度t应变丝受热自由变化到Lgt，而应变丝下试件相应自由变化到Lstβg

，βs—应变丝线膨胀系数和试件线膨胀系数(1/℃)

Lgt≠Lst时，试件将应变丝从“Lst”拉伸至“Lgt”，产生附加变形5.2.2应变片的温度误差及其补偿112.热胀冷缩效应线膨胀系数不一致引起的温度误差附加变形、附加应变和相应电阻变化量分别为综合考虑温度影响，总电阻变化量、相对变化量、折合为相应应变量分别为5.2.2应变片的温度误差及其补偿12满足下式，温度引起附加应变为零3.自补偿法→

合理选择应变片和测试件，可使温度误差为零；有局限如图为一种采用双金属敏感栅自补偿片改进方案；敏感栅两段电阻R1和R2，温度变化引起电阻变化量分别为△R1t和△R2t，满足△R1t+△R2t=0实现温度补偿；该方案补偿效果好，使用灵活双金属敏感栅自补偿应变片5.2.2应变片的温度误差及其补偿13R1、RB为电桥相邻两臂；温度变化，发生相同变化；输出对应变敏感，对温度不敏感，实现温度补偿；图示选两个相同应变片，处于相同温度场，不同受力状态；4.电路补偿法R1感受外力；R2不受力；简单实用，缓变温度补偿效果好；电路补偿法该方案不仅实现温度补偿，还提高灵敏度；进一步改进为四臂受感差动；差动应变片补偿法R1~R4：4个完全相同应变片，处于相同温度场；R1、R4受拉伸，R3、R3受压缩；5.2.2应变片的温度误差及其补偿右图为利用热敏电阻的补偿法，热敏电阻Rt与应变片R1处于相同温度场；4.电路补偿法热敏电阻补偿法温度升高，若应变片灵敏度下降，电桥输出减小；同时，负温度系数的Rt使电桥工作电压增加，电桥输出增大，实现温度补偿5.2.2应变片的温度误差及其补偿5.2.1电阻应变片5.2.2应变片的温度误差及其补偿5.2.3电桥电路原理5.2.4应变式传感器的典型实例1516单臂受感全桥电路图示全桥电路，输出为平衡时，Uout为零，则该电路仅一个受感应变片R1，属单臂受感；被测量变化引起R1变化，平衡状态被破坏，检流计有电流通过；为建立新平衡状态，R2增加△R2，满足下面条件重新达到平衡→平衡电桥在测量静态或准静态应变时较理想；因检流计很灵敏，分辨率和精度高；几乎不受工作电压影响，抗干扰能力强；但不适宜动态测量5.2.3电桥电路原理17单臂受感全桥电路图示全桥电路，不平衡输出引入桥臂比，输出为定义电桥电路电压灵敏度：应变片单位电阻变化量引起输出电压变化量Uout0—Uout的线性描述→

提高工作电压Uin，选择桥臂比n=1，灵敏度最大KU=0.25Uin

5.2.3电桥电路原理18单臂受感电桥电路输出电压Uout相对其线性描述Uout0的非线性误差为对对称电桥：R1=R2，R3=R4，忽略分母中小量，有差动电桥电路A

减少非线性误差主要措施方法一：采用差动电桥基于被测试件应用情况，在相邻两臂接入相同电阻应变片，一片拉伸，一片压缩，如图A；输出为考虑n=1，△R1=△R2，则→

非线性减小，灵敏度提高5.2.3电桥电路原理（非线性及补偿）19差动电桥电路A

方法一：采用差动电桥基于被测试件应用情况，在相邻两臂接入相同电阻应变片，一片拉伸，一片压缩，如图A；输出为考虑n=1，△R1=△R2，则→

非线性减小，灵敏度提高差动电桥电路B→

进一步提高了灵敏度若采用四臂受感差动电路，如图B；则输出为5.2.3电桥电路原理（非线性及补偿）方法二：恒流源供电电桥电路20恒流源供电电桥电路图示恒流源供电电桥，输出为→

与恒压源供电相比，分母中多了

R3、R4，恒流源供电有效减少了非线性误差忽略分母中小量，得非线性误差5.2.3电桥电路原理（非线性及补偿）21差动检测方式时的温度补偿图示每一臂电阻初值均为R；被测量引起电阻变化值为△R，两个臂电阻值增加，另两个臂电阻值减小；温度变化引起四个臂电阻值增加量均为△Rt；输出为→

四臂受感由温度引起误差△Rt只出现在分母；有效减小温度误差，但不彻底1.恒压源供电5.2.3电桥电路原理（温度影响及补偿）22差动检测方式时的温度补偿图示每一臂电阻初值、被测量引起电阻变化值、因温度变化引起电阻值增加量，与前述恒压源供电相同；输出为→

完全与温度无关；只与被测量引起电阻变化量△R、恒流源供电电流I0

有关；有效减小了温度误差2.恒流源供电5.2.3电桥电路原理（温度影响及补偿）235.2.1电阻应变片5.2.2应变片的温度误差及其补偿5.2.3电桥电路原理5.2.4应变式传感器的典型实例5.2.4应变式传感器的典型实例24实现原则应变式传感器(straingagetransducer/sensor)，最好用四个相同应变片；被测量变化，两个感受拉伸应变，电阻值增大；两个感受压缩应变，电阻值减小以四臂受感电桥将电阻变化转换为电压变化主要特点(1)测量范围宽，如压力传感器10-1～106Pa，力传感器10-2～107N；(2)精度较高，测量误差小于0.1％；(3)输出特性线性度好；(4)性能稳定，工作可靠，能在恶劣环境、大加速度、高温或低温、强腐蚀条件工作；(5)有横向效应引起干扰问题和环境温度变化引起的误差；(6)性能价格比高；应用方式

应变丝有粘贴式和非粘贴式两类251.圆平膜片式压力传感器

平膜片上表面的应变变化规律图为圆平膜片结构；膜片感受压力差产生变形；在膜片最大应变处设置应变片周边固支圆平膜片上表面应变及随半径变化规律圆平膜片结构一种实现方案一种平膜片应变式压力传感器应变片的设置方案5.2.4应变式传感器的典型实例（压力）261.圆平膜片式压力传感器

图示为以圆平膜片为敏感元件的应变式压力传感器整体结构的两种实现示意图；(a)

为组装式结构，(b)为焊接式结构；应变电阻可以采用粘贴应变片方式，也可以采用溅射方法；优点：结构简单，体积小，性能价格比高等缺点：输出信号小，抗干扰能力稍差，性能受工艺影响大等(a)组装式结构(b)焊接式结构应变式压力传感器整体结构示意图5.2.4应变式传感器的典型实例（压力）272.圆柱形应变筒式压力传感器

圆柱形应变筒式压力传感器（教材第1个图）传感器工作原理框图应变式压力传感器工作原理框图圆柱形应变筒外壁切向应变结合图示，电桥电路输出由非线性引起的相对误差特点：体积小，重量轻，精度髙，测量范围宽，频响高，耐压，抗振，应用广泛5.2.4应变式传感器的典型实例（压力）281.圆柱式力传感器

圆柱式力传感器图为传感器结构示意，弹性敏感元件为可承受较大载荷的圆柱体；圆柱体轴向受压缩力F作用时，沿圆柱体轴向和环向应变A

—

圆柱体横截面积感受圆柱体轴向应变电阻和电阻减小量分别为感受圆柱体环向应变电阻和电阻增加量分别为电桥电路采用图示差动电桥，输出为5.2.4应变式传感器的典型实例（力）291.圆柱式力传感器

因环向应变与轴向应变绝对值不相等(μ倍)，输出电压与被测力是非线性关系；此非线性引起相对误差为Uout0—Uout的线性描述，忽略分母中K(1-μ)F的结果承弯柱式测力传感器被测力可能与轴线之间成一微小角度或微小偏心；即弹性柱体会受到横向力和弯矩干扰，产生测量误差；为消除横向力影响，可采用图示“承弯膜片”结构；膜片在其平面方向刚度很大，可承受绝大部分横向力和弯矩作用，几乎不影响柱体敏感结构沿轴线方向受力情况，有效减少横向力和弯矩作用对测量过程影响；

膜片厚度方向刚度远小于柱体轴向刚度，故对测量影响很小，灵敏度下降不超过5％5.2.4应变式传感器的典型实例（力）301.圆柱式力传感器

承弯柱式测力传感器为确保实现结构功能，采用图示承弯结构形式；

实际承弯结构为提高测量性能，采用增加应变敏感元件方式，八个相同应变片四个沿环向布设，四个沿轴向布设，见图圆柱式力传感器应变片粘贴方式及电路5.2.4应变式传感器的典型实例（力）312.环式测力传感器

测力环图为环式弹性敏感元件；测量500N以上载荷；等截面环灵敏度略低于变截面环；

测力环有正应变区和负应变区，为测量提供了条件；对图a等截面环，应变片贴在环内侧正、负应变最大区域；对图b变截面环，应变片贴在环水平轴内、外两侧；

该传感器结构简单，测力范围较大，固有频率较高特殊结构的测力环图示特殊结构测力环；除箭头所指方向外，其他方向刚度很大，抗横向干扰能力强

abab5.2.4应变式传感器的典型实例（力）322.环式测力传感器

图为同时测量两个方向力的环形敏感结构；测量两个方向力环形敏感结构R1~R4测量Fy

；R5~R8测量Fx

Fy

增加，R1、R3增加，R2、R4减小；由R1~R4测量Fy需要说明：

Fx

增加，R6、R8增加，R5、R7减小；由R5~R8测量Fx两个方向力的检测电路Fy与Fx的测量过程互不影响，电路如右下图；R1~R4贴在Fx

引起应变节点上，Uouty不感受Fx

引起的应变；R5~R8贴在Fy

引起应变节点上，Uoutx不感受Fy

引起的应变5.2.4应变式传感器的典型实例（力）3.梁式测力传感器

33悬臂梁式力传感器用于小力值测量，常用一端固定悬臂梁、双端固定梁和剪切梁

(1)悬臂梁特点：结构简单，应变片易于粘贴，灵敏度高；有等截面式和等强度楔式两种，如图；

对等截面悬臂梁，梁上表面沿x

方向正应变设置于上表面应变电阻相对变化设置于下表面应变电阻相对变化—应变片在梁上位置—单位作用力引起电阻R1

相对变化5.2.4应变式传感器的典型实例（力）3.梁式测力传感器

34悬臂梁式力传感器(1)悬臂梁特点：结构简单，应变片易于粘贴，灵敏度高；有等截面式和等强度楔式两种，如图；

电桥电路对图示等强度梁，上表面轴向正应变相同有利于在悬臂梁上设置应变片；采用与等截面梁相同电桥，输出用于小力值测量，常用一端固定悬臂梁、双端固定梁和剪切梁

5.2.4应变式传感器的典型实例（力）3.梁式测力传感器

35轴向应变分布规律两端固定梁式力传感器(2)两端固支梁图示以两端固定梁为敏感结构的应变式力传感器F

作用在梁中心处圆柱上，梁呈对称受力状；在梁中心处建立直角坐标系，如图b，梁上表面轴向应变近似为

应变分布规律如右上图；有正应变区和负应变区相同位置梁上下表面轴向应变大小相等、方向相反图示上表面R1、R3分别处于压缩状态和拉伸状态；下表面R2、R4分别处于拉伸状态和压缩状态；

为提高测量性能，R1～R4均采用两个受感电阻用于小力值测量，常用一端固定悬臂梁、双端固定梁和剪切梁

5.2.4应变式传感器的典型实例（力）(3)剪切梁3.梁式测力传感器

36用于小力值测量，常用一端固定悬臂梁、双端固定梁和剪切梁

剪切梁式力传感器图为利用剪切梁实现的力传感器；梁在自由端受力，切应变在梁长度方向处处相等，在形成切应变区域，不受力作用点变化影响；不能直接测切应变，将应变片设置于与梁中心线成±45°，正应变在数值上达到最大值；两个为正、两个为负；上述应变片不受弯曲应力影响，抗侧向力能力强；四个应变片接成全桥，实现测力；广泛用于电子衡器5.2.4应变式传感器的典型实例（力）3.梁式测力传感器

37用于小力值测量，常用一端固定悬臂梁、双端固定梁和剪切梁

S型梁式力传感器(4)S型梁图为利用S型梁实现的力传感器；以双连孔形弹性元件为例说明其工作原理；四个应变片贴在开孔中间梁上、下两侧最薄处，接全桥电路弯矩和剪力分布示意力作用在上、下端，弯矩M和剪力Q

如图示分布；R1、R4受拉伸，电阻值增，R2、R3受压缩，电阻值减；电桥输出与作用力成比例电压；若力作用点左移△L，偏心引起弯矩△M=F△L，如图；R1、R3感受弯矩增加，电阻增△R(△M)；R2、R4感受弯矩减小，电阻减△R(△M)；→输出不受力作用点位置影响偏心力补偿原理5.2.4应变式传感器的典型实例（力）3.梁式测力传感器

38