应变式传感器原理及应用

应变片的基本结构
2.1 金属应变式传感器
应变片的基本结构
2.1 金属应变式传感器
金属应变计
金属丝式应变片的基本测量电路
2.1 金属应变式传感器
电阻应变片的测量线路多采用交流电桥(配交流放大 器)，其原理和直流电桥相似。 直流电桥比较简单，因此首先分析直流电桥，如图 所示:
B R1 A R3 D E R2 C Rg Ig
2. 第一对称电桥 3.第二对称电桥
1、等臂电桥 当R1=R2=R3=R4=R时，称为等臂电桥。 此时电桥输出可写为 RR1 R2 R3 R4 R1R4 R2 R3 Ug E 2R R1 R2 2R R3 R4
一般情况下，ΔRi（i=1，2，3，4）很小，即R>>ΔRi， R 略去上式中的高阶微量，并利用 式得到 : K R
则电桥的相对非线性误差为:
E E 1 1 1 2 3 K K 1 K K K 1 1 1 4 4 2 4 8 2 3 K K K E 2 4 8 K 4
可见，Kε愈大，δ愈大，通常Kε<<1。 δ≈1/2•Kε
应变片的基本结构
2.1 金属应变式传感 器
金属箔式应变片
利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度 一般在0.003~0.010 mm，粘贴在基片上，上面再覆盖
一层薄膜而制成。
应变片的基本结构
2.1 金属应变式传感器
金属箔式应变片和丝式应变片相比较，有如下特点。 ①金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的 应力状态更为接近。其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时， 箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工 作。第三，箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测 量的精度。 ②箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，因 而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。 ③箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为 制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变片的使 用范围。 ④便于成批生产。 缺点：电阻值分散性大，有的相差几十Ω，故需要作阻值调整； 生产工序较为复杂，因引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温 环境下测量；此外价格较贵。
例：设 K=2 ，要求非线性误差 δ<1% ，试求允许测量的 最大应变值εmax。
1 K max 0.01 2
max
2 0.01 2 0.01 0.01 10000 K 2
结论：如果被测应变大于10000με，采用等臂电桥时的 非线性误差大于1%。
2、第一对称电桥
金属丝式应变片的基本结构
4 3
2.1 金属应变式传感器
基底2和盖片3
2 1
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。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底
宽。
金属丝式应变片的基本结构
4 3
2.1 金属应变式传感器
引线4
2 1
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。 大多数敏感栅材料都可制作引线。
在实际使用时，一般多采用等臂电桥或对称电桥。
R1 R1 R4 R4 R2 R2 R3 R3 Ug E R1 R1 R2 R2 R3 R3 R4 R4
在实际使用时，一般多采用等臂电桥或对称电桥。
1. 等臂电桥
应变效应
高 精 度 电 子 汽 车 衡
动态电子秤
电子天平
应变效应
吊秤
机械秤包装机
金属丝式应变片的基本工作原理
2.1 金属应变式传感器
对于一长为 L、横截面积为 A 、电阻率为 ρ 的金属丝，其电阻 值R为：
L R S
2r
L
受力F
金属丝式应变片的基本工作原理
2.1 金属应变式传感器
L R S
3、传感器分类
传感器是知识密集、技术密集的行业，它与许多学科有关，它的种类十分繁多。 为了很好地掌握它、应用它，需要有一个科学的分类方法。
1)按被测物理量分类
常见的被测物理量 机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量; 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩
当R1R4=R2R3时，Ig=0，Ug=0，即电桥处于平衡状态。 若电桥的负载电阻Rg为无穷大，则B、D两点可视为开路 ，上式可以化简为:
R1 R4 R2 R3 Ug E R1 R2 R3 R4
设R1为应变片的阻值，工作时R1有一增量ΔR，当为拉 伸应变时， ΔR 为正；压缩应变时， ΔR 为负。在上式 中以R1+ΔR代替R1，则:
R4
电桥线路原理图
金属丝式应变片的基本测量电路
2.1 金属应变式传感器
当电源E为电势源，其内阻为零时，可求出检流计中流 过的电流Ig与电桥各参数之间的关系为:
B
E R1R4 R2 R3 Ig Rg R1 R2 R3 R4 R1R2 R3 R4 R3 R4 R1 R2 A
当电阻丝受到轴向拉力 F 作用时，金属丝几何尺 寸变化引起电阻的相对变化.
金属丝式应变片的基本工作原理
2.1 金属应变式传感器
应变片的基本结构
2.1 金属应变式传感器
金属电阻应变片主要有三种：
金属丝式
箔式 薄膜式
常用结构图示
应变片的基本结构
2.1 金属应变式传感器
金属丝式应变片基本结构
应变效应
实验演示 ：
取一根细电阻丝，两端接上一台3位半位数字式欧姆表（分辨率 为1/2000），记下其初始阻值（图中为10.01）。
当我们用力将该电阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加（图
中增加到为10.05）。测量应力、应变、力的传感器就是利
用类似的原理制作的。
应变效应
广泛应用于－ 各种电子秤
Rg为负载电阻.
R1
R2 C
Rg Ig
R3 D E
R4
E R1R4 R2 R3 U g I g Rg 1 R1 R2 R3 R4 [ R1R2 R3 R4 R3 R4 R1 R2 ] Rg
因而其输出电压Ug为:
电桥线路原理图
E R1R4 R2 R3 U g I g Rg 1 R R R R [ R1R2 R3 R4 R3 R4 R1 R2 ] 1 2 3 4 Rg
R1 R R4 R2 R3 Ug E R1 R R2 R3 R4
设电桥各臂均有相应的电阻增量ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4 时,
R1 R1 R4 R4 R2 R2 R3 R3 Ug E R1 R1 R2 R2 R3 R3 R4 R4
传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、 探头
2、传感器组成
敏感元件、转换元件、基本转换电路
敏感元件
被 测 量
转换元件 辅助电源
基本转换电路
输 出 量
敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确 定关系的某一物理量的元件。 转换元件：敏感元件的输出 就是ห้องสมุดไป่ตู้的输入，它把输入 的被测量抟换成电 路参量。 基本转换电路：上述电路参 量输入基本转换电路（简 称转换电路），便可转换成电量输出。
上式表明：
①当ΔRi<<R时，输出电压与应变呈线性关系。 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；若相邻两桥臂的极性 不同时，输出电压为两者之和。 ③若相对两桥臂应变的极性一致时，输出电压为两者 之和；相对桥臂的应变极性相反时，输出电压为两者 之差。
利用上述特点可进行温度补偿和提高测量的灵敏度。
航天
传感检测技术
第二章 传感检测技术的基本知识
交通 摄象头:CCD传感器
指纹传感器
传感检测系统的组成
信息提取 信息转换
显示装置
被测对象
物理量
传感器
电量
中间变 换装置
记录装置
数据处 理装置
电量/数字量
• 一个完整的检测系统或检测装置通常由传感器、 测量电路、显示记录装置和数据处理装置与执行 机构等部分组成，分别完成信息获取、转换、显 示和处理等到功能。
一、传感器
1、定义：
传感器：以一定精确度把被测量转换为与 之有确定对应关系的，便于应用的某种物 理量的测量装置。 定义含义： 传感器是测量装置 传感器的输入量是某一被测量 传感器的输出量应是便于转换的物理量 传感器的输入与输出之间有一定精确程度 的对应关系

被测量
电量
传感器的功用是一感二传， 即感受被测信息，并传送出去
金属丝式应变片的基本结构
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2.1 金属应变式传感器
粘结剂
2 1
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。 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，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于 高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。
E R1 R2 R3 R4 EK Ug 1 2 3 4 4 R R R R 4
当仅桥臂AB单臂工作时，输出电压为 E R E Ug K 4 R 4 由前两式可知，当假定R>>ΔR时，输出电压Ug与应变ε 间呈线性关系。 若假定不成立，则按线性关系刻度的仪表用来测量 必然带来非线性误差。
若电桥桥臂两两相等，即 R1=R2=R， R3=R4=R′，则称它 为第一对称电桥，如图，实质上它是半等臂电桥。设 R1有一增量ΔR，电桥的输出电压为:
R R R RR R U g E E 4R 2R 2R R 2R
B R1=R R2=R
当考虑单臂工作时，即AB桥臂变化ΔR，则:
ER E R 1 R E 1 Ug 1 K 1 K 4R 2R 4 R 2 R 4 2
1 1
由上式展开级数，得:
E 1 1 1 2 3 U g K 1 K K K 4 4 8 2
3)按信号变换特征:
能量转换型和能量控制型.
能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.
按照传感器的用途来分类
例如位移传感器、压力传感器、振动传 感器、温度传感器等。 根据传感器输出是模拟信号还是数字信号 模拟传感器、数字传感器。 根据转换过程可逆与否 双向传感器、单向传感器等。
E R1 R2 R3 R4 EK Ug 1 2 3 4 4 R R R R 4
E R1 R2 R3 R4 EK Ug 1 2 3 4 4 R R R R 4
由敏感栅 1、基底 2、盖片 3、引线 4和粘结剂等组成。 这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因 此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。
4
3 b 2 1
栅长
l
栅宽
典型的电阻应变片结构示意图
金属丝式应变片的基本结构
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2.1 金属应变式传感器
1-敏感栅
2 1
由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60Ω、 120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。 应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测 得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均 轴向应变量。