电阻应变计式传感器

1 2021/6/16 电 阻 应 变 计 的 应 用1.2第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器电 阻 应 变 计 的 主 要 特 性2.223 测 量 电 路2.4 电 阻 应 变 计 式 传 感 器2.52.6 电 阻 应 变 计 的 温 度 效 应 及 其 补 偿2.1 电 阻 应 变 计 的 基 本 原 理 与 结 构 2021/6/16 2 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1电 阻 应 变 计 的 基 本 原 理 与 结 构一 、 导 电 材 料 的 应 变 电 阻 效 应 电 阻 应 变 片 的 工 作 原 理 是 基 于 应 变 效 应 ， 即导 体 或 半 导 体 材 料 在 外 界 力 的 作 用 下 产 生 机 械 变形 时 ， 其 电 阻 值 发 生 变 化 ， 这 种 现 象 称 为 “ 应变 效 应 ” 。 如 图 2 - 1所 示 ， 一 根 长 ， 截 面 积 为 A的 金 属电 阻 丝 ， 在 其 未 受 力 时 ， 原 始 电 阻 值 为 ： （ 2-1）l AlR 2021/6/16 3 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1电 阻 应 变 计 的 基 本 原 理 与 结 构 dAdAldlRdR （ 2-2） 当 电 阻 丝 受 到 拉 力 F作 用 时 ， 将 伸 长 dl， 横 截 面积 相 应 减 小 dA， 电 阻 率 因 材 料 晶 格 发 生 变 形 等 因 素影 响 而 改 变 了 d， 从 而 引 起 电 阻 值 相 对 变 化 量 为 ： 图 2.1 导 体 受 拉 伸 后 的 参 数 变 化 2021/6/16 4 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1电 阻 应 变 计 的 基 本 原 理 与 结 构式 中 dl/l= 材 料 的 轴 向 线 应 变 ， 常 用 单 位 (1 =1 10-6mm/mm); dA/A圆 形 电 阻 丝 的 截 面 积 相 对 变 化 量 ， 设 r为 电 阻 丝 的 半 径 ， 微 分 后 可 得 dA=2r dr， 则 ：其 中 r导 体 的 半 径 ， 受 拉 时 r缩 小 ； 导 体 材 料 的 泊 松 比 。22 rdrAdA 2021/6/16 5 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1电 阻 应 变 计 的 基 本 原 理 与 结 构可 得 ： 通 常 把 单 位 应 变 能 引 起 的 电 阻 值 变 化 称 为电 阻 丝 的 灵 敏 系 数 。 其 物 理 意 义 是 单 位 应 变所 引 起 的 电 阻 相 对 变 化 量 ， 其 表 达 式 为 ： dRdR )21( （ 2-3） dRdRK 21 （ 2-4） 2021/6/16 6 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1电 阻 应 变 计 的 基 本 原 理 与 结 构 灵 敏 系 数 K受 两 个 因 素 影 响 ： 材 料 几 何 尺 寸 的 变 化 ， 即 1+2； 材 料 的 电 阻 率 发 生 的 变 化 ， 即 （ d/） /。大 量 实 验 证 明 ， 在 电 阻 丝 拉 伸 极 限 内 ， 电 阻 的 相 对 变化 与 应 变 成 正 比 ， 即 K为 常 数 。1.金 属 材 料 的 应 变 电 阻 效 应 对 金 属 材 料 来 说 ， 电 阻 丝 灵 敏 度 系 数 表 达 式 中1+2的 值 要 比 (d/)/大 得 多 ， 显 然 ， 金 属 丝 材 的 应 变电 阻 效 应 以 结 构 尺 寸 变 化 为 主 。 金 属 材 料 的 电 阻 相 对 变化 与 其 线 应 变 成 正 比 。 这 就 是 金 属 材 料 的 应 变 电 阻 效 应 。对 金 属 或 合 金 , 一 般 Km=1.8 4.8。2.半 导 体 材 料 的 压 阻 效 应 而 半 导 体 材 料 的 (d/)/项 的 值 比 1+2大 得 多 。 2021/6/16 7 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1电 阻 应 变 计 的 基 本 原 理 与 结 构2.半 导 体 材 料 的 压 阻 效 应 压 阻 效 应 是 指 半 导 体 材 料 ， 当 某 一 轴 向 受 外 力 作 用时 ， 其 电 阻 率 发 生 变 化 的 现 象 。式 中 ： 半 导 体 材 料 的 压 阻 系 数 ;半 导 体 材 料 的 所 受 应变 力 ; E半 导 体 材 料 的 弹 性 模 量 ;半 导 体 材 料 的 应变 。 Ed （ 2-5） 2021/6/16 8 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1电 阻 应 变 计 的 基 本 原 理 与 结 构2.半 导 体 材 料 的 压 阻 效 应则 ： 由 于 E(1+2 )， 因 此 半 导 体 丝 材 的Ks E。 可 见 ， 半 导 体 材 料 的 应 变 电 阻 效 应主 要 基 于 压 阻 效 应 。 通 常 Ks=(50 80)Km。 )21( ERdR （ 2-6） 2021/6/16 9 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1电 阻 应 变 计 的 基 本 原 理 与 结 构二 、 电 阻 应 变 计 的 结 构 与 类 型结 构 ： 图 2.2 典 型 应 变 计 的 结 构 及 组 成 (a)丝 式 (b)箔 式 (c)半 导 体1敏 感 栅 2基 底 3引 线 4盖 层 5粘 结 剂 6电 极 2021/6/16 10 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1电 阻 应 变 计 的 基 本 原 理 与 结 构二 、 电 阻 应 变 计 的 结 构 与 类 型结 构 ：(1)敏 感 栅实 现 应 变 -电 阻 转 换 的 敏 感 元 件 。 通 常 由 直 径 为 0.015 0.05mm的 金 属 丝 绕 成 栅 状 ，或 用 金 属 箔 腐 蚀 成 栅 状 。(2)基 底为 保 持 敏 感 栅 固 定 的 形 状 、 尺 寸 和 位 置 ， 通 常用 粘 结 剂 将 其 固 结 在 纸 质 或 胶 质 的 基 底 上 。 基 底 必 须很 薄 ， 一 般 为 0.02 0.04mm。 (3)引 线起 着 敏 感 栅 与 测 量 电 路 之 间 的 过 渡 连 接 和 引 导作 用 。 通 常 取 直 径 约 0.1 0.15mm的 低 阻 镀 锡 铜 线 ， 并 用 钎 焊 与 敏 感 栅 端 连 接 。 2021/6/16 11 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1电 阻 应 变 计 的 基 本 原 理 与 结 构二 、 电 阻 应 变 计 的 结 构 与 类 型(4)盖 层用 纸 、 胶 作 成 覆 盖 在 敏 感 栅 上 的 保 护 层 ； 起 着防 潮 、 防 蚀 、 防 损 等 作 用 。 (5)粘 结 剂制 造 应 变 计 时 ， 用 它 分 别 把 盖 层 和 敏 感 栅 固结 于 基 底 ； 使 用 应 变 计 时 ， 用 它 把 应 变 计 基 底 粘 贴 在试 件 表 面 的 被 测 部 位 。 因 此 它 也 起 着 传 递 应 变 的 作 用 。 2021/6/16 12 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1电 阻 应 变 计 的 基 本 原 理 与 结 构二 、 电 阻 应 变 计 的 结 构 与 类 型类 型 ： 图 2.2 典 型 应 变 计 的 结 构 及 组 成 (a)丝 式 (b)箔 式 (c)半 导 体 1敏 感 栅 2基 底 3引 线 4盖 层 5粘 结 剂 6电 极 1.金 属 丝 式 应 变 片 有 回 线 式 和 短 接 式 二 种 。 回 线 式 最 为 常 用 ， 制 作 简单 ， 性 能 稳 定 ， 成 本 低 ， 易 粘 贴 ， 但 横 向 效 应 较 大 。 2021/6/16 13 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1电 阻 应 变 计 的 基 本 原 理 与 结 构二 、 电 阻 应 变 计 的 结 构 与 类 型类 型 ： 2.金 属 箔 式 应 变 片 利 用 照 相 制 版 或 光 刻 技 术 将 厚 约 0.0030.01mm的 金 属 箔 片 制 成 所 需 图 形 的 敏 感 栅 ，也 称 为 应 变 花 。3.半 导 体 应 变 片 由 单 晶 半 导 体 经 切 型 、 切 条 、 光 刻 腐 蚀 成形 ， 然 后 粘 贴 在 薄 的 绝 缘 基 片 ， 最 后 再 加 上 保护 层 。 但 重 复 性 、 温 度 及 时 间 稳 定 性 差 。 14 2021/6/16第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors)应 变 计 多 为 一 次 性 使 用 ， 应 变 计 的 特 性 是 按 规 定的 条 件 ， 从 大 批 量 生 产 中 按 比 例 抽 样 实 测 而 得静 态 特 性 灵 敏 系 数 K ， 应 变 计 的 轴 向 应 变 一 般 K K0 横 向 效 应 及 横 向 效 应 系 数 H 由 于 传 感 器 是 多 线 的 ， 线 与 线 之 间 连 接 部 分 不 在 测量 方 向 上 ， 引 起 横 向 效 应 计 算 公 式 ：2.2 电 阻 应 变 计 的 主 要 特 性 xR R K x (1 ) x x y y x xR R K K K aH 15 2021/6/16第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 标 定 情 况 下 ： 可 见 ， 横 向 效 应 使 传 感 器 的 灵 敏 度 系 数 下 降 非 标 定 情 况 下 ： 相 对 误 差 为 ： 可 见 ， 要 减 小 误 差 ， 必 须 使 H减 小0(1 )x xR R K H 000 00 0(1 ) (1 )(1 )( ) ( )(1 ) (1 )x x x xxK aH K He K HH a HH H 2.2 电 阻 应 变 计 的 主 要 特 性 16 2021/6/16第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 对 横 向 效 应 分 析 结 果 的 应 用 结 果 之 一 是 箔 式 应 变 计 另 外 ， 应 变 计 的 长 度 要 长 、 横 栅 要 小 。 机 械 滞 后 原 因 ： 基 底 材 料 、 粘 结 剂 的 材 料 、 残 余 变 形 通 常 要 求 ：jZ 10jZ jZ指 示 值 实 际 值 2.2 电 阻 应 变 计 的 主 要 特 性 17 2021/6/16第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 蠕 变 与 零 漂 零 漂 和 蠕 变 反 映 传 感 器 的 长 期 稳 定 性 应 变 极 限 应 变 计 的 线 性 范 围 ， 是 衡 量 应 变 计 测 量 范 围和 过 载 能 力 的 指 标 ， 一 般 8000lim lim 0P0P 10%真 实 应 变指示应变 2.2 电 阻 应 变 计 的 主 要 特 性 18 2021/6/16第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors)动 态 特 性 机 械 应 变 以 声 波 的 形 式 和 速 度 在 材 料 中 传 播 的 。当 它 依 次 通 过 一 定 厚 度 的 基 底 、 胶 层 并 引 起 应变 计 的 响 应 时 ， 会 有 时 间 的 迟 后 。 应 变 计 的 这种 响 应 迟 后 对 动 态 (高 频 )应 变 测 量 ， 尤 会 产 生误 差 。 应 变 计 的 动 态 特 性 就 是 指 其 感 受 随 时 间变 化 的 应 变 时 之 响 应 特 性 对 正 弦 信 号 的 响 应 图 表 示 一 频 率 为 f， 幅 值 为 0的 正 弦 波 ， 以 速度 v沿 着 应 变 计 纵 向 x方 向 传 播 时 ， 在 某 一 瞬时 t的 分 布 图 。 应 变 计 中 点 xt的 瞬 时 应 变 为 0 sin(2 / )t tx 2.2 电 阻 应 变 计 的 主 要 特 性 19 2021/6/16第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 而 栅 长 l范 围 xt （ l/2） 内 的 平 均 应 变 为 相 对 误 差 为 ： 上 式 表 明 ， 当 频 率 增 加 时 ， 误 差 增 大 ,因 此 应使 ： 或01 2sin sinp tl x l ldxl 21sin 1 6p tt l l lfe max 6l l e max 6f el2.2 电 阻 应 变 计 的 主 要 特 性 2021/6/16 20 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3电 阻 应 变 计 的 温 度 效 应 及 其 补 偿一 、 温 度 效 应 及 其 热 输 出1、 温 度 效 应 设 工 作 温 度 变 化 为 t ， 则 引 起 粘贴 在 试 件 上 的 应 变 计 电 阻 的 相 对 变 化 为 : 式 中 t敏 感 栅 材 料 的 电 阻 温 度 系 数 ； K应 变 计 的灵 敏 系 数 ； s、 t分 别 为 试 件 和 敏 感 栅 材 料 的 线膨 胀 系 数 。 （ 2-7） ( ) ( ).t t s tR a t K tR 2021/6/16 21 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3电 阻 应 变 计 的 温 度 效 应 及 其 补 偿2、 热 输 出相 对 的 热 输 出 为 : 应 变 计 的 温 度 效 应 及 其 热 输 出 由 两 部 分 组 成 ：前 部 分 为 热 阻 效 应 所 造 成 ； 后 部 分 为 敏 感 栅 与 试件 热 膨 胀 失 配 所 引 起 。 在 工 作 温 度 变 化 较 大 时 ，这 种 热 输 出 干 扰 必 须 加 以 补 偿 。 ttaKKRR tsttt ).(1)/( （ 2-8） 2021/6/16 22 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3电 阻 应 变 计 的 温 度 效 应 及 其 补 偿二 、 热 输 出 补 偿 方 法1、 温 度 自 补 偿 法 精 心 选 配 敏 感 栅 材 料 与 结 构 参 数 来 实 现 热输 出 补 偿 。(1)单 丝 自 补 偿 应 变 计 在 研 制 和 选 用 应 变 计 时 ， 若 选 择 敏 感 栅 的 合金 材 料 ， 其 t 、 t能 与 试 件 材 料 的 s相 匹 配 ，即 满 足 ， 达 到 温 度 自 补 偿 的 目 的 。)( tst Ka （ 2-9） 0t 2021/6/16 23 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3电 阻 应 变 计 的 温 度 效 应 及 其 补 偿二 、 热 输 出 补 偿 方 法1、 温 度 自 补 偿 法(2)双 丝 自 补 偿 应 变 计 敏 感 栅 由 电 阻 温 度 系 数一 正 一 负 的 两 种 合 金 丝 串 接而 成 。 当 工 作 温 度 变 化 时 ，若 Ra栅 产 生 正 的 热 输 出 a与 R b栅 产 生 负 的 热 输 出 b相 等 或 相 近 ， 就 可 达 到自 补 偿 的 目 的 ， 即 : bataatbbatbt RRRRRR )/()( （ 2-10） 图 2.2 （ a） 回 线 式 （ b） 短 接 式 2021/6/16 24 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3电 阻 应 变 计 的 温 度 效 应 及 其 补 偿二 、 热 输 出 补 偿 方 法2、 桥 路 补 偿 法（ 1） 双 丝 半 桥 式 图 2.3 双 丝 半 桥 式 热 补 偿 应 变 计 2021/6/16 25 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3电 阻 应 变 计 的 温 度 效 应 及 其 补 偿二 、 热 输 出 补 偿 方 法2、 桥 路 补 偿 法（ 1） 双 丝 半 桥 式 敏 感 栅 由 同 符 号 电 阻 温 度 系 数 的 两 种 合 金丝 串 接 而 成 ， 工 作 栅 R1接 入 工 作 臂 ， 补 偿 栅 R2外接 串 接 电 阻 RB(不 敏 感 温 度 影 响 )接 入 补 偿 臂 ， 当温 度 变 化 时 ， 只 要 电 桥 工 作 臂 和 补 偿 臂 的 热 输出 相 等 或 相 近 ， 就 能 达 到 热 补 偿 目 的 。 1122 t tB RR （ 2-11） 2021/6/16 26 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3电 阻 应 变 计 的 温 度 效 应 及 其 补 偿2、 桥 路 补 偿 法（ 2） 补 偿 块 法 图 2.4 补 偿 块 半 桥 热 补 偿 应 变 计 使 用 两 个 相 同 的 应 变 计 。R1贴 在 试 件 上 ， 接 入 电桥 工 作 臂 ， R2贴 在 与 试件 同 材 料 、 同 环 境 温 度 ，但 不 参 与 机 械 应 变 的 补 偿块 上 ， 接 入 电 桥 相 邻 臂 作补 偿 臂 ， 补 偿 臂 产 生 与 工作 臂 相 同 的 热 输 出 ， 通 过电 桥 ， 起 到 补 偿 作 用 。 2021/6/16 27 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3电 阻 应 变 计 的 温 度 效 应 及 其 器 补 偿2、 桥 路 补 偿 法（ 3） 差 动 电 桥 法 巧 妙 地 安装 应 变 片 可 以起 补 偿 作 用 并提 高 灵 敏 度 。 将 两 个 应 变 片 分 别 贴 于 测 悬 梁 上 下 对 称 位 置 ，R 1、 RB特 性 相 同 ， 所 以 两 电 阻 变 化 值 相 同 而 符号 相 反 。 因 而 电 桥 输 出 电 压 比 单 片 时 增 加 1倍 。当 梁 上 下 温 度 一 致 时 ， RB与 R1可 起 温 度 补 偿 作用 。 图 2.5 差 动 电 桥 法 28 2021/6/16 2.4电 阻 应 变 计 的 应 用1、 应 变 计 的 选 用（ 1） 选 择 类 型使 用 目 的 、 要 求 、 对 象 、 环 境 等（ 2） 材 料 考 虑使 用 温 度 、 时 间 、 最 大 应 变 量 及 精 度（ 3） 阻 值 选 择根 据 测 量 电 路 和 仪 器 选 定 标 称 电 阻（ 4） 尺 寸 考 虑试 件 表 面 、 应 力 分 布 、 粘 贴 面 积（ 5） 其 他 考 虑特 殊 用 途 、 恶 劣 环 境 、 高 精 度第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 29 2021/6/162、 应 变 计 的 使 用（ 1） 粘 结 剂 的 选 择 通 常 在 室 温 工 作 的 应 变 片 多 采 用 常 温 、 指 压固 化 条 件 的 粘 结 剂 如 聚 脂 树 脂 、 环 氧 树 脂 类 。（ 2） 应 变 计 的 粘 贴 准 备试 件 和 应 变 片 ； 涂 胶 ； 贴 片 ； 复 查 ； 接 线 ； 防 护 。第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors)2.4电 阻 应 变 计 的 应 用 30 2021/6/16 2.5 测 量 电 路工 作 原 理第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 31 2021/6/16第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors)应 变 电 桥直 流 电 桥 与 交 流 电 桥 直 流 电 桥 只 接 入 电 阻 交 流 电 桥 可 接 入 LC平 衡 电 桥 与 不 平 衡 电 桥等 臂 与 半 等 臂输 出 端 对 称 与 电 源 对 称2.5 测 量 电 路 32 2021/6/16第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge sensors)直 流 电 桥 及 其 输 出 特 性电 桥 平 衡 的 条 件 ：电 压 输 出 桥 的 输 出 特 性输 出 电 压 ：1 3 2 4R R R R 3 1 3 2 420 3 4 1 2 3 4 1 2( )R R R R RRU U UR R R R R R R R 1 42 3R RR R 2.5 测 量 电 路 33 2021/6/16第 2章 电 阻 应 变 计 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors)代 入 R：分 子 分 母 同 除 以 R1R3,并 略 去 高 阶 微 量 得 ：如 果 为 全 等 臂 电 桥 ， 则 ： 1 1 3 3 2 2 4 40 3 3 4 4 1 1 2 2R R R R R R R RU U R R R R R R R R 31 2 42 1 2 3 4 0 31 2 41 2 3 411 1 RR R RnU R R R RnU RR R Rnn R R R R 3 31 2 4 1 2 40 1 2 3 4 1 2 3 4114 2R RR R R R R RUU R R R R R R R R 2.5 测 量 电 路 34 2021/6/16第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors)可 简 写 为 ：如 果 只 有 一 个 臂 工 作 ， 如 R1， 则 ：因 此 ， 单 臂 电 桥 的 电 压 灵 敏 度 为 ： 31 2 40 1 2 3 41 2 3 44 4RR R RU UU KR R R R 11 10 1 1 1114 2 4 RUR RUU R R R 10 1 4u URS U R 2.5 测 量 电 路 35 2021/6/16第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors)和 差 特 性非 线 性 特 性 从 上 述 各 式 可 看 出 ， 只 有 R很 小 时 ， 桥 路 的 输 出 才为 线 性 31 2 40 1 2 3 44 RR R RUU R R R R 1 1 11 1 10 0 110 11114 2 4 24R R RU UR R RU U Ke RUU KR 2.5 测 量 电 路 36 2021/6/16第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 采 用 金 属 应 变 计 ， 减 小 R， 在 一 定 精 度 条 件 下 可 免去 补 偿 措 施 半 导 体 应 变 计 虽 然 灵 敏 度 高 ， 但 非 线 性 误 差 大非 线 性 补 偿 差 动 电 桥 补 偿 采 用 恒 流 源2.5 测 量 电 路 37 2021/6/16 一 .原 理 和 特 点 电 阻 应 变 计 有 两 方 面 的 应 用 ：一 是 作 为 敏 感 元 件 ， 直 接 用 于 被 测 试 件 的 应 变 测量 ；另 一 是 作 为 转 换 元 件 ， 通 过 弹 性 元 件 构 成 传 感 器 ，用 以 对 任 何 能 转 变 成 弹 性 元 件 应 变 的 其 它 物 理 量作 简 接 测 量 。第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors)2.6 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 38 2021/6/16用 作 传 感 器 的 应 变 计 ， 应 有 更 高 的 要 求 ， 尤 其 非 线 性误 差 要 小 ( 0.05% 0.1%F.S.)， 力 学 性 能 参 数 受 环 境温 度 影 响 小 ， 并 与 弹 性 元 件 匹 配 。应变计式传感器有如下应用特点：(1)应 用 和 测 量 范 围 广 。 用 应 变 计 可 制 成 各 种 机 械 量 传 感 器 ， 如 测 力 传 感 器 可测 10 107N压 力 传 感 器 可 测 103 10Pa， 加 速 度 传 感 器可 测 到 103级 m/s2。 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors)2.6 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 39 2021/6/16 (2)分 辨 力 (1 )和 灵 敏 度 高 ， 尤 其 是 用 半 导 体 应 变计 ， 灵 敏 度 可 达 几 十 mV/V； 精 度 较 高 (一 般 达 1%3%F.S.， 高 精 度 达 0.1% .01%F.S.)。(3)结 构 轻 小 ， 对 试 件 影 响 小 ； 对 复 杂 环 境 的 适 应 性 强 ，易 于 实 施 对 环 境 干 扰 的 隔 离 或 补 偿 ， 从 而 可 以 在 高 低 温 、高 压 、 高 速 、 强 磁 场 、 核 幅 射 等 特 殊 环 境 中 使 用 ； 频 率响 应 好 。 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors)2.6 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 40 2021/6/16(4)商 品 化 ， 选 用 和 使 用 都 方 便 ， 也 便 于 实 现 远 距 离 、自 动 化 测 量 。因 此 ， 目 前 传 感 器 的 种 类 虽 已 繁 多 ， 但 高 精 度 的 传 感 器仍 以 应 变 计 式 应 用 最 普 遍 。 它 广 泛 用 机 械 、 冶 金 、 石 油 、建 筑 、 交 通 、 水 利 和 宇 航 等 部 门 的 自 动 测 量 与 控 制 或 科学 实 验 中 ； 近 年 来 在 生 物 、 医 学 、 体 育 和 商 业 等 部 门 亦已 得 到 开 发 应 用 。 第 2章 电 阻 应 变 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors)2.6 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 41 2021/6/16第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors)二 .应 变 计 式 传 感 器 1.测 力 传 感 器 应 变 计 式 传 感 器 的 最 大 用 武 之 地 还 是 称 重 和测 力 领 域 。 这 种 测 力 传 感 器 的 结 构 由 应 变 计 、 弹性 元 件 和 一 些 附 件 所 组 成 。 视 弹 性 元 件 结 构 型 式(如 柱 形 、 筒 形 、 环 形 、 梁 式 、 轮 幅 式 等 )和 受 载性 质 (如 拉 、 压 、 弯 曲 和 剪 切 等 )的 不 同 ， 它 们 有许 多 种 类 。 2.6 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 42 2021/6/16第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors)2.压 力 传 感 器 压 力 传 感 器 主 要 用 来 测 量 流 体 的 压 力 。 视 其 弹 性 体 的结 构 形 式 有 单 一 式 和 组 合 式 之 分 。单 一 式 压 力 传 感 器 是 指 应 变 计 直 接 粘 贴 在 受 压 弹 性 膜片 或 筒 上 。 膜 片 式 应 变 压 力 传 感 器 的 结 构 、 应 力 分 布及 布 片 ， 与 固 态 压 阻 式 传 感 器 雷 同 (参 阅 2.6节 )。 图 2.22为 筒 式 应 变 压 力 传 感 器 。 图 中 (a)为 结 构 示意 ； (b)为 材 料 取 E和 的 厚 底 应 变 筒 ； (c)为 4片 应 变计 布 片 ,工 作 应 变 计 R1、 R3沿 筒 外 壁 周 向 粘 贴 ， 温 度 补偿 应 变 计 R2、 R4贴 在 筒 底 外 壁 ， 并 接 成 全 桥 。 当 应 变筒 内 壁 感 受 压 力 P时 ， 筒 外 壁 的 周 向 应 变 为 ： 2.6 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 43 2021/6/16第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 图 2.22为 筒 式 应 变 压 力 传 感 器 2.6 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 44 2021/6/16图 2.22 筒 式 应 变 压 力 传 感 器 (a)结 构 示 意 ； (b)筒 式 弹 性 元件 ； (c)应 变 计 布 片 1插 座 ； 2基 体 ； 3温 度 补 偿 应 变 计 ； 4工 作 应 变计 ； 5应 变 筒 对 厚 壁 筒 (2-39) 22 22t d PD d E 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors)2.6 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 45 2021/6/16 对 薄 壁 筒 (2-40) 2 t d PD d E 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors)2.6 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 46 2021/6/16组 合 式 压 力 传 感 器 则 由 受 压 弹 性 元 件 (膜 片 、 膜 盒 或波 纹 管 )和 应 变 弹 性 元 件 (如 各 种 梁 )组 合 而 成 。 前 者 承受 压 力 ， 后 者 粘 贴 应 变 计 。 两 者 之 间 通 过 传 力 件 传 递压 力 作 用 。 这 种 结 构 的 优 点 是 受 压 弹 性 元 件 能 对 流 体高 温 、 腐 蚀 等 影 响 起 到 隔 离 作 用 ， 使 应 变 计 具 有 良 好的 工 作 环 境 。第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors)2.6 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 47 2021/6/16 3.位 移 传 感 器应 变 式 位 移 传 感 器 是 把 被 测 位 移 量 转 变 成 弹 性 元 件 的 变形 和 应 变 ， 然 后 通 过 应 变 计 和 应 变 电 桥 ， 输 出 正 比 于 被 测位 移 的 电 量 。 它 可 用 来 近 测 或 远 测 静 态 与 动 态 的 位 移 量 。因 此 ， 既 要 求 弹 性 元 件 刚 度 小 ， 对 被 测 对 象 的 影 响 反 力 小 ，又 要 求 系 统 的 固 有 频 率 高 ， 动 态 频 响 特 性 好 。第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors)2.6 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 48 2021/6/16图 2.23(a)为 国 产 YW系 列 应 变 式 位 移 传 感 器 结 构 。 这 种 传感 器 由 于 采 用 了 悬 臂 梁 -螺 旋 弹 簧 串 联 的 组 合 结 构 ， 因 此它 适 用 于 较 大 位 移 (量 程 10 100mm)的 测 量 。 其 工 作 原理 如 图 2.23(b)所 示 。第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors)2.6 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 49 2021/6/16第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors) 图 2.23 YW型 应 变 式 位 移 传 感 器 (a)传 感 器 结 构 ； (b)工 作 原 理1测 量 头 ； 2弹 性 元 件 ； 3弹 簧 ； 4外 壳 ； 5测 量 杆 ； 6调 整 螺 母 ； 7应 变 计 2.6 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 50 2021/6/16 由 于 测 量 杆 位 移 d为 悬 臂 梁 端 部 位 移 量 d1和 螺旋 弹 簧 伸 长 量 d2之 和 。 由 材 料 力 学 可 知 ， 位 移 量 与贴 片 处 应 变 之 间 的 关 系 为 (2-41) 1 2d d d K 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors)上 式 表 明 ： d和 成 线 性 关 系 ， 其 比 例 系 数 K与 弹 性元 件 尺 寸 、 材 料 特 性 参 数 有 关 ； 通 过 4片 应 变 计 和应 变 仪 测 得 。2.6 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 51 2021/6/16 4.其 他 应 变 式 传 感 器 利 用 应 变 计 除 可 构 成 上 述 主 要 应 用 传 感 器 外 ， 还 可 构成 其 他 应 变 式 传 感 器 ， 如 通 过 质 量 块 与 弹 性 元 件 的 作 用 ，可 将 被 测 加 速 度 转 换 成 弹 性 应 变 ， 从 而 构 成 应 变 式 加 速 度传 感 器 。 如 通 过 弹 性 元 件 和 扭 矩 应 变 计 ， 可 构 成 应 变 式 扭矩 传 感 器 ， 等 等 。 应 变 式 传 感 器 结 构 与 设 计 的 关 键 是 弹 性体 型 式 的 选 择 与 计 算 ， 应 变 计 的 合 理 布 片 与 接 桥 。 第 2章 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 (Resistive Strain Gauge Sensors)2.6 电 阻 应 变 计 式 传 感 器 若 有 不 当 之 处 ， 请 指 正 ， 谢 谢 ！