1、应变片传感器应变片传感器电阻应变式传感器电阻应变式传感器01 压电式传感器压电式传感器02 电容式传感器电容式传感器03内容提要内容提要一、概述一、概述1.1.应用最广泛应用最广泛2.2.材料：金属、半导体材料：金属、半导体3.3.敏感机理：受力产生应变敏感机理：受力产生应变4.4.转换机理：应变转换为电阻转换机理：应变转换为电阻5.5.价廉、尺寸小、结构简单价廉、尺寸小、结构简单6.6.可靠性好、稳定性高可靠性好、稳定性高7.7.测量电路：桥式测量电路：桥式8.8.测量精度高测量精度高9.9.寿命长寿命长10.10.抗干扰能力差、非线性抗干扰能力差、非线性提问：什么是力？提问：什么是力？力是
2、改变物体状态的根本原因力是改变物体状态的根本原因二、应变效应二、应变效应工作原理工作原理变化变化应力（微观力）应力（微观力）1.1.理论基础理论基础在弹性限内，金属丝沿长度方向伸长时，径向尺在弹性限内，金属丝沿长度方向伸长时，径向尺寸缩小，反之亦然。轴向应变寸缩小，反之亦然。轴向应变t t与径向应变与径向应变r r有有以下关系：以下关系：r r=-=-t t。材料的材料的泊松比定律泊松比定律对半导体材料施加外力时，除了产生变形外，对半导体材料施加外力时，除了产生变形外，材料的电阻率也随着发生变化。材料的电阻率也随着发生变化。半导体材半导体材料的压阻料的压阻效应效应金属导线的电阻值与其导线长度金
3、属导线的电阻值与其导线长度l l成正比而与导线成正比而与导线截面积截面积s s成反比，即成反比，即金属导体金属导体电阻定律电阻定律2.2.应变效应分析应变效应分析由公式由公式 分析分析 可知，电阻相对变化量由两项组可知，电阻相对变化量由两项组成，一是由成，一是由产生应变的材料几何尺寸产生应变的材料几何尺寸的变化引起的变化引起的；二是由的；二是由电阻率变化引电阻率变化引起起的，对的，对金属系金属系主要为主要为前一项前一项，对，对半半导体材料导体材料主要为主要为后一项后一项三、结构和材料三、结构和材料1.1.组成组成 金属电阻应变片分为金属丝式和金属箔式两种。金属丝式电阻应变片。金属丝式电阻应变片
4、的基本结构图如图所示。由敏感栅1、基底2和盖层3、引线4和黏结剂几个基本部分组成。（a a）箔式单向应变片）箔式单向应变片 （b b）箔式转矩应变片）箔式转矩应变片 （c c）箔式压力应变片）箔式压力应变片 （d d）箔式花状应变片）箔式花状应变片 金属箔式应变片与金属丝式电阻应变片相比，有如下优金属箔式应变片与金属丝式电阻应变片相比，有如下优点：用光刻技术能制成各种复杂形状的敏感栅；横向效应点：用光刻技术能制成各种复杂形状的敏感栅；横向效应小；散热性好，允许通过较大电流，可提高相匹配的电桥小；散热性好，允许通过较大电流，可提高相匹配的电桥电压，从而提高输出灵敏度；疲劳寿命长，蠕变小；生产电压
5、，从而提高输出灵敏度；疲劳寿命长，蠕变小；生产效率高。效率高。但是，制造箔式应变片的电阻值的分散性要比丝式应但是，制造箔式应变片的电阻值的分散性要比丝式应变片的大，有的能相差几十欧姆，需要调整阻值。金属箔变片的大，有的能相差几十欧姆，需要调整阻值。金属箔式应变片因其一系列优点而将逐渐取代丝式应变片，并占式应变片因其一系列优点而将逐渐取代丝式应变片，并占主要地位。主要地位。2.2.材料材料（1 1）敏感栅）敏感栅 应变片最重要的组成部分，由某种金属细丝应变片最重要的组成部分，由某种金属细丝绕成栅形。一般用于制造的应变片的金属细丝直绕成栅形。一般用于制造的应变片的金属细丝直径为径为0.0150.0
6、5mm0.0150.05mm，电阻应变片的阻值为，电阻应变片的阻值为6060、120120、200200等各种规格，以等各种规格，以120120最为常用。应最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，栅长有变片栅长大小关系到所测应变的准确度，栅长有100mm100mm、200mm200mm及及1mm1mm、0.5mm0.5mm、0.2mm0.2mm等规格。等规格。（2 2）基底、盖片）基底、盖片 基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相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对位置；盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可以保护敏感栅。最早的基底和
7、盖片多位置，还可以保护敏感栅。最早的基底和盖片多用专门的薄纸制成，基底厚度一般为用专门的薄纸制成，基底厚度一般为0.020.04mm0.020.04mm（3 3）粘结剂）粘结剂 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；无机粘结剂用于高温。常温和中温；无机粘结剂用于高温。（4 4）引线）引线 它是从应变片的敏感栅中引出的细金属丝，常用直径约它是从应变片的敏感栅中引出的细金属丝，常用直径约0.10.15mm0.10.15mm的镀锡铜线或扁带形的其他金属材料制成。的镀锡铜线或扁带形的其他金属材料制成。四、主要参数四、主要
8、参数灵敏度系数（灵敏度系数（K K）横向效应横向效应机械滞后、零点漂移、蠕变机械滞后、零点漂移、蠕变应变极限和疲劳寿命应变极限和疲劳寿命五、基本应用电路五、基本应用电路 将电阻应变片粘贴于待测构件上，应变片将电阻应变片粘贴于待测构件上，应变片电阻将随构件应变而改变，将应变片电阻接入电阻将随构件应变而改变，将应变片电阻接入相应的电路中，使其转化为电流或电压输出，相应的电路中，使其转化为电流或电压输出，即可测出力值。通常将应变片接入电桥来实现即可测出力值。通常将应变片接入电桥来实现电阻至电压或电流的转换。电阻至电压或电流的转换。42RUERR 若使此电桥平衡，即若使此电桥平衡，即 ，只要，只要 。
9、一般我们取一般我们取 即可实现。现将即可实现。现将 换成电阻应变片，即组成半桥单臂电桥，随构件产换成电阻应变片，即组成半桥单臂电桥，随构件产生应变造成传感器电阻变化时，则生应变造成传感器电阻变化时，则0U04231RRRRRRRRR43211R因为因为RR,RR,所以所以电压灵敏度电压灵敏度为了提高输出电压灵敏度为了提高输出电压灵敏度可以采用半桥双臂或全桥电路可以采用半桥双臂或全桥电路（a）半桥双臂 （b）全桥电路 半桥双臂可使电压灵敏度比半桥单臂提高一倍，而全半桥双臂可使电压灵敏度比半桥单臂提高一倍，而全桥电路电压灵敏度又比半桥双臂电压灵敏度提高一倍。可桥电路电压灵敏度又比半桥双臂电压灵敏度
10、提高一倍。可见，见，利用全桥，并提高供电电压利用全桥，并提高供电电压E E，可提高灵敏度系数。，可提高灵敏度系数。六、温度补偿六、温度补偿 用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度的阻值受环境温度(包括被测试件的温度包括被测试件的温度)影响很大。影响很大。从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝应变片的电阻丝(敏感栅敏感栅)具有一定温度系数；具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。不是不是补补偿温度值，偿温度值，而是而是补偿在补偿在温度影响下温度影响下变化的输出变化的输出值，使输出值，使输出值回复正常值回复正常的方法。的方法。温度补偿温度补偿七、应用七、应用Fmaa 加速度传感器就是将被测加速度 通过一个悬臂梁将力转化成应变片的应力，从而达到测量加速度 的目的。aFma
