《传感原理与检测技术》课程教学课件（PPT讲稿）第2章 电阻应变式传感器 §2.1 金属电阻应变式传感器

第2章电阻应变式传感器通过应变片将被测弹性体物理量(如应变、力、位移、加速度、扭矩)转换应变片成电阻变化的器件称为电阻应变式传感器本章内容：学习金属电阻应变式传感器半导体压阻式传感器、电位计式传感器的工作原理、特点及应用。2009年9月浙江科技学院spruan@126.com

2009年9月 浙江科技学院spruan@126.com 1 第2章 电阻应变式传感器 通过应变片将被测 物理量(如应变、力、位 移、加速度、扭矩)转换 成电阻变化的器件称为 电阻应变式传感器 本章内容：学习金属电阻应变式传感器、 半导体压阻式传感器、电位计式传感器的 工作原理、特点及应用

62.1金属电阻应变式传感器应变式传感器的核心是应变片，即随输入的外力变化能发生相应的电阻变化的元件。82.1.1金属电阻应变片一.工作原理：基于均匀截面导体的电阻计算公式R=pSdRdl dsdp微分得：十一1SRpdsdr2二所以:因为 ： S = 元r2Sr2009年9月2浙江科技学院spruan@126.com

2009年9月 浙江科技学院spruan@126.com 2 § 2.1.1 金属电阻应变片 一.工作原理：基于均匀截面导体的电阻计算公式。 应变式传感器的核心是应变片，即随输入 的外力变化能发生相应的电阻变化的元件。 S l R =  微分得：  d S ds l dl R dR = − + 因为 ： S = r 2 所以： r dr S dS = 2 §2.1 金属电阻应变式传感器

dR dl.drdp2R1rp轴向应变：1x10-6mm/mm泊松比：径向变又: dr / r=-μ(dl /)=-μ化和轴向应变之比。径向应变dRdp(1 +2μ) +一Rp应变灵敏系数：dR/ Rdp/ pK:=(1+2μ)-二+dl / l82009年9月3浙江科技学院spruan@126.com

2009年9月 浙江科技学院spruan@126.com 3 得：  d r dr l dl R dR = − 2 + 令：  = dl /l 轴向应变：1x10-6 mm/mm 又： dr /r = −(dl / l) = − 径向应变 泊松比：径向变 化和轴向应变之 比。 应变灵敏系数：     / (1 2 ) / / d dl l dR R K = = + +     d R dR = (1+ 2 ) +

dR/ RdR/ Rdp/ pK=(1+2μ)+一二dl / l82电导率变化引起几何形状变化引起*金属为主*半导体中主要原因金属材料：K>2实验证明在应变极限内：弹性变形：μ：0.2~0.4,dR/R=Ke塑性变形：μ：0.5实际测量中，变化量很小，可认为：dR △R, dl △l,dp ~ △p2009年9月浙江科技学院spruan@126.com

2009年9月 浙江科技学院spruan@126.com 4      / (1 2 ) / / / dR R d dl l dR R K = = = + + 几何形状变化引起 *金属为主 电导率变化引起 *半导体中主要原因 金属材料：K > 2 弹性变形：μ：0.2~0.4, 塑性变形： μ：0.5 实验证明在应变极限内： dR/R=Kε 实际测量中，变化量很小，可认为： dR  R,dl  l,d  

把应变片粘贴在被测弹性试件上，当试件受力形变时，应变片的电阻发生变化可由 dR/R=Ke，计算出应变量大小;再由应力-应变关系： =E、得到应力的大小。应力应变弹性模量基片现盖层引线电阻丝式敏感栅2009年9月浙江科技学院spruan@126.com

2009年9月 浙江科技学院spruan@126.com 5 把应变片粘贴在被测弹性试件上，当试件受力形 变时，应变片的电阻发生变化。 可由 dR/R=Kε，计算出应变量大小； 再由应力-应变关系： σ = E ε 得到应力的大小。 应力 弹性模量 应变

二.应变片结构、材料和类型(P35)1.敏感栅感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有：丝式、箔式、薄膜式三种。1)金属丝式应变片回线式：横向效应较大短接式：克服横向效应6)2009年9月浙江科技学院spruan@126.com

2009年9月 浙江科技学院spruan@126.com 6 1.敏感栅（P35） 感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有： 丝式、 箔式、薄膜式三种。 二.应变片结构、材料和类型 1)金属丝式应变片 回线式：横向效应较大 短接式：克服横向效应

2）金属箔式应变片箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电阻箔材，利用照相制版或光刻技术，制成各种需要的形状。优点：①可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅：②与被测件粘结面积大；②散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；4横向效应小：③蠕变和机械滞后小，寿命长。缺点：电阻值的分散性大2009年9月浙江科技学院spruan@126.com

2009年9月 浙江科技学院spruan@126.com 7 2)金属箔式应变片 箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电阻 箔材，利用照相制版或光刻技术，制成各种需要的形状。 优点： ①可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅；②与被测件粘结 面积大；②散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度； ④横向效应小；⑥蠕变和机械滞后小，寿命长。 缺点：电阻值的分散性大

3)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0.1微米以下的金属申阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大存在问题：温度稳定性差2009年9月浙江科技学院spruan@126.com

2009年9月 浙江科技学院spruan@126.com 8 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0.1微米以下的金属电 阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大。 存在问题：温度稳定性差 3)金属薄膜应变片

常用敏感栅材料主要性能表2-1Ps最高使用温度apKs名称牌号及成分/C/(10-6/C)/(10-6mm/℃）(0.mm?/m)300（静态）15±201.9~2.1康铜0.45~0.52Ni45Cu55400（动态）450（静态）142.1~2.3110~1301.0~1.1镍铬合金Cr20Ni80800（动态）450（静态）6J2213.3±202.4~2.6卡玛1.24~1.42800（动态）Ni74C20Fe3A13450（静态）6J2313.3±202.4~2.6伊文1.24~1.42800（动态）Ni75C20A13Cu2550（静态）142.3~2.819~401.3~1.5铁铬铝合金Fe70Cr25A151000（动态）8.9800（静态）4~6Pt39000.09~0.11贵金属3.58.3~9.21000（动态）2270.68Pt92W82009年9月9浙江科技学院spruan@126.com

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2. 基底绝缘及传递应变。测量是应变片的基底提高粘结剂粘在试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。由薄纸、胶质膜等制成3.覆盖层保护作用。防湿、蚀、尘。4.引线连接电阻丝与测量电路，输出电参量。5.黏结剂敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结2009年9月10浙江科技学院spruan@126.com

2009年9月 浙江科技学院spruan@126.com 10 2. 基底 绝缘及传递应变。测量是应变片的基底提高粘结剂粘在 试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基 片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。 由薄 纸、胶质膜等制成。 3.覆盖层 保护作用。防湿、蚀、尘。 4.引线 连接电阻丝与测量电路，输出电参量。 5.黏结剂 敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结