《机械工程测试技术》课程教学资源（上课讲稿）07 电阻应变式传感器

电阻应变式传感器(讲稿)李江全石河子大学机电学院电气工程教研室

电阻应变式传感器 (讲 稿) 李江全 石河子大学机电学院电气工程教研室

目录一、概述1、含义2、组成二、电阻应变片1、组成2、类型3、主要参数4、测量原理5、工作特性6、贴片三、电桥电路1、电桥电路的作用2、应变片工作电桥的转换工作原理3、电桥加减特性4、应变片排列和接桥的基本原则四、应变电测法1、基本原理2、应变电测系统组成3、电阻应变测量法的主要优缺点五、电阻应变式传感器的特点及应用

目 录 一、概述 1、含义 2、组成 二、电阻应变片 1、组成 2、类型 3、主要参数 4、测量原理 5、工作特性 6、贴片 三、电桥电路 1、电桥电路的作用 2、应变片工作电桥的转换工作原理 3、电桥加减特性 4、应变片排列和接桥的基本原则 四、应变电测法 1、基本原理 2、应变电测系统组成 3、电阻应变测量法的主要优缺点 五、电阻应变式传感器的特点及应用

补充问题1、对电阻丝材料有哪些要求？常用的电阻丝材料有哪几种？2、对基底和盖片的材料有哪些要求？常用的有哪几种材料？3、对引线材料有哪些要求？常用什么材料？4、对粘结剂的质量要求有哪些？常用的粘结剂有哪几种？5、应变片敏感栅的结构型式与横向效应有何关系？6、绝缘电阻过小对测试有何影响？7、为什么要进行应变片的防潮保护？怎样进行？8、对保护涂料的要求有哪些？9、影响应变片粘贴质量的因素有哪些？10、串、并联应变片能否增加电桥的输出？对电桥输出有何影响？11、电桥的非线是怎样产生的？它对测量有何影响？如何改善电桥的非线性？12、为什么应变式传感器大多采用交流不平衡电桥为测量电路？13、制作应变式传感器应注意哪些主要问题？14、电阻应变式传感器在运用时应注意哪些问题？15、造成应变片测量误差的主要因素有哪些？

补充问题 1、对电阻丝材料有哪些要求？常用的电阻丝材料有哪几种？ 2、对基底和盖片的材料有哪些要求？常用的有哪几种材料？ 3、对引线材料有哪些要求？常用什么材料？ 4、对粘结剂的质量要求有哪些？常用的粘结剂有哪几种？ 5、应变片敏感栅的结构型式与横向效应有何关系？ 6、绝缘电阻过小对测试有何影响？ 7、为什么要进行应变片的防潮保护？怎样进行？ 8、对保护涂料的要求有哪些？ 9、影响应变片粘贴质量的因素有哪些？ 10、串、并联应变片能否增加电桥的输出？对电桥输出有何影响？ 11、电桥的非线是怎样产生的？它对测量有何影响？如何改善电桥 的非线性？ 12、为什么应变式传感器大多采用交流不平衡电桥为测量电路？ 13、制作应变式传感器应注意哪些主要问题？ 14、电阻应变式传感器在运用时应注意哪些问题？ 15、造成应变片测量误差的主要因素有哪些？

一、概述1、含义电阻应变传感器是将被测非电量通过应变片所产生的弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。2、组成电阻应变传感器由电阻应变片、测量线路及弹性元件等部分组成。1）弹性元件是直接感受被测量，并通过其弹性变形引起粘贴其上的应变片的应变发生变化。弹性元件是传感器的关键，任何物理量，只要能通过弹性元件将它变换成应变的相应变化，都可能利用应变片进行测量。为简便起见，有时也可在机器的原来另件上粘贴应变片进行测量，不需设专门的弹性元件。2）电阻应变片是一种能将被测试件上的应变变化转换成电阻变化的传感无件。它粘贴在弹性元件上。3）测量线路（转换电路）进一步将应变片的电阻变化再转换成电压或电流的变化，以便显示或记录被测非电量的大小。一般为电桥电路。42其它附件。如：补偿元件、防护罩、接线插座等。二、电阻应变片电阻应变片（简称应变片或电阻片），又称为电阻应变计、粘贴式电阻变换器等。1、组成常用的电阻丝式应变片由下面几个部分组成：1）敏感栅（电阻丝）

一、概述 1、含义 电阻应变传感器是将被测非电量通过应变片所产生的弹性变形转换成电阻 变化的敏感元件。 2、组成 电阻应变传感器由电阻应变片、测量线路及弹性元件等部分组成。 1）弹性元件 是直接感受被测量，并通过其弹性变形引起粘贴其上的应变片的应变发生 变化。 弹性元件是传感器的关键，任何物理量，只要能通过弹性元件将它变换成 应变的相应变化，都可能利用应变片进行测量。 为简便起见，有时也可在机器的原来另件上粘贴应变片进行测量，不需设 专门的弹性元件。 2）电阻应变片 是一种能将被测试件上的应变变化转换成电阻变化的传感无件。 它粘贴在弹性元件上。 3）测量线路（转换电路） 进一步将应变片的电阻变化再转换成电压或电流的变化，以便显示或记录 被测非电量的大小。 一般为电桥电路。 4）其它附件。 如：补偿元件、防护罩、接线插座等。 二、电阻应变片 电阻应变片（简称应变片或电阻片），又称为电阻应变计、粘贴式电阻变 换器等。 1、组成 常用的电阻丝式应变片由下面几个部分组成： 1）敏感栅（电阻丝）

是应变片最重要的组成部分，是敏感元件，它将机械应变转换为电阻的变化。2）基底和盖片。应变片的电阻丝粘贴在基底上，上面再贴着盖片。基底：保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置（即定位），并保证敏感部分和试件的绝缘，还将试件表面变形传递给电阻丝。盖片：既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，又保护电阻丝。3）引线。从应变片的敏感栅中引出的细金属线，连接测量导线用。4）粘结剂。用于将敏感栅固定于基底上和将盖层与基底粘结在一起。2、类型常用的应变片有电阻丝式、金属箔式和半导体式三种。1）电阻丝式：工作原理：基于电阻丝的应变效应。灵敏系数K较小，输出小，横向效应大：受温度影响小，非线性误差小。根据电阻丝的形状可分为线绕式和短接式。线绕式：制造工艺简单，成本低，但横向效应大：短接式：横向效应小，传递变形好，但制造困难。按基底材质又可分为纸基的、纸浸胶基的、胶基的儿种。纸基应变片：制造简单，易于粘贴，价格低，但耐热性和耐潮性不好，多在短期的室内试验中用。纸浸胶基应变片：使用温度可提高，抗潮湿性也较好，绝缘性好，可以长期使用，蠕变、滞后小。胶基片：性能基本上和纸浸胶基的相同。2）箔式应变片：优点：粘贴牢固，蠕变小，横向效应小，可提高测量精度：散热好，充许流过较大的电流，可以输出较强的信号，提高了测量灵敏度：使用范围广，疲

是应变片最重要的组成部分，是敏感元件，它将机械应变转换为电阻的变 化。 2）基底和盖片。 应变片的电阻丝粘贴在基底上，上面再贴着盖片。 基底：保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置（即定位），并保证敏感 部分和试件的绝缘，还将试件表面变形传递给电阻丝。 盖片：既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，又保护电阻丝。 3）引线。 从应变片的敏感栅中引出的细金属线，连接测量导线用。 4）粘结剂。 用于将敏感栅固定于基底上和将盖层与基底粘结在一起。 2、类型 常用的应变片有电阻丝式、金属箔式和半导体式三种。 1）电阻丝式： 工作原理：基于电阻丝的应变效应。 灵敏系数 K 较小，输出小，横向效应大；受温度影响小，非线性误差小。 根据电阻丝的形状可分为线绕式和短接式。 线绕式：制造工艺简单，成本低，但横向效应大； 短接式：横向效应小，传递变形好，但制造困难。 按基底材质又可分为纸基的、纸浸胶基的、胶基的几种。 纸基应变片：制造简单，易于粘贴，价格低，但耐热性和耐潮性不好，多 在短期的室内试验中用。 纸浸胶基应变片：使用温度可提高，抗潮湿性也较好，绝缘性好，可以长 期使用，蠕变、滞后小。 胶基片：性能基本上和纸浸胶基的相同。 2）箔式应变片： 优点：粘贴牢固，蠕变小，横向效应小，可提高测量精度；散热好，允许 流过较大的电流，可以输出较强的信号，提高了测量灵敏度；使用范围广，疲

劳寿命高；便于批量生产，生产率高；缺点：生产工序复价，价格贵，不适于高温环境下测量。3）半导体应变片工作原理：基于半导体材料的压阻效应。对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，其电阻率随应力而发生变化的现象称为半导体的压阻效应。优点：灵敏系数高，可测微小应变；机械滞后小，横向效应小，体积小。缺点：应变片的电阻值受温度影响大（温度稳定性差），灵敏系数的温度稳定性差，在大应变作用下，灵敏系数的非线性较大。电阻应变片种类多，选用时一般可从下面几个因素来考虑：1）测量时的环境条件：如温度、湿度、压力、有无腐蚀性、可燃性等。2）被测试件的受力状态：如应变梯度、应变性质、应变值的范围等。3）被测试件的材料性质。4）应变片的类型、几何尺寸、阻值、灵敏系数等选择。3、主要参数1）几何参数：标距（栅长）1、基宽b，使用面积b.1。2）电阻值：指应变片没有安装，也不受外力时，在室温下测定的电阻值。应变片的标准名义电阻值（公称电阻值），通常为60、120、250、600、1000欧等，其中以1202最常用，应变片包装盒上所标注的电阻值，可用公称电阻值及公差表示，如：120.5土0.24欧姆。3）灵敏系数K：包装盒上一般是用平均名义灵敏系数值及相对均方根误差来标注的。应变片的规格，一般用使用面积和电阻值来表示。4、测量原理电阻丝式应变片测量应变的原理是基于电阻丝的应变效应，即：电阻丝的电阻值随其变形而发生改变的现象称为电阻丝的应变效应。当金属细丝由于受拉而伸长时，其长度增大，截面积减小，电阻丝的电阻

劳寿命高；便于批量生产，生产率高； 缺点：生产工序复价，价格贵，不适于高温环境下测量。 3）半导体应变片 工作原理：基于半导体材料的压阻效应。 对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，其电阻率随 应力而发生变化的现象称为半导体的压阻效应。 优点：灵敏系数高，可测微小应变；机械滞后小，横向效应小，体积小。 缺点：应变片的电阻值受温度影响大（温度稳定性差），灵敏系数的温度 稳定性差，在大应变作用下，灵敏系数的非线性较大。 电阻应变片种类多，选用时一般可从下面几个因素来考虑： 1）测量时的环境条件：如温度、湿度、压力、有无腐蚀性、可燃性等。 2）被测试件的受力状态：如应变梯度、应变性质、应变值的范围等。 3）被测试件的材料性质。 4）应变片的类型、几何尺寸、阻值、灵敏系数等选择。 3、主要参数 1）几何参数：标距（栅长） l 、基宽 b ，使用面积 b l 。 2）电阻值：指应变片没有安装，也不受外力时，在室温下测定的电阻值。 应变片的标准名义电阻值（公称电阻值），通常为 60、120、250、600、 1000 欧等，其中以 120  最常用，应变片包装盒上所标注的电阻值，可用公称 电阻值及公差表示，如：120.5±0.24 欧姆。 3）灵敏系数 K ：包装盒上一般是用平均名义灵敏系数值及相对均方根误 差来标注的。 应变片的规格，一般用使用面积和电阻值来表示。 4、测量原理 电阻丝式应变片测量应变的原理是基于电阻丝的应变效应，即： 电阻丝的电阻值随其变形而发生改变的现象称为电阻丝的应变效应。 当金属细丝由于受拉而伸长时，其长度增大，截面积减小，电阻丝的电阻

值就增大：反之，如果电阻丝因受压力而缩短，则电阻值就减小。L可推导出：由R=p-A应变和电阻变化之间的数学关系为：AR=K.ER式中：K。一一电阻丝的应变灵敏数此式表明了电阻的相对变化率与应变成正比，它们之间呈线性关系。根据电阻丝的应变效应，使用时可将应变片粘贴于被测试件（弹性元件的表面上，当试件因受力变形时，电阻丝与弹性元件同时变形，引起应变片电阻值发生变化，通过测量应变片阻值的变化就可得知试件的变形量。然后根据被测量与变形量（应变）的比例关系求出被测量的值。凡是能通过弹性元件和应为建立一定关系的物理量和可用电阻应变传感器测量。5、工作特性1）应变传递特性如何使被测试件表面变形准确地传递给应变片是应变片测量的关键之一。实验表明：贴在试件上的应变片的电阻丝基本上可以和试件一起变形，应变片电阻丝的变形能够真实地反映被测试件的变形。为此，应变片的粘贴质量、粘贴方位很重要。2）应变片的灵敏系数（1）电阻丝的灵敏系数在进行电阻丝应变与阻值变化的数学关系推导中：△RR=(1+2u+0/e)可得：L=K.8PAR/AplP就是电阻丝的灵敏系数。/R=1+2μ+其中：K。=N/1/

值就增大；反之，如果电阻丝因受压力而缩短，则电阻值就减小。 由 A L R =  ，可推导出： 应变和电阻变化之间的数学关系为：  K0 R R =  式中： K0——电阻丝的应变灵敏数 此式表明了电阻的相对变化率与应变成正比，它们之间呈线性关系。 根据电阻丝的应变效应，使用时可将应变片粘贴于被测试件（弹性元件） 的表面上，当试件因受力变形时，电阻丝与弹性元件同时变形，引起应变片电 阻值发生变化，通过测量应变片阻值的变化就可得知试件的变形量。 然后根据被测量与变形量（应变）的比例关系求出被测量的值。 凡是能通过弹性元件和应为建立一定关系的物理量和可用电阻应变传感器 测量。 5、工作特性 1）应变传递特性 如何使被测试件表面变形准确地传递给应变片是应变片测量的关键之一。 实验表明：贴在试件上的应变片的电阻丝基本上可以和试件一起变形，应 变片电阻丝的变形能够真实地反映被测试件的变形。 为此，应变片的粘贴质量、粘贴方位很重要。 2）应变片的灵敏系数 （1）电阻丝的灵敏系数 在进行电阻丝应变与阻值变化的数学关系推导中： 可得：     0 ) / / (1 2 K l l R l l R =    = + +  其中： l l l l R R K / / 0 1 2   = + +   =    就是电阻丝的灵敏系数

由此可知：K。受两个因素的影响一是（1+2u），它是由电阻丝几何尺寸（长度、截面积）变化引起的，对某种材料来说它是常数；另一个是el，它是由电阻丝的电阻率随应变的改变所引起的， /对于多数的电阻丝，其值也是常数，往往甚小，可以忽略。即：K~1+2μ=常数K。值一般无法由计算得到，通过实验得出，不同电阻丝材料的K值在较大的范围内变化，一般K值在1.6S2.0之间。对于每一种电阻丝在一定的变形范围内，无论受拉或受压，应变灵敏系数保持不变，当超出某一范围时，K。值将发生变化（2）应变片的灵敏系数按电阻丝应变效应数学公式可以导出应变片电阻输出与应变关系为：ARR=K·或AR=K··R。式中：K一一称为应变片的灵敏系数K=AR/R表表示单位应变所产生的应变片的电阻相对变化。在应变片轴线方向的单向应力作用下，应变片电阻的相对变化与试件表面安装应变片部位轴向应变的比值称为应变片的灵敏系数。当电阻丝绕成栅状做成应变片时，其灵敏系数K小于电阻丝的灵敏系数K。，这是因为：一是因应变片的力传递特性，敏感栅端部有两a段不变形，没有引起电阻的变化。（胶层传递应变失真）二是横向效应结果，抵消无应力的部分输出，使应变片的总电阻变化量减小。（3）横向效应应变片粘贴在试件表面上，在单向受力状态下，线栅直线段感受主应力方

由此可知： K0 受两个因素的影响： 一是（1+2  ），它是由电阻丝几何尺寸（长度、截面积）变化引起的，对 某种材料来说它是常数； 另一个是 l / l /    ，它是由电阻丝的电阻率随应变的改变所引起的， 对于多数的电阻丝，其值也是常数，往往甚小，可以忽略。 即： K0 ≈1+2  =常数 K0 值一般无法由计算得到，通过实验得出，不同电阻丝材料的 K 值在较大 的范围内变化，一般 K 值在 1.6∽2.0 之间。 对于每一种电阻丝在一定的变形范围内，无论受拉或受压，应变灵敏系数 保持不变，当超出某一范围时， K0 值将发生变化。 （2）应变片的灵敏系数 按电阻丝应变效应数学公式可以导出应变片电阻输出与应变关系为： R/ R = K  或 R = K   R。 式中： K ——称为应变片的灵敏系数  R R K  / = 表示单位应变所产生的应变片的电阻相对变化。 在应变片轴线方向的单向应力作用下，应变片电阻的相对变化与试件表面 安装应变片部位轴向应变的比值称为应变片的灵敏系数。 当电阻丝绕成栅状做成应变片时，其灵敏系数 K 小于电阻丝的灵敏系数 K0 ，这是因为： 一是因应变片的力传递特性，敏感栅端部有两 a 段不变形，没有引起电阻 的变化。（胶层传递应变失真） 二是横向效应结果，抵消无应力的部分输出，使应变片的总电阻变化量减 小。 （3）横向效应 应变片粘贴在试件表面上，在单向受力状态下，线栅直线段感受主应力方

向应变8，引起电阻值增加：而应变片线栅圆弧段则感受横向应变-u8，使电阻值变小，即横向部分的线栅与轴向部分产生的电阻变化符号相反，使应变片的总电阻变化量减小，此种现象，称为应变片的横向效应。一般情况下，横向效应引起的误差是不大的，随着应变片结构的改进，使横向效应对测量结果的影响越来越小，如使用薄式应变片时，横向效应的影响可不予考虑，但在进行精度较高的应变测量时，应考虑横向效应对测量带来的误差，要对测得的应变值进行修正。3）应变片的温度特性（1）应变片的热输出贴在试件上的应变片，由于环境温度变化而引起电阻变化，将使输出应变与温度成比例的变化，这种现象称为应变片的热输出。（2）热输出产生的原因主要有两个：一是应变片的电阻丝材料本身的特性（电阻温度系数α）引起的电阻变化△Ra:AR=R。-α△t二是由于电阻丝材料与被测试件材料的线膨胀系数β不同而产生的附加变形引起应变片电阻变化△R，。AR,=R。K(β-β)·At则由于环境温度变化△t℃时，应变片总电阻变化为：AR, =△R +△R,= Rα·+R,K(β-β)·= R[α+ K(β-β)]-△（3）温度补偿粘贴在试件上的应变片，仅当环境温度变化时就会引起应变片电阻的变化AR，它往往很大，甚至超过测量值，对测量造成误差，因此必须消除其影响。在桥路输出中，消除因温度影响而造成的误差，或对它进行修正，以求出仅由应变引起的电桥输出的方法叫温度补偿

向应变  ，引起电阻值增加；而应变片线栅圆弧段则感受横向应变-  ，使电 阻值变小，即横向部分的线栅与轴向部分产生的电阻变化符号相反，使应变片 的总电阻变化量减小，此种现象，称为应变片的横向效应。 一般情况下，横向效应引起的误差是不大的，随着应变片结构的改进，使 横向效应对测量结果的影响越来越小，如使用薄式应变片时，横向效应的影响 可不予考虑，但在进行精度较高的应变测量时，应考虑横向效应对测量带来的 误差，要对测得的应变值进行修正。 3）应变片的温度特性 （1）应变片的热输出 贴在试件上的应变片，由于环境温度变化而引起电阻变化，将使输出应变 与温度成比例的变化，这种现象称为应变片的热输出。 （2）热输出产生的原因 主要有两个： 一是应变片的电阻丝材料本身的特性（电阻温度系数  ）引起的电阻变化 R： R = R  t  0 二是由于电阻丝材料与被测试件材料的线膨胀系数  不同而产生的附加 变形引起应变片电阻变化 Rf 。 ( ) t Rf = R0  K  试 −  丝  则由于环境温度变化 t ℃时，应变片总电阻变化为： R K t R t R K t Rt R Rf = + −   =    + −    =  +  [ ( )] ( ) 0 0 0 试 丝 试 丝        （3）温度补偿 粘贴在试件上的应变片，仅当环境温度变化时就会引起应变片电阻的变化 Rt ，它往往很大，甚至超过测量值，对测量造成误差，因此必须消除其影响。 在桥路输出中，消除因温度影响而造成的误差，或对它进行修正，以求出 仅由应变引起的电桥输出的方法叫温度补偿

常用温度补偿的措施有两种：一是桥路补偿法：利用电桥相邻臂电阻变化自动加减的特性来补偿，此法适用于半桥和全桥。二是应变片自补偿：即使用温度自补偿应变片，有两种形式：1）组合式自补偿应变片；2）选择式自补偿应变片。另外，还有热敏电阻法等。4）其它工作特性（1）直线性指试件所产生的应变和电阻变化△R/R之间的线性关系。一般使用的以康铜为材料制成的应变片，在弹性和塑性两区域内，都有良好的直线性。粘贴质量不好，应变较大时会出现非线性，特别是半导体应变片。（2）机械滞后指对于已安装的应变片，在环境温度保持恒定时，加载和卸载过程中同一载荷下指示应变的差数。（3）热滞后指对于已安装的应变片，试件可以自由膨胀并不受外力作用，在室温和极限工作温度之间增加与减少温度，同一温度下指示应变的差数。（4）零点漂移对于已安装的应变片，在环境温度保持恒定，试件不受力的条件下，指示应变随时间的变化。（5）蠕变（）对于已安装的应变片，在温度恒定，当试件承受静载产生某一恒定应变后，在一段时间内，指示应变随时间的变化。（6）应变极限对于已安装的应变片，在环境温度保持恒定，对应变片连续进行加载时，指示应变和真实应变的差值不超过规定数值的最大真实应变值称为应变片的应变极限。（7）疲劳寿命（N）

常用温度补偿的措施有两种： 一是桥路补偿法：利用电桥相邻臂电阻变化自动加减的特性来补偿，此法 适用于半桥和全桥。 二是应变片自补偿：即使用温度自补偿应变片，有两种形式：1）组合式 自补偿应变片；2）选择式自补偿应变片。 另外，还有热敏电阻法等。 4）其它工作特性 （1）直线性 指试件所产生的应变和电阻变化 R/ R 之间的线性关系。 一般使用的以康铜为材料制成的应变片，在弹性和塑性两区域内，都有良 好的直线性。粘贴质量不好，应变较大时会出现非线性，特别是半导体应变片。 （2）机械滞后 指对于已安装的应变片，在环境温度保持恒定时，加载和卸载过程中同一 载荷下指示应变的差数。 （3）热滞后 指对于已安装的应变片，试件可以自由膨胀并不受外力作用，在室温和极 限工作温度之间增加与减少温度，同一温度下指示应变的差数。 （4）零点漂移 对于已安装的应变片，在环境温度保持恒定，试件不受力的条件下，指示 应变随时间的变化。 （5）蠕变（  ） 对于已安装的应变片，在温度恒定，当试件承受静载产生某一恒定应变后， 在一段时间内，指示应变随时间的变化。 （6）应变极限 对于已安装的应变片，在环境温度保持恒定，对应变片连续进行加载时， 指示应变和真实应变的差值不超过规定数值的最大真实应变值称为应变片的应 变极限。 （7）疲劳寿命（N）