电阻应变式传感器测量的应变一般较小，输出电阻的变化也较小，一般为5×10－4～10－1 Ω，要把这样微小的电阻变化测量出来，通常采用桥式测量电路。4个桥臂均为纯电阻时，用直流电桥测量精确度高；若有桥臂为阻抗时，必须用交流电桥。此时全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单臂工作时的4倍，同时仍具有温度补偿作用。......
2023-06-22
电阻应变式传感器：结构简单、性能稳定、价格优惠的测量器件
【摘要】：电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。应变式传感器资源电阻应变式传感器概述电阻应变式传感器是利用导体或半导体材料的应变效应制成的一种测量器件。电阻应变式传感器结构简单、尺寸小、重量轻、使用方便、性能稳定可靠、分辨率高、灵敏度高、价格又便宜、工艺较成熟。由于上述一系列优点，所以金属电阻应变片使用范围日益广泛，有逐渐取代丝式应变片的趋势。
电阻传感器中的电阻应变式传感器应用十分广泛，主要应用可分两大类：其一是将应变片直接粘贴在被测试件上，测量应力或应变；其二是与弹性元件连用，测量力、压力、位移、速度、加速度等物理量。其应用如案例中列举的电子秤和图3－9所示的冲床计数等。
图3－9 冲床
图3－9 冲床
应变式传感器资源
（1）电阻应变式传感器概述
电阻应变式传感器是利用导体或半导体材料的应变效应制成的一种测量器件。用于测量微小的机械变化量，在结构强度实验中，它是测量应变的最主要的手段，也是目前测量应力、应变、力矩、压力、加速度等物理量应用最广泛的传感器之一。
电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。用应变片测量应变时，将应变片粘贴在试件表面。当试件受力变形后，应变片上的电阻也随之变形，从而使应变片电阻值发生变化，通过测量转换电路最终转换成电压或电流的变化。
电阻应变式传感器结构简单、尺寸小、重量轻、使用方便、性能稳定可靠、分辨率高、灵敏度高、价格又便宜、工艺较成熟。因此，电阻应变式传感器在航空航天、机械、化工、建筑、医学、汽车工业等领域有很广的应用。
（2）应变片
应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器，是常用的传感器之一。应变式传感器的核心元件是电阻应变计（应变片）。
应变式传感器资源
（1）电阻应变式传感器概述
电阻应变式传感器是利用导体或半导体材料的应变效应制成的一种测量器件。用于测量微小的机械变化量，在结构强度实验中，它是测量应变的最主要的手段，也是目前测量应力、应变、力矩、压力、加速度等物理量应用最广泛的传感器之一。
电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。用应变片测量应变时，将应变片粘贴在试件表面。当试件受力变形后，应变片上的电阻也随之变形，从而使应变片电阻值发生变化，通过测量转换电路最终转换成电压或电流的变化。
电阻应变式传感器结构简单、尺寸小、重量轻、使用方便、性能稳定可靠、分辨率高、灵敏度高、价格又便宜、工艺较成熟。因此，电阻应变式传感器在航空航天、机械、化工、建筑、医学、汽车工业等领域有很广的应用。
（2）应变片
应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器，是常用的传感器之一。应变式传感器的核心元件是电阻应变计（应变片）。
应变效应
导体或半导体材料在外界作用下（如压力等），会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。
如图3－10所示，悬臂梁在力的作用下使应变片发生机械变形。电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化的现象。
应变效应
导体或半导体材料在外界作用下（如压力等），会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。
如图3－10所示，悬臂梁在力的作用下使应变片发生机械变形。电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化的现象。
图3－10 应变片的机械变形
如图3－11所示，金属丝电阻应变片由敏感栅、基底、覆盖层和引出线组成。
图3－10 应变片的机械变形
如图3－11所示，金属丝电阻应变片由敏感栅、基底、覆盖层和引出线组成。
图3－11 金属丝电阻应变片的结构
1—电阻丝；2—基底；3—覆盖层；4—引出线；5—焊接点
敏感栅：感受应变，并将其转换为电阻的变化。
基底和覆盖层：固定和保护敏感栅，使敏感栅与试件绝缘，并传递试件变形给敏感栅。
引出线：将敏感栅的电阻变化引出到测量电路中。
常用的应变片有两大类：一类是金属电阻应变片；另一类是半导体应变片。
金属电阻应变片有丝式应变片和箔式应变片等。箔式应变片的优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，故允许通过较大的电流，并可做成任意形状，便于大量生产。由于上述一系列优点，所以金属电阻应变片使用范围日益广泛，有逐渐取代丝式应变片的趋势。图3－12所示的是各式箔式电阻应变片。
图3－11 金属丝电阻应变片的结构
1—电阻丝；2—基底；3—覆盖层；4—引出线；5—焊接点
敏感栅：感受应变，并将其转换为电阻的变化。
基底和覆盖层：固定和保护敏感栅，使敏感栅与试件绝缘，并传递试件变形给敏感栅。
引出线：将敏感栅的电阻变化引出到测量电路中。
常用的应变片有两大类：一类是金属电阻应变片；另一类是半导体应变片。
金属电阻应变片有丝式应变片和箔式应变片等。箔式应变片的优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，故允许通过较大的电流，并可做成任意形状，便于大量生产。由于上述一系列优点，所以金属电阻应变片使用范围日益广泛，有逐渐取代丝式应变片的趋势。图3－12所示的是各式箔式电阻应变片。
图3－12 各式箔式电阻应变片
半导体应变片的结构如图3－13所示。它的使用方法与电阻丝式相同，即粘贴在被测物上，随被测物的应变，其电阻发生相应变化。
图3－12 各式箔式电阻应变片
半导体应变片的结构如图3－13所示。它的使用方法与电阻丝式相同，即粘贴在被测物上，随被测物的应变，其电阻发生相应变化。
图3－13 半导体应变片的结构
1—半导体敏感条；2—基底；3—引线；4—引线连接片；5—内引线
半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。半导体应变片的主要优点是灵敏度高（灵敏度比金属丝式、箔式大几十倍），主要缺点是灵敏度的一致性差、温漂大，电阻与应变间非线性严重。在使用时，需采用温度补偿及非线性补偿措施。
应变片的粘贴是应变测量的关键之一，它涉及被测表面的变形能否正确地传递给应变片。粘贴所用的黏合剂必须与应变片材料和试件材料相适应，并要遵循正确的粘贴工艺。现将粘贴工艺简述如下：
①试件的表面处理；
②确定贴片位置；
③黏贴；
④固化；
⑤黏贴质量检查；
⑥引线的焊接与防护。
（3）测量转换电路
根据不同的要求，应变电桥有不同的工作方式，如图3－14所示。
1）单臂半桥工作方式
R1为应变片，其余各臂为固定电阻。
图3－13 半导体应变片的结构
1—半导体敏感条；2—基底；3—引线；4—引线连接片；5—内引线
半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。半导体应变片的主要优点是灵敏度高（灵敏度比金属丝式、箔式大几十倍），主要缺点是灵敏度的一致性差、温漂大，电阻与应变间非线性严重。在使用时，需采用温度补偿及非线性补偿措施。
应变片的粘贴是应变测量的关键之一，它涉及被测表面的变形能否正确地传递给应变片。粘贴所用的黏合剂必须与应变片材料和试件材料相适应，并要遵循正确的粘贴工艺。现将粘贴工艺简述如下：
①试件的表面处理；
②确定贴片位置；
③黏贴；
④固化；
⑤黏贴质量检查；
⑥引线的焊接与防护。
（3）测量转换电路
根据不同的要求，应变电桥有不同的工作方式，如图3－14所示。
1）单臂半桥工作方式
R1为应变片，其余各臂为固定电阻。
图3－14 直流电桥测量转换电路
（a）单臂半桥；（b）双臂半桥；（c）全桥
2）双臂半桥工作方式
R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。应变片R1、R2感受到的应变ε1、ε2以及产生的电阻增量正负号相间，可以使输出电压U0成倍地增大。
3）全桥工作方式
全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1～R4产生的电阻增量（或感受到的应变ε1～ε4）正负号相间，就可以使输出电压U0成倍地增大。
上述3种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，单臂半桥工作方式的灵敏度最低。
在实际应用时，应尽量采用双臂半桥或全桥的工作方式，这不仅是因为这两种工作方式的灵敏度较高，还因为它们都具有实现温度自补偿的功能。当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移大小一致，从而减小因桥路的温漂而带来的测量误差。
（4）电阻应变式传感器的种类及应用
1）测力传感器
应变片式传感器的最大用武之地还是称重和测力领域，如图3－15所示。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。视弹性元件结构形式（如柱形、筒形、环形、梁式、轮辐式等）和受载性质（如拉、压、弯曲和剪切等）的不同，它们有许多种类。
例如，图3－16所示的电子秤，将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。
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。
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。
图3－14 直流电桥测量转换电路
（a）单臂半桥；（b）双臂半桥；（c）全桥
2）双臂半桥工作方式
R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。应变片R1、R2感受到的应变ε1、ε2以及产生的电阻增量正负号相间，可以使输出电压U0成倍地增大。
3）全桥工作方式
全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1～R4产生的电阻增量（或感受到的应变ε1～ε4）正负号相间，就可以使输出电压U0成倍地增大。
上述3种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，单臂半桥工作方式的灵敏度最低。
在实际应用时，应尽量采用双臂半桥或全桥的工作方式，这不仅是因为这两种工作方式的灵敏度较高，还因为它们都具有实现温度自补偿的功能。当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移大小一致，从而减小因桥路的温漂而带来的测量误差。
（4）电阻应变式传感器的种类及应用
1）测力传感器
应变片式传感器的最大用武之地还是称重和测力领域，如图3－15所示。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。视弹性元件结构形式（如柱形、筒形、环形、梁式、轮辐式等）和受载性质（如拉、压、弯曲和剪切等）的不同，它们有许多种类。
例如，图3－16所示的电子秤，将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。
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。
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。
图3－15 电阻应变式传感器测力及称重简图
图3－15 电阻应变式传感器测力及称重简图
图3－16 电子秤
3）位移传感器
应变式位移传感器（图3－17）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。
4）其他应变式传感器
利用应变计除了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（图3－18）。例如，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形式的选择与计算，以及应变计的合理布片与接桥。
图3－16 电子秤
3）位移传感器
应变式位移传感器（图3－17）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。
4）其他应变式传感器
利用应变计除了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（图3－18）。例如，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形式的选择与计算，以及应变计的合理布片与接桥。
图3－17 位移传感器
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图3－18 加速度传感器
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2023-06-22
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2023-08-30
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