将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成 其厚度在0.1m以下。
第一节 电阻应变片
(4)半导体应变片
半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。 所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外 力作用时， 其电阻率ρ发生变化的现象。
从半导体物理可知，半导体在压力、 温度及光辐射作用下，能使其电阻率ρ 发生很大变化。实现温度来自偿的条件为tt
K0
(g
s )t
0
当被测试件的线膨胀系数βg已知时，通过选择敏感栅材料， 使下式成立
K0(g s )
即可达到温度自补偿的目的。
优点：容易加工，成本低， 缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。
第二节 应变片的主要特性
b. 双金属敏感栅自补偿应变片
敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成
1、弯矩M的测量 测弯矩的贴片与接桥如右图所示，R1=R2=R，电阻增量△R0：
R0 R1 R2 KR1( P M ) KR2 ( P M ) 2KR M
相对电阻的增量为：
R0 R0
2KR M
R
2K M
仪器的应变读数为：
ˆ
R0 / R0 Kˆ
2 M
M
EW M
EW
ˆM
2
(取Kˆ K )
BK-2S称重传感器
产品详细介绍 采用国际流行的双梁式或剪切S梁结构，拉 、压输出对称性好、 测量精度高、结构紧凑，安装方便，广泛用 于机电结合秤、料斗秤、包装秤等各种测力 、称重系统中 供桥电压 12VDC 输入阻抗 380±20Ω 输出阻抗 350±10Ω 绝缘电阻 ≥2000MΩ 工作温度 -10~+50℃
dR (1 2)
R
上式表明了电阻相对变化率与应变成正比
第一节 电阻应变片
电阻应变片的应变系数或灵敏度。
k dR R 1 2 常数
用于制造电阻应变片的电阻丝的灵敏度k，多在1.7— 3.6之间。
一 般 市 售 电 阻 应 变 片 的 标 准 阻 值 有 60Ω 、 120Ω 、 350Ω、600Ω和1000Ω等。其中以120Ω为最常用。应变 片的尺寸可根据使用要求来选定。
第二节 应变片的主要特性
① 电桥补偿法
R1
R2
Usr R3
R1
R4
(a) R2
(b)
被测试件
R1 +⊿R
Rb -⊿R Usc
R1＋⊿R
Rb－⊿R
U0
补偿块
R3
R4
U
第二节 应变片的主要特性
电桥补偿法
优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好， 缺点：在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工
作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影 响补偿效果。
第一节 电阻应变片
d E
式中 E —电阻丝材料的弹性模量； λ—压阻系数，与材质有关。
从而得到：
dR 2 E
R
(1 2 E)
第一节 电阻应变片
(1十2μ)ε项是由电阻丝几何尺寸改变所引起的。对于同一电阻 材料，1十2μ是常数。λEε项是由电阻丝的电阻率随应变的改 变而引起的。对于金属电阻丝来说，λE是很小的，可忽略。上 式可简化为：
一、应变的测量 常用的力测量方法是用应变片和应变仪测量构件的表面应变。
1 应变的测量的原理 应变片粘贴在试件上,当试件变形时应变片随之而变形，这 时应变片的电阻值也发生变化。
△R
△U
电阻应变片
测量电路
显示与记录
第一节 电阻应变片
第一节 电阻应变片
电阻应变式传感器可以用于测量应变、力、 位移、加速度、扭矩等参数。具有体积小、动态 响应快、测量精确度高、使用简便等优点。在航 空、船舶、机械、建筑等行业里获得广泛应用。
具有温度补偿功能
第五节 电阻应变片的应用 2、拉力P的测量
R0 R1' R1'' KR1'(P M ) KR1'' (P M ) 2KRP
R0 R0
2KR P
2R
K P
ˆ
R0 / R0 K
P
P PEA
温度补偿需在补偿板上另贴两 片月R2’、R2”串联组成补偿桥 臂
第五节 电阻应变片的应用
6lF
bh2 E
第五节 电阻应变片的应用
②
等
F
强 度 悬
X
h
6lF
b0 h 2 E
臂
l
梁
第五节 电阻应变片的应用
③ 双 端 固 定 梁
3lF
4bh2 E
第五节 电阻应变片的应用
3 薄壁圆环式力传感器
3F[
R (h bh2 E
/
2)]
1
2
在外力作用下，各点的应力差别较大
第五节 电阻应变片的应用
电阻的相对变化率
dR R
dl l
2dr r
d
式中 dl / l -----电阻丝轴线相对变形，或称纵向应变
dr / r -----电阻丝轴线相对变形，或称横向应变
当电阻丝沿轴向伸长时，必沿径向缩小，两者之间的关系为
dr dl
r
l
式中μ——电阻丝材料的泊松比； dρ／ρ——电阻丝电阻率相
对变化，与电阻丝轴向所受正应力σ有关。
②敏感栅界面为矩形，表面积对截面积之比远比圆 断面的大，故粘合面积大；
③敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能 好；
④散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增 大输出信号；
⑤敏感栅弯头横向效应可忽略，蠕变、机械滞后较 小，疲劳寿命高 。
（3）薄膜应变片 薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉积等方法，
电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式 与半导体应变片式两类。
第一节 电阻应变片 一、金属电阻应变片
常用的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。其工作 原理都是基于应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。
金属丝电阻应变片(又 称电阻丝应变片)出现得 较早，现仍在广泛采用。 其典型结构如图所示。把 一根具有高电阻率的金属丝(康铜或镍铬合金等)绕成栅形， 粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路上。
二、其他测量实例
1 应变式力传感器
柱 式 力 传 感 器
（a）实心圆柱；（b）空心圆筒；
第五节 电阻应变片的应用
F
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R1
R3
R5
R7
R6
R8 Uo R2
R4
U
第五节 电阻应变片的应用 2 梁式力传感器
①
F
等
h
截
面
悬 臂 梁
l0 l
等截面梁
结构简单，易加工，灵敏度高 适合于测5000N以下的载荷
dR E
R
第一节 电阻应变片
半导体应变片灵敏度
S dR R E
这一数值比金属丝电阻应变片大50一70倍。
半导体应变片 优点：灵敏度高，机械滞后小、横向效应小、体积小等。 缺点：温度稳定性能差、灵敏度分散度大(由于晶向、杂质 等因素的影响)以及在较大应变作用下，非线性误差大等， 这些缺点给使用带来一定困难。
电阻应变计—种类
按基片上敏感栅的个数划分：单轴应变计，多轴应变计。
单轴应变计
双轴应变计 90º应变花
双轴应变计（ 90º应变花）
三轴应变计（ 45º应变花）
8
电阻应变计—种类
单轴应变片—敏感栅只有一根轴线，用于测量单向应变。
应变花： 双轴—二轴 90 用于测量平面应变状态。 三轴—三轴 45
电阻应变计工作原理
应力应变测量
• 在工程中，应力、应变是很常用的机 械参量。通过对机械零件和机械结构 的应变、应力测量，可以分析其受力 状况和工作状态，验证设计计算，确 定工作过程和某些物理现象的机理。
第一节 应变与应力的测量
应力是一重要的机械量，它表征了构件的受载状态，负载水 平和强度能力，因此应力测量是其它力参数测量的基础。应 力的测量，实质上是先测量应变，然后计算出应力的大小。
第二节 应变片的主要特性
② 应变片的自补偿法
粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化 时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温 度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法 称为应变片自补偿法。
a. 选择式自补偿应变片
b. 双金属敏感栅自补偿应变片
第二节 应变片的主要特性
a. 选择式自补偿应变片
M的联合作用可看成是P、M单独作用的叠加。
杆件在P、M单独作用下其上下表面的应变为：
P
P； EA
M
M EW
A ——杆件的截面积； W ——杆件的抗弯截面系数 E ——被测件材料的弹性模量
第五节 电阻应变片的应用
根据叠加原理，杆件在P、M联合作用下，其上表面和下表面 的应变为：
1
P
；
M
2 P M
第五节 电阻应变片的应用
电阻应变计—主要性能参数 b l
注意：R和 k 都是标称值
16
电阻应变片的种类、材料和参数 1. 电阻应变片的种类
电阻应变片的种类繁多，分类方法各异，如可 分为：
丝式应变片 箔式应变片
薄膜应变片
半导体应变片 （1）丝式应变片 ①回线式应变片
将电阻丝绕制成敏感栅粘贴在各种绝缘基层上 而制成的，是一种常用的应变片。
F
F
应变片感受到的应变
F
l l
F
第一节 电阻应变片
R＝ρl／A
当每一可变因素分别有一增量dl、dA和dρ时，所 引起的电阻增量为:
dR R dl R dA R d l A