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（1）金属电阻应变片的结构和类型
金属电阻应变片的基本结构如图3.1所示。它由盖层、敏感栅、 基底及引线四部分组成。敏感栅可金属丝、金属箔制成，它是转 换元件，被粘贴在基底上。用粘合剂粘贴在传感器弹性元件或试 件上的应变片通过基底把应变传递到敏感栅上，同时基底起绝缘 作用。盖层起绝缘保护作用。焊接于敏感栅两端引线连接测量导 线之用。
第二章 电阻应变式传感器
一、电阻应变式传感器工作原理
1、电阻应变效应
导体 轴向力
拉伸/压缩
电阻变化
l 、A、变化
电阻相对变化：dR dl dA d
R l A
dR (1 2) d
R
dl/l = ：轴向应变，单位：微应变 dA/A = 2dr/r = -2：--材料泊松比
d/ ：电阻率相对变化
蠕变和零漂：粘接
内应力
滑移
固化，增大弹性膜量
应变极限：非线性误差达到10%的应变值，过载能力
(2) 动态特性： 力传导：机械应变
基底
正弦响应：幅值降低
胶层
敏感栅
阶跃响应：震荡
滞后
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4、电阻应变式传感器的测量电路
作用：R/R
V/I；（信号转换）
组成： 电 桥
放大器
放大微弱信号
变片的规格一般以使用面积（L×b）和敏感栅的电阻
值来表示பைடு நூலகம்阻值一般在50—1000Ω范围内，常用的为 120Ω。
•
箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很
薄的金属薄栅，厚度在0.003-0.010mm。其优点是表面
积与截面积之比大，散热条件好，允许通过电流较大，
可制成各种需要的形状，便于大批量生产。
阻抗
平衡条件： Z1Z3 Z2Z4 Z ze j 导线的分布电容影响：容抗(频率)
z1z3 z2 z4
平衡 输出
1 3 2 4
平衡条件：一般电桥： R1R3 R2R4
C1R4 C2R3
全等臂电桥： R1 R3 R2 R4
C1 C2
交流电桥的调平：未受载，无应变时，输出=零
电阻调平法：串联电阻法 / 并联电阻法： 可调R5
•
金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积的方法
制成，它将可产生形变的金属或合金直接沉积在弹性
元件上而不用粘合剂。这样应变片的性能更好，灵敏
度高。所谓薄膜指厚度在0.1μm以下的金属膜。厚度在
25μm左右的称厚膜箔式应变片即属厚膜。
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3、电阻应变式传感器的特性
(1) 静态特性：
半导体材料： d k kE
dR R
Ks
正比
(压阻效应) Ks (1 2) kE
：轴向应力
E：弹性膜量 k：压阻系数
半导体应变灵敏系数
一般：kE>>(1+2)
Ks kE Ks = (50~80) Km
半导体材料的电阻应变效应以压阻效应为主：灵敏度极高
2、电阻应变式传感器结构
1–敏感栅：敏感元件，金属丝/金属箔，
电容调平法：差动法---C3 / C4 同轴差动电容（大小相等、极性相反） 阻容法---RC阻容电路
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(3) 电桥的非线性及其补偿：
近似：
U 0
U 4
R1 R1
准确：
U
' 0
U 4
R1 R1
/(1
1 2
R1 ) R1
非线性误差：
eL
U 0
U
' 0
U
' 0
U 4
R1
R1 U
U 4
R1
R1 /(1 1 R1 )
R1
2 R1
/(1 1 R1 )
1 2
R1 R1
1 2
K1
4 R1
2 R1
例：某金属应变传感器，K=2.5，max=5000，全等臂电桥，单臂工作， 非线性误差： eL 0.5 2.5 0.005 0.625% 基本线性
若为半导体应变传感器：K=120，eL 0.5120 0.005 30% 非线性严重 差动电桥补偿法：
U0
(R1 R1)( R3 R3) (R2 R2 )( R4 R4 ) U (R1 R1 R2 R2 )( R3 R3 R4 R4 )
等臂电桥：R1= R3
=
R2 =R4=R
U0
U 4
( R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 ) /[1 R4
1 ( R1 2 R1
R2 R2
R3 R3
灵敏系数：
电阻变化率
R K R
K R / 灵敏系数
R
传感器灵敏系数 < 敏感栅灵敏系数 ？
传感器 = 敏感栅 + 基底 + 盖层 + 粘接剂 + 引线
横向系数：
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R R
Kxx
Kyy
H Ky / Kx
横向效应系数
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机械滞后：粘接 --- 过热/过载 残余变形
不重合
预载/重复加载
相敏检波
滤波器
(1) 直流电桥：
振荡器
U：电源电压 U0：输出电压 RL：负载电阻
电压输出桥：RL=（接高阻抗放大器）
输出电压： U0
R1R3 R2R4 U (R1 R2 )( R3 R4 )
I0=0
初始状态：R1 R3 = R2 R4 平衡 输出U0=0
工作状态： R1 R3 R2 R4
金属材料：d C dV C( dl dA) C(1 2)
V lA
dR R
Km
正比
系数： Km (1 2) C(1 2) 金属材料的应变灵敏系数
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康铜：0.3，C1 （1+2)1.6 > C(1-2) 0.4
金属材料的电阻应变效应以尺寸变化为主，电阻率变化为辅
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R4 )] R4
近似：R<<R
U0
U 4
( R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 R4
)
U 4
K (1
2
3
4 )
相对桥臂相加 相邻桥臂相减
单臂工作：R1-应变片，R2-补偿片，R3、R4固定电阻
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U 0
U 4
R1 R015:52
(2) 交流电桥： 原理：相同 ； 输入输出：直流
交流， 电阻
电阻值100以上，康铜/硅, P44
2-基底：保持敏感栅的形状、尺寸、位置， 传递应变，胶粘，薄0.02~0.04mm
3-引线：与敏感栅连接，镀锡铜线，钎焊
4-盖层：保护层，防潮、防蛀、防损，纸/胶
5-粘接剂：制造时：盖层+敏感栅；
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使用时：基底+被测部位—传递应变
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(a) 丝式 (b) 箔式 (c) 半导体
图3.1 应变式电阻传感器的结构原理示意图 1—敏感栅 2—基底 3—引线 4—盖层 5—粘贴剂
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• 目前，常用的金属电阻应变片主要有：金属丝式应变 片、箔式应变片、及金属薄膜应变片等结构形式。
• 金属丝式应变片的敏感栅由金属丝绕制而成。金属
丝材料为电阻率大而电阻温度系数小的材料。丝式应