应变式传感器
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应变式传感器实验报告
应变式传感器实验报告《应变式传感器实验报告》摘要：本实验旨在通过应变式传感器测量不同材料的应变变化，并分析其与外力的关系。
实验结果表明，应变式传感器具有良好的灵敏度和精度，可用于测量材料的应变变化，为工程应用提供了可靠的数据支持。
引言：应变式传感器是一种常用的传感器，可用于测量物体受力时的应变变化。
通过测量应变的变化，可以得到物体受力的情况，为工程设计和科学研究提供了重要的数据支持。
本实验通过使用应变式传感器，测量了不同材料在受力时的应变变化，并分析了应变与外力的关系。
实验方法：1. 准备实验材料：选取不同材料的样品，如金属、塑料、橡胶等。
2. 安装应变式传感器：将应变式传感器与数据采集系统连接，并将传感器安装在样品上。
3. 施加外力：在样品上施加不同大小的外力，记录应变式传感器的输出数据。
4. 数据分析：通过分析实验数据，得出不同材料的应变与外力的关系。
实验结果：通过实验数据的分析，我们得到了不同材料在受力时的应变变化曲线。
实验结果表明，不同材料的应变与外力的关系存在一定的差异，但总体上呈现出线性关系。
同时，应变式传感器的输出数据具有良好的稳定性和重复性，具有较高的测量精度。
讨论：应变式传感器在测量材料应变变化方面具有良好的性能，可以准确地反映材料受力时的应变情况。
通过本实验的结果，我们可以得出结论：应变式传感器可以用于测量不同材料的应变变化，并为工程应用提供可靠的数据支持。
结论：本实验通过测量不同材料在受力时的应变变化，验证了应变式传感器的性能优良，并得出了应变与外力的关系。
实验结果表明，应变式传感器可以用于测量材料的应变变化，为工程设计和科学研究提供了可靠的数据支持。
电阻应变式传感器介绍
最低固化条件 室温10小时或
60℃2小时 室温1小时 室温24小时 室温2.5小时 200℃2小时 150℃3小时 150℃1小时 190℃3小时 200℃3小时 280℃2小时 400℃1小时 400℃3小时
固化压力 /104Pa 0.5~1
粘合时指压
0.3~0.5 粘合时指压 粘合时指压
2 1~2 — — 1~3
基底材料有纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等 制成胶膜, 厚度约0.03～0.05mm
3.黏合剂材料
用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用 金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方 向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和 敏感栅。
2.3应变片的主要参数
1.应变片电阻值（R0） 电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、350Ω，500Ω和1000Ω 等 多种规格，以120Ω最为常用。 应变片的电阻值越大，允许的工作电压就大，传感器的输出电压 也大，相应地应变片的尺寸也要增大，在条件许可的情况下，应 尽量选用高阻值应变片。
2.绝缘电阻(敏感栅与基底间电阻值: 要求>1010欧姆；
在金属丝的弹性范围内，灵敏系数KS 为常数，即 :
R R
Ks
线性关系
通常很小, 常用10-6表示之。例如, 当 为0.000001时, 在工程中 常表示为1 10-6或 m/m。在应变测量中, 也常将之称为微应变
(με)。对金属材料而言, 当它受力之后所产生的轴向应变最好不要 大于1 10-3, 即1000 m/m, 否则有可能超过材料的极限强度而 导致断裂。
合剂
化环已酮、萘酸钴干料
环氧树脂、聚硫酚铜胺、 固化剂
环氧树脂类 酚醛环氧、无机填料、
应变式传感器实验报告
应变式传感器实验报告引言应变式传感器是一种广泛应用于工程实践和科学研究中的传感器。
它能够测量材料受到的应变变化，并将其转换为电信号输出。
本实验报告旨在通过实验验证应变式传感器的特性及其在实际应用中的可靠性。
实验目的•掌握应变式传感器的基本原理和工作方式；•理解应变式传感器的线性度、分辨率和灵敏度等性能指标；•通过实验验证应变式传感器的性能，并分析实验结果；•探索应变式传感器在不同应变水平下的反应特性。
实验器材和仪器•应变式传感器•桥式电路•电源•数字示波器•电阻箱•电缆和连接线实验步骤1.将应变式传感器固定在实验台上，保证其与测量物体的贴合度。
2.根据实验要求连接相应的电路，使用电缆和连接线将传感器与电源、数字示波器等设备连接好。
3.打开电源，调节电阻箱的电阻值，改变应变式传感器的工作状态。
4.使用数字示波器记录传感器输出的电信号，并进行数据采集。
5.分析所采集的数据，计算应变式传感器的线性度、分辨率和灵敏度等性能指标。
6.将实验结果进行整理和总结。
实验结果与分析1.实验数据记录：应变水平传感器输出电信号0 0V100微应变0.5V200微应变0.8V300微应变 1.2V400微应变 1.5V500微应变 2.0V2.根据实验数据绘制应变水平与传感器输出电信号之间的关系曲线。
通过曲线观察可得到传感器的线性度。
3.计算应变式传感器的分辨率，即传感器输出电信号的最小变化量。
4.计算应变式传感器的灵敏度，即传感器单位应变水平对应的电信号变化量。
5.根据实验结果分析应变式传感器的性能特点和适用范围。
结论通过本实验，我们深入了解了应变式传感器的工作原理，掌握了其性能指标的计算方法，并验证了其在实际应用中的可靠性。
应变式传感器具有良好的线性度、较高的分辨率和灵敏度，可以广泛应用于材料力学、结构工程和自动化控制等领域。
参考文献[1] G. R. Liu, and S. X. Han. “Strain Sensing Using Fiber Bragg Grating Sensors.” Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 9(12), pp. 973-986, 2016.[2] T. D. Chung. “Electromechanical Impedance Sensors for Strain and Damage Detection.” Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 11(7), pp. 495-509, 2018.。
应变式传感器
第3章 电阻式传感器（知识点）知识点1 概述电阻式传感器的基本工作原理是将被测量的变化转化为传感器电阻值的变化，再经一定的测量电路实现对测量结果的输出。
电阻式传感器应用广泛、种类繁多，如电位器式、应变式、热电阻和热敏电阻等；电位器式电阻传感器是一种把机械线位移或角位移输入量通过传感器电阻值的变化转换为电阻或电压输出的传感器；应变电阻式传感器是通过弹性元件的传递将被测量引起的形变转换为传感器敏感元件的电阻值变化。
知识点2 工作原理应变（stress ）是物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象。
当外力去除后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状的应变称为弹性应变。
具有弹性应变特性的物体称为弹性元件。
应变电阻式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。
应变电阻式传感器在力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量中得到了广泛的应用。
应变电阻式传感器的基本工作原理：当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生形变，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的电阻应变片，引起应变敏感元件的电阻值发生变化，通过测量电路变成电压等电量输出。
输出的电压大小反映了被测物理量的大小。
知识点3 应变效应如图3.1所示。
一根具有应变效应的金属电阻丝，在未受力时，原始电阻值为：ALR ⋅=ρ （3.1）式中：R －电阻丝的电阻ρ－电阻丝的电阻率L －电阻丝的长度A －电阻丝的截面积。
图3.1 应变效应当电阻丝受到拉力F 作用时将伸长，横截面积相应减小，电阻率也将因形变而改变（增加），故引起的电阻值相对变化量通过对式（3.1）进行全微分可得：（3.6） 其中：LL∆－电阻丝轴向（长度）相对变化量，即轴向应变，用ε表示。
即： LLε∆= （3.7） 基于材料力学相关知识，径向应变与轴向应变的关系为：（3.8） 式中：μ－电阻丝材料的泊松比。
将（3.7）、（3.8）式代入（3.6）式可得：12R R ρμερ∆∆＝＋（＋） （3.9） 通常把单位应变引起的电阻值相对变化量称为电阻丝的灵敏度系数，表示为：（3.10）实验证明：在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K 为常数。
应变式传感器
段则受到从+εx到-εx之间变化的应变，其电阻的变化将小于
图3-5 (a)应变片及轴向受力图；(b)应变片的横向效应图
第3章 应变式传感器
28
综上所述，将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，
但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化减小，因而其灵 敏系数K较整长电阻丝的灵敏系数K0小，这种现象称为应变 为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔
第3章 应变式传感器
30
最大工作电流是指已安装的应变片允许通过敏感栅而不
影响其工作特性的最大电流Imax。工作电流大，输出信号也 大，灵敏度就高。但工作电流过大会使应变片过热，灵敏系 数产生变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。工作电流 的选取要根据试件的导热性能及敏感栅形状和尺寸来决定。 通常静态测量时取25mA左右，动态测量时可取75～100mA。 箔式应变片散热条件好，电流可取得更大一些。在测量塑料、
第3章 应变式传感器
13
图3-3 常用应变片的形状
第3章 应变式传感器
14
3.2.2 金属电阻应变片的材料
②ρ值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具 ③电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻
表3-1
第3章 应变式传感器
15
康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，它有很多优点：
灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数， 进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；电阻温度系数 较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系 数在±50×10-6/℃的范围内；加工性能好，易于焊接。因而
第3章 应变式传感器
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表3-1 常用金属电阻丝材料的性能
第3章 应变式传感器
2-1 力传感器_应变式-2013
平均应变εm与中点应变εt相对误差δ为：
t
m
1 m
s 1
t
t
in l
l
可见，δ只取决于 l。
误差δ的计算结果
l
δ（%）
1/10
1.62
1/20
0.52
由表可知，应变片栅长与正弦应变波波长之比愈小，δ愈小。
当应变片栅长为应变波长的1/10~1/20时，δ小于2%。
取l/=1/10，则由=v/f 得：f=0.1v/l。
x 0 sin
2
x
应变片中点的应变为
t
0 sin
2
xt
xt为t时刻应变片的中点坐标。 测试得到的应变片在栅长范围内的平均应变为εm，则
其数值等于l范围内应变波曲线下的面积除以 l，即
l
m
1 l
2 xt
l 2
sin xt
l 2
0
xdx
0
sin
2
sin
xt
l
2.1 电阻应变式传感器
缺点：有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，只能测量一点 或应变栅范围内的平均应变。
2.1 电阻应变式传感器
2.1.1 应变效应和工作原理
应变效应：导体或半导体材料受外力(拉或压力)作用时， 会产生机械变形，机械变形导致其电阻值变化。
设一长l、截面积为S、电阻率为ρ的园柱体，其电阻为
R l
S
设外力F作用下圆导体被拉伸(或压 缩)，则：
件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。 ③ 两应变片应处于同一温度场。
2.1 电阻应变式传感器
在某些测试条件下，可通过改变应变片的粘贴位置， 实现温度补偿，并可提高应变片的灵敏系数。
应变式压力传感器工作原理
应变式压力传感器工作原理
应变式压力传感器是一种将物理量转换为电信号输出的传感器。
它的工作原理是利用应变效应，将物体在受力后产生的应变转换为电信号输出。
应变效应是指物体在受力后发生微小的形变，这种形变随着力的大小和方向的变化而变化。
应变式压力传感器利用这种应变效应来实现压力的测量。
具体而言，应变式压力传感器通常由一个弹性体和一些电阻片组成。
当弹性体受到压力时，会发生微小的应变，使得电阻片的电阻值发生变化。
这种变化可以通过电路进行测量，并转换为电信号输出，从而实现压力的测量。
这里需要注意的是，弹性体的形状和材料都会对传感器的灵敏度和精度产生影响。
因此，设计和选择弹性体时需要考虑实际应用的要求，以达到较好的测量效果。
应变式压力传感器还需要进行校准，以保证测量结果的准确性。
校准的方法通常是在已知压力下进行比较测量，然后根据测量结果进行调整。
应变式压力传感器是一种常用的压力传感器，可以实现高精度的压力测量。
它的工作原理是利用应变效应，将物体在受力后产生的微
小应变转换为电信号输出。
在实际应用中，需要根据要求进行弹性体的选择和设计，并进行校准以保证测量结果的准确性。
应变式传感器工作原理
应变式传感器工作原理应变式传感器是一种常用的传感器，可以用来测量物体的应变或变形。
它们通常用于工程、建筑、汽车和航空航天等领域，用于监测结构的变形、应变和应力。
在本文中，我们将探讨应变式传感器的工作原理，以及它们在实际应用中的一些常见用途。
应变式传感器的工作原理基于材料的电阻率随应变变化的特性。
当一个材料受到外部力的作用时，它会发生应变，导致材料的电阻发生变化。
应变式传感器利用这种原理，将材料的电阻变化转化为电信号，从而实现对应变的测量。
应变式传感器通常由敏感材料、电路和输出接口组成。
敏感材料是传感器的核心部件，它可以是金属、半导体或者陶瓷等材料。
当敏感材料受到应变时，它的电阻会发生变化。
电路部分则负责将敏感材料的电阻变化转化为电压或电流信号，输出接口则将信号传输给外部设备进行处理或显示。
应变式传感器可以分为多种类型，包括电阻应变式传感器、电容应变式传感器和电感应变式传感器等。
其中，电阻应变式传感器是最常见的一种类型。
它们通常由敏感材料组成的电桥电路和信号处理电路组成，可以实现对应变的高精度测量。
在实际应用中，应变式传感器有着广泛的用途。
在工程领域，它们可以用于监测建筑结构的变形和应变，以及汽车和飞机的结构健康监测。
在制造业中，应变式传感器可以用于监测机械设备的应变和应力，从而实现对设备状态的实时监测和预警。
此外，应变式传感器还可以用于医疗设备、体育器材和安全防护设备等领域。
总的来说，应变式传感器是一种非常重要的传感器，它可以实现对物体应变和变形的高精度测量。
通过了解其工作原理和实际应用，我们可以更好地理解和应用这一技术，为各种领域的工程和科学研究提供支持和帮助。
应变式传感器
2. 横向效应
试件与其上的应变片受单向应力时，其表面处于平面应变状态。对 于由多条直线和圆弧部分组成敏感栅： 直线段：沿轴向拉应变εx，电阻 圆弧段：沿横向压应变εy等，电阻 εy εx
(transverse effect)
εy
金属应变片测量应变时，构件的轴向应变 ε使敏感 栅电阻发生变化，其横向应变εr也将使敏感栅半圆弧部 分的电阻发生变化，应变片的这种既受轴向应变影响， 又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效 应。
βg—试件材料线膨胀系数；βs—敏感栅材料线膨胀系数。 相应的电阻相对变化为
R K g s t R 2
K——应变片灵敏系数。
温度变化形成的总电阻相对变化：
R R R t t K g s t R t R 1 R 2
• 金属箔式 (metal foil strain gauge) • 金属薄膜式(metal thin film strain
gauge)
金属丝式应变片--metal thread strain gauge
金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片backing film；2-电阻丝metal；3-覆盖层；4-引出线
V----应变波传播速度
三、其他情况 基长l0应尽量选用短的，这样可更真实测出被 测部位的应变．提高测试精度。
f l
6e
若已知应变波在某材料内传播速度υ， 栅长l，确定相对误差的应变片粘贴在某种 材料上的可测动态应变最高频率。
应变式传感器的特点
• • • • • • 精度高,测量范围广 频率响应较好 结构简单,尺寸小,质量轻 使用环境广 易于小型化、（固态化） 价格低
2. 应变片的基本结构与种类(Sensor
应变式压力传感器工作原理
应变式压力传感器工作原理
应变式压力传感器是一种常见的压力测量装置，其工作原理如下：
1. 压力传感器通常由一个金属薄片或金属箔制成，被称为应变片。
应变片具有较高的弹性和导电性能。
2. 当外界施加压力时，应变片会发生变形，使其长度和宽度发生微小的改变。
这种变形称为应变。
3. 应变片的变形导致了其电阻的改变，从而导致了电阻值的变化。
4. 应变片上的测量电桥测量这种电阻的变化。
电桥通常由四个电阻组成，其中两个形成应变片的一部分，另外两个为参考电阻。
5. 当压力施加到应变片上时，电阻值会发生变化，导致电桥失衡。
6. 失衡的电桥输出信号经过放大和处理后，转换为与压力成比例的电压或电流信号，输出给压力计或控制系统。
总结起来，应变式压力传感器通过测量应变片上的电阻变化来确定被测压力大小。
应变式传感器
令
(n − 1)ls H= = k x 2nl1 (n − 1)ls ky
ls = π r
H称为横向效应系数.
横向误差：
改写： ∆R = k x (1 − Hu )ε x = kε x
R
εy = −µ εx
K x < K o , 产生了横向误差
改善k的途径：减少H，即减少r 可见：r小到一定程度则意味着尖角.
(3)桥臂对称形式匠区别
R 平衡条件： 1 R4 − R2 R3 = 0
即： R1 R4 = R2 R3
R1 = R3 R4 = R2
R1 = R2 R3 = R4
可以有两种形式：① ②
R2 R4 = R1 R3
R3 R4 = R1 R2
（前）上面分析假设：
R2 R4 = R1 R3
R1 = R3 R4 = R2
两准平面引力问题 某点处应变状态为εx ,εy , εxy 设：β方向的正应变为εβ
εxy
y β方向
β
β
π π εβ = cos2 β ⋅ ε x + cos2 ( − β ) ⋅ ε y + cos β cos( − β ) ⋅ ε xy = l 2ε x + m2ε y + lmε xy
2 2
∆l l
∆A A
为轴向应变，用ε表示 为径向应变，用εr表示 为电阻率相对变化
∆ρ
ρ
(各部分受力不均匀,变化无重复性,非线性)
3)三个关系: ①径向应变与轴向应变的关系.(材料力学己证明)
∵
d A=π 4
2
∴
∆A 2 ∆d = A d
µ
∆d ∆l = −µ d l
金属应变式传感器
金属应变式传感器
1 金属应变式传感器
金属应变式传感器是一种利用金属外表面来监测它们挠度（or应变）的可改变传感器，可以检测外部力对材料引起的应力和应变变化。
这种传感器是通常被用在由金属材料组成的部件或构件以便于检测相
应应力或应变。
它们也可以被用来感知可变量，例如压力、温度、速
度和位置。
金属应变式传感器通常来说都包括一块厚度较薄的金属板，这块
板的两面都可以被绑定到部件的表面而且可以按照不同的配置形式。
当表面受到外部力应力时，这块金属板就会受到高度变形，从而由该
应变来反映部件的应力变化。
除了检测外部力及变形的应力外，还可以利用本质的热变形技术
来检测温度变化，从而让这种传感器具有测量温度变化的能力。
金属
应变式传感器由灵敏度较高元件制成，可以记录传感器反馈的信号变
化灵敏度很高，因此可以提供灵敏度高的测量结果。
金属应变式传感器被广泛应用于机械设备和航空技术领域，包括
飞机结构强度测试、发动机静态和动态压力测试、涡轮叶片应变相对
于涡轮本身而言，还可用于隔热材料在温度变化时的强度测试。
金属应变式传感器是一种重要的新兴传感技术，它可以提供高精度、可靠性强、灵敏度高、可调节性强的实时检测和测量结果，可以
帮助我们更好地理解机械装置的运行状态，解决许多传统的测量技术的难题。
应变式压力传感器
应变式压力传感器
应变式压力传感器是一种常用于工程和科学领域的传感器，其原理是利用材料
在受力作用下发生形变的特性来检测压力。
这种传感器对于测量各种物体的压力具有广泛的应用，比如在汽车制造中用于监测轮胎压力、在医疗设备中用于监测生理信号等。
工作原理
应变式压力传感器通常由弹性材料制成，当物体受到压力作用时，传感器的形
状会发生微小的变化，其电阻值也会随之改变。
这种电阻值的变化可以通过电路进行测量和记录，从而得到受力物体的压力值。
应用领域
应变式压力传感器在工业控制、医疗设备、航空航天等领域都有广泛的应用。
在工业控制中，它可以用于检测流体管道的压力，帮助进行流体控制和监测。
在医疗设备中，应变式压力传感器可用于测量心跳、血压等生理信号，帮助医生进行疾病诊断和治疗。
在航空航天领域，这种传感器可用于飞行器和宇航设备的压力监测，确保设备安全运行。
优点与局限
应变式压力传感器具有结构简单、成本低廉、灵敏度高的优点，但也存在一些
局限性。
例如，受限于弹性材料的特性，这种传感器的工作范围和耐久性可能受到一定的限制，需要根据具体的应用场景选择合适的传感器类型。
综上所述，应变式压力传感器作为一种常用的传感器类型，在工程和科学领域
具有重要的应用意义，其基本原理、应用领域和优缺点都值得我们深入了解和研究。
通过不断提升传感器技术水平，可以进一步拓展其在各个领域的应用，为现代科技发展提供更多可能性。
应变式传感器
49
但是由于应变片的敏感栅相对较长，当应变波在纵栅
长度方向上传播时，只有在应变波通过敏感栅全部长 度后，应变片所反映的波形经过一定时间的延迟，才 能达到最大值。图3 -6所示为应变片对阶跃应变的响应 特性。
50
10%
90% tk tk＝0.8 l0 /
100%
t (a )
l0 (b )
(c)
应变片对阶跃应变的响应特性 (a) 应变波为阶跃波； (b) 理论响应特性； (c) 实际响应特性
40
弹性元件在应变片测量技术中占有极其重要的地位。
它首先把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移， 然后传递给粘贴在弹性元件上的应变片，通过应变片 将力、力矩或压力转换成相应的电阻值。 弹性元件的 基本特性有：
刚度
灵敏度
动态特性
41
1. 刚度 刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，
以应变波的形式在材料中传播的，它的传播速度与声
经粘合层、基片传播到敏感栅，所需的时间是非常短 暂的，如应变波在粘合层和基片中的传播速度为 1000m/s，粘合层和基片的总厚度为0.05mm, 则所需
波相同，对于钢材v≈5000 m/s。应变波由试件材料表面，
时间约为5×10-8 s, 因此可以忽略不计。
变片所反映的波幅将低于真实应变波，从而带来一定的测量误
差。 显然这种误差将随应变片基长的增加而加大。图 2-7表示 应变片正处于应变波达到最大幅值时的瞬时情况， 此时
l0 x1 , 4 2 l0 x2 4 2
53
e
o x1 x2
lo
2π x 0 sin λ
x
图2-7 应变片对正弦应变波的响应特性
应变式传感器
传感器原理及应用
3.3 电阻应变片测量电路
（1）直流电桥
② 电压灵敏度 ② 电压灵敏度
单 桥
半 桥
全 桥
第三十页，共68页。
第3章 应变式传感器
3.3 电阻应变片测量电路
（1）直流电桥
传感器原理及应用
③非线性误差补偿
非线性误差：
式中
：为理想值
U。：为真实值
单臂桥的非线性误差：
第三十一页，共68页。
第3章 应变式传感器
3.3 电阻应变片测量电路
（2）交流电桥
传感器原理及应用
➢直流电桥 优点：所需要的高稳定直流电源较易获得；连接导线要
求低，不会引起分布参数，在实现预调平衡时电路简单， 仅需对纯电阻加以调节。
缺点：容易受到工频干扰，产生零点漂移。 ➢交流电桥
优点：放大电路简单无零漂，不受干扰，为特定 传感器带来方便；
（2）交流电桥
➢ 交流电桥输出除满足电阻平衡条件， 还要满足电容平衡条件：
第3章 应变式传感器
主要内容
1.电阻应变片原理 2.金属应变片的主要特性
3.应变片测量电路 4.应变式传感器的应用
第一页，共68页。
第3章 应变式传感器
概述
传感器原理及应用
电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测力范围
小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到 0.01—0.1%。 有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。
• 具有温度补偿作用。
第三十三页，共68页。
第3章 应变式传感器
传感器原理及应用
3.3 电阻应变片测量电路
（1）直流电桥 ③非线性误差补偿
➢ 全桥：
将四臂按对臂同性接四个工作片称全桥。 若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4
应变式传感器的应用原理是
应变式传感器的应用原理是什么是应变式传感器？应变式传感器是一种能够测量物体应变的传感器。
应变是指物体受力后发生的形变或变形，应变式传感器可以通过测量物体的应变来获得物体受力情况。
应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理是利用材料的电阻、电容或电感等特性随应变的变化来实现测量。
具体工作原理可以分为以下几种：1.电阻应变式传感器：电阻应变式传感器利用材料电阻随应变的变化进行测量。
通常通过将电阻片粘贴在物体上，并连接成电桥电路。
当物体受力时，材料发生应变，导致电阻值发生变化，通过测量电桥电路的电阻差异可以得出应变信息。
2.电容应变式传感器：电容应变式传感器利用电容随应变的变化来进行测量。
常见的构造是将平行板电容器置于应变体上，当物体受力时，应变体产生应变，导致平行板电容器的间隙发生变化，从而改变电容值。
通过测量电容变化可以获得应变信息。
3.电感应变式传感器：电感应变式传感器利用电感随应变的变化进行测量。
一般由线圈和铁芯组成，当物体受力时，应变体引起线圈的应变，进而改变电感值。
通过测量电感的变化可以得到应变信息。
应变式传感器的应用领域应变式传感器具有灵敏度高、响应时间短、可靠性好等特点，因此在许多领域得到了广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：•结构工程：应变式传感器可以用于测量各类结构物（如桥梁、建筑物、管道等）的变形情况，以了解结构的安全性和稳定性。
•材料力学：应变式传感器可以用于材料力学测试，如材料的拉伸、压缩等性能测试，以评估材料的力学性能。
•汽车工程：应变式传感器可以用于汽车底盘和车身结构的变形和应力的测量，以改善汽车的稳定性和乘坐舒适度。
•医疗工程：应变式传感器可以用于测量人体肌肉的应变情况，以监测肌肉力量和运动状态，对康复治疗和体育训练具有重要意义。
•管道工程：应变式传感器可以用于测量管道的应变情况，以监测管道的变形和应力情况，对管道的运行和安全具有重要意义。
应变式传感器的优缺点应变式传感器具有以下优点：•灵敏度高：应变式传感器可以实现精确的应变测量，对微小应变有较高的分辨率。
《应变式传感器》课件
1. 应变式传感器的主要 组成部分
包括应变片、导线、支撑座和 外壳等组成部分，各部分相互 配合，实现应变信号的稳定测 量。
2. 应变式传感器的材料 选择
应根据使用环境和工作条件来 选择适合的材料，以确保传感 器在各种应变情况下的可靠性 和精度。
3. 应变式传感器的工作 温度范围
应根据应用需求选择耐高温或 耐低温材料，确保传感器在各 种工作温度下正常运行。
IV. 应变式传感器的应用
1 1. 汽车工业中的应用
用于测量车身应力、悬挂系统变形、刹车 踏板力等关键参数，确保汽车的安全性和 性能。
2 2. 石油化工中的应用
在储罐、管道等设备中应用，监测容器和 管道的变形、温度和液位等信息，保障生 产的安全和稳定。
3 3. 金属材料力学测试中的应用
4 4. 其他领域的应用
VII. 应变式传感器的未来发展趋势1Leabharlann 1. 应变式传感器的市场前景
随着工业自动化程度的提高和传感技术的不断发展，应变式传感器的市场前景广 阔。
2
2. 应变式传感器的新技术发展
包括小型化、高精度、多功能和智能化等方向的发展，进一步提升传感器的性能 和应用范围。
存在温度漂移、线性度误差和灵敏度影响等缺点，需要在实际应用中进行合理的补偿和 校准。
VI. 应变式传感器的使用注意事项
1 1. 安装应变式传感器的注意事项
包括避免应变传感器损坏、正确选择固定方式、保护导线等注意事项，确保传感器的正 常使用。
2 2. 应变式传感器的维护及保养
包括定期校准、防尘、防湿、防腐等维护工作，保证传感器的准确度和寿命。
《应变式传感器》PPT课 件
应变式传感器是一种广泛应用于工业生产中的传感器，通过检测物体的应变， 将其转化为电信号，具有重要的测量和监测功能。
应变式传感器工作原理
应变式传感器工作原理
应变式传感器是一种常用的传感器类型，它可以用来测量物体的应变或变形情况。
在工业领域中，应变式传感器被广泛应用于力学测试、结构监测、材料性能研究等方面。
那么，应变式传感器是如何工作的呢？接下来，我们将详细介绍应变式传感器的工作原理。
应变式传感器的工作原理主要基于应变电阻效应。
当受力作用于物体时，物体会产生应变，即物体的形状和尺寸会发生变化。
而应变式传感器就是利用这种应变效应来进行测量的。
传感器内部包含了一个或多个应变电阻，当物体受力导致应变时，应变电阻的电阻值也会相应发生变化。
通过测量电阻值的变化，就可以间接地得知物体所受的应变情况。
在实际应用中，应变式传感器通常被粘贴或固定在被测物体的表面。
当物体受到外力作用时，传感器也会产生相应的应变，从而改变应变电阻的电阻值。
这种变化可以通过电路进行检测和测量，最终转换成与外力大小相关的电信号输出。
除了应变电阻式传感器外，应变式传感器还有其他工作原理的类型，比如压电式应变传感器、电容式应变传感器等。
这些传感器在测量原理上有所不同，但都是基于物体受力导致应变的基本原理进行工作的。
总的来说，应变式传感器的工作原理是利用物体受力导致应变的效应，通过测量应变电阻的电阻值变化来间接测量物体所受的外力大小。
它在工程领域中具有重要的应用价值，可以帮助工程师们进行结构监测、材料性能测试等工作。
希望通过本文的介绍，读者对应变式传感器的工作原理有了更加深入的理解。
应变式压力传感器工作原理
应变式压力传感器工作原理
应变式压力传感器工作原理
压力传感器是一种用于测量压力的设备，它利用物理和化学变化原理进行测量，而根据物理和化学变化原理不同，压力传感器可分为几种不同的原理，如应变式、电容式、晶体式、填充式、温度补偿式等。
应变式压力传感器原理
应变式压力传感器是一种使用应变物体对压力变化的反应变化
进行测量的传感器，其主要原理是当外设施(如压力、温度)变化时，传感元件内部的物质受到外来的力，会发生物理形变，而形变程度与外力的大小成正比，按照此原理，它可以将外界压力变化转化为电信号来测量、控制和监控外界压力变化。
应变式压力传感器主要结构
应变式压力传感器的结构主要由传感元件、放大器、电源、输出装置以及控制装置等部分组成。
传感元件：传感器的核心部分，它是测量所需的物理参量，并将其转换为电信号，分为应变片、电晶体、气压开关等；
放大器：它的作用是将传感元件输出的微弱的电信号进行放大，使其能够被输出装置所接受；
电源：用于提供放大器和控制装置等电子部件所需要的电源；
输出装置：将放大器的电信号转化为可读的数值或直观图像；
控制装置：可根据应变式压力传感器的输出电信号，控制相应的
电气设备，从而实现远程控制。
应变式压力传感器工作流程
1、当外界压力变化时，会引起传感元件内部物质的变形变化，物质的变形则会引起传感元件的电阻值变化；
2、电阻值变化会引起放大器的输出电压变化；
3、随着放大器的电压变化，控制装置会根据电压变化做出相应的控制；
4、输出装置将放大器的电压变化转化为数值，并显示出来。
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应变片
Ｆ
Ｆ
被测体
第3章 应变式传感器
3.2 金属应变片的主要特性
（2）横向效应
➢ 直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同， 园弧部分使灵敏系数K↓下降，这种现象称为横向效应。
第3章 应变式传感器
3.2 金属应变片的主要特性
（3）应变片温度误差及补偿
➢ 应变片安装在自由膨胀的试件上，如果环境温度变化， 应变片的电阻也会变化，这种变化叠加在测量结果中称 应变片温度误差。应变片温度误差来源有两个主要因素：
第3章 应变式传感器
第3章 应变式传感器
主要内容：
1.电阻应变片原理 2.金属应变片的主要特性 3.应变片测量电路 4.应变式传感器的应用
第3章 应变式传感器
概述 ➢广泛应用于－
各种电子秤
第3章 应变式传感器
概述
高 精 度 电 子 汽 车 衡
动态电子秤 电子天平
第3章 应变式传感器 概述
机械秤包装机
第3章 应变式传感器 概述
采取措施后： ▪ 可用于恶劣环境； ▪ 真空～数千大气压； ▪ 振动、强磁场、化学腐蚀、放射等环境。
应变式传感器缺点： ▪ 有较大的非线性； ▪ 输出信号小，需放大和抗干扰； ▪ 不适合于1000摄氏度以上的高温。
第3章 应变式传感器
3.1 电阻应变片原理
（1）应变效应 金属应变片结构： 网状敏感栅——高阻金属丝、金属箔
▪ 具有温度补偿作用。
第3章 应变式传感器
3.3 电阻应变片测量电路
（1）直流电桥 ③非线性误差补偿
➢ 全桥： 将四臂按对臂同性接四个工作片称全桥。
若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4
全桥电压输出：
U0
E
R1 R1
K E 全桥电压灵敏度为： u
第3章 应变式传感器
3.3 电阻应变片测量电路
（2）交流电桥
（3）应变片温度误差及补偿 • 电桥补偿方法
第3章 应变式传感器
3.2 金属应变片的主要特性
（3）ห้องสมุดไป่ตู้变片温度误差及补偿
• 自补偿方法
第3章 应变式传感器
3.3 电阻应变片测量电路
（1）直流电桥
①直流电桥的平衡条件
负载RL—∞（开路）
U0
E
R1 R R1 R R2
R3 R3 R4
电桥平衡时 I0=0 U0=0 对臂积相等 邻臂比相等
一个受压接在电桥的相邻两个臂，电桥输出为：
U0
E
R1
R1 R1 R1 R2 R2
R3 R3 R4
R1 R2 R
第3章 应变式传感器
3.3 电阻应变片测量电路
（1）直流电桥 ③非线性误差补偿
电桥输出：
U0
E 2
R R
半桥电压灵敏度为：
Ku
E 2
讨论：
▪ 输出电压U0与R1/R1呈线性关系，无非线性误差； ▪ 电压灵敏度是单桥的两倍；
温度变化Δt时电阻丝的电阻变化
Rt Rt R0 R0tt
因试件使应变片电阻产生附加形变造成的电阻变化
Rt R0 K g s t
第3章 应变式传感器
3.2 金属应变片的主要特性
（3）应变片温度误差及补偿
➢ 温度补偿方法有：电桥线路补偿、自补偿、辅助测量补偿、 热敏电阻补偿、计算机补偿等。
吊秤
第3章 应变式传感器
概述
电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维， 大到登月火箭，精确度可到 0.01—0.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、 弯曲式、剪切式。
应变式传感器特征： ▪ 不同材料类型；金属应变片、半导体应变片； ▪ 应用范围；应变力、压力、转矩、位移、加速度； ▪ 主要优点；使用简单、精度高、范围大体积小，对被测对象影响 小； ▪ 测量范围广,可测1-2微应变，大到数千微应变； ▪ 频率响应：10E-7s，半导体传感器10E-11s，频带达数百千赫。
U
Z1Z4 Z2Z3 (Z1 Z2 )(Z3 Z4 )
➢ 电桥平衡条件：
Z1Z4 Z2Z3 0
第3章 应变式传感器
3.3 电阻应变片测量电路
（2）交流电桥
交流电桥需满足 对臂复数的模积相等，幅角之和相等。
| Z1 || Z4 || Z2 || Z3 |
交流电桥输出：
1 4 2 3
U0
U
(Z4 Z3 ) (Z1 Z1) (1 Z1 Z1 Z2 Z1)(1 Z4
Z3 )
第3章 应变式传感器
3.3 电阻应变片测量电路
（2）交流电桥
已知 Z1 Z2 Z3 Z4 忽略分母项 Z
交流单桥输出：
U0
1U 4
Z1 Z1
交流半桥输出：
U0
1U 2
Z1 Z1
其中：
Z1
1
R1
j R1C1
R1R4 R2R3
R1 / R2 R3 / R4
第3章 应变式传感器
3.3 电阻应变片测量电路
（1）直流电桥 ②电压灵敏度
设R1为应变片，应变时R1变化量为ΔR1，这时电桥失衡， 不平衡输出电压为：
U0
E
R1 R R1 R R2
R3 R3 R4
E
(1
(R4 R1 / R1
/ R3)(R1 / R1)
U0'
E
R1 (1 n R1 )(1 n)
R1
非线性误差：
L
U0
U
' 0
U0
R1 / R1 1 n R1 / R1
等臂电桥n=1时, 由上式近似得到：
L
R1 2R1
第3章 应变式传感器
3.3 电阻应变片测量电路
（1）直流电桥 ③非线性误差补偿
➢ 可见非线性误差与ΔR1/R1成正比 ➢ 为减小非线性误差常采用差动电桥 差动电桥：在试件上安装两个工作片，一个受拉、
讨论： ▪ 电桥电压灵敏度Ku越大，应变变化相同情况输出电压越
大； ▪ Ku与电桥电源E成正比Ku∝E，但供电受应变片允许功耗
限制； ▪ Ku是桥臂比n的函数Ku（n），恰当选择n可提高电压灵
敏度Ku。
第3章 应变式传感器
3.3 电阻应变片测量电路
（1）直流电桥 ②电压灵敏度
讨论：
• 显然 n=1 R1=R2 R3=R4时有Ku最大
➢当电阻丝受到轴向拉力F作用时，电阻值ΔR的 变化引起电阻的相对变化为:
R l S RlS
第3章 应变式传感器
3.1 电阻应变片原理
（1）应变效应
当电阻丝受到轴向拉力F作用时，金属丝几何尺 寸变化引起电阻的相对变化
第3章 应变式传感器
3.1 电阻应变片原理
（1）应变效应
用横向、颈向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：
(1 2)
/
金属应变片灵敏系数k0由材料的几何尺寸决定的
应力 σ=Eε 可见 σ∝ε
应变 ε∝ΔR/R
应力 σ∝ΔR/R
• 通过弹性元件可将位移、压力、振动等物理量将
应力转换为应变进行测量，这是应变式传感器测量
应变的基本原理。
第3章 应变式传感器
3.1 电阻应变片原理
（2）压阻效应和压阻式传感器 ❖ 半导体应变片又称压阻式传感器 • 优点：灵敏度高、耗电少、有正负两种应力效应。 • 缺点：受温度影响较大。
Z1
(1
R1
j R1C1 )2
第3章 应变式传感器
3.3 电阻应变片测量电路
（2）交流电桥
➢ 交流电桥输出除满足电阻平衡条件， 还要满足电容平衡条件：
R1R4 R2R3
R2C2 R1C1
Z1 Z Z
Z2 Z Z
交流电桥输出用复数表示：
U0
U 2
1
1 2R2C2
R R
jU 2
C 1 2R2C2
αt 误差应变片本身电阻温度系数影响； βg 试件材料的线膨胀系数影响;
❖ 因环境温度改变引起的附加电阻变化与环境温度变化Δt
有关；
❖ 应变片本身的性能参数K、αt、βs； ❖ 试件参数βg有关。
第3章 应变式传感器
3.2 金属应变片的主要特性
（3）应变片温度误差及补偿 ➢电阻丝阻值与温度关系：
Rt R0 1 t t R0 R0t t
第3章 应变式传感器
3.3 电阻应变片测量电路
（2）交流电桥－平衡电路：
电阻平衡电路
电容平衡电路
第3章 应变式传感器
3.4 应变式传感器的应用
（1）电阻应变仪
➢ 按测量应变力的频率可分为静态应变仪和动态应变仪， 按应变力频率又可细分为： 静态 —— 5Hz； 静动态 —— 几百Hz； 动态 —— 5KHz； 超动态 —— 几十KHz；
▪ 线路补偿： 被测试件位置上安装一个补偿片处于相同的温度场； 电桥输出U0与桥臂参数的关系为：
U0=A（R1R3-RBR2） 当温度变化时 ΔR1=ΔRB，电桥平衡， 当有应变时 R1有增量ΔR1=Kε， 补偿片RB无变化ΔRB=0 电桥输出 U0=AR1R3Kε与温度无关
第3章 应变式传感器
3.2 金属应变片的主要特性
• 桥路输出电压：
U0
E 4
R1 R
dku 1 n2 0 dn dn
• 单臂工作片电压灵敏度：
E Ku 4
第3章 应变式传感器
3.3 电阻应变片测量电路
（1）直流电桥 ②电压灵敏度
单 桥
半
全
桥
桥
第3章 应变式传感器
3.3 电阻应变片测量电路
（1）直流电桥 ③非线性误差补偿
实际输出值为：
R1 n
R
第3章 应变式传感器