电阻应变式传感器

电阻应变式传感器的构成

一、电阻应变式传感器的概述

电阻应变式传感器是一种常见的力学量测量传感器，它利用材料的应变与电阻值之间的关系，将物理量转换为电信号输出。由于其结构简单、灵敏度高、可靠性好等优点，在工业生产和科学研究中得到广泛应用。

二、电阻应变式传感器的原理

电阻应变式传感器利用了材料在受力作用下会发生形变这一物理现象。当一个金属或合金材料受到外力作用时，其形状和尺寸会发生改变，这种改变被称为应变。而材料的电阻值与其长度、截面积及导体材料有关，当材料发生形变时，导体长度和截面积也会随之改变，进而影响其电阻值。因此，通过测量材料在受力作用下发生的应变程度以及相应的电阻值改变大小，就可以确定外力的大小。

三、电阻应变式传感器的构成

1. 应力臂：是指将外力作用于该部位，并将该部位产生的应力转移到敏感元件上。通常采用弹性杆或弹性薄片作为应力臂。

2. 敏感元件：是指将应变转化为电信号的部分，通常采用金属或合金材料制成，其电阻值随外力的大小而发生变化。

3. 支撑结构：支撑敏感元件和应力臂，使其能够承受外力作用并保持稳定。

4. 引线：将敏感元件的电信号传输到测量仪器中。

五、电阻应变式传感器的分类

根据敏感元件的不同，电阻应变式传感器可以分为：

1. 金属片式电阻应变式传感器：由薄金属片组成，当外力作用于其上时，产生形变从而改变其电阻值。

2. 金属箔式电阻应变式传感器：与金属片式类似，但由多个叠加在一起的薄金属箔组成，并采用绝缘材料隔开。

3. 桥式电阻应变式传感器：由四个敏感元件组成一个桥路电路，在测量中可消除温度对测量结果的影响。

4. 液体电阻应变式传感器：利用液体在受压作用下的体积变化，改变电阻值从而测量压力。

六、电阻应变式传感器的应用

电阻应变式传感器广泛应用于工业生产和科学研究中，例如：

1. 材料力学性能测试：如金属、塑料、橡胶等材料的拉伸、压缩、弯曲等性能测试。

2. 结构安全监测：如桥梁、大型建筑物等结构的安全监测。

1、 一应变片的电阻R0=120Ω，K=，用作应变为800μm/m的传感元件。 (1)求△R与△R/R； (2)若电源电压Ui=3V，求其惠斯通测量电桥的非平衡输出电压U0。

解：(1)△R/R=Kε=μm/106μm

=

则△R= x R= x 120Ω=Ω

(2)

2、如果将 120Ω的应变片贴在柱形弹性试件上，该试件的截面积 S=×10-4m2，材料弹性模量 E=2×1011N/ m2。若由5×104N的拉力引起应变片电阻变化了 Ω，求该应变片的灵敏系数 K。

解：△R/R=120=

K=△R/R/ε=2

3、以阻值R=120Ω，灵敏系数 K=的电阻应变片与阻值 120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为3V，并假定负载电阻为无穷大，当应变片的应变为 2με和2000με时，分别求出单臂、双臂差动电桥的输出电压，并比较两种情况下的灵敏度。

解：

单臂： 双臂：

电压灵敏度：

4、在材料为钢的实心圆柱试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为 120Ω的金属应变片R1和R2，把这两应变片接入差动电桥。若钢的泊松比 μ=，应变片的灵敏系数 K=2，电桥的电源电压Ui=2V，当试件受轴向拉伸时，测得应变片R1的电阻变化值 △R=Ω，试求电桥的输出电压 U；若柱体直径d=10mm，材料的弹性模量E=2×1011N/ m2，求其所受拉力大小。

解：由则=

所以电桥输出电压为

当柱体直径d=10mm时，由 ，得

5、某120Ω电阻应变片的额定功耗为40mW，如接人等臂直流电桥中，试确定所用的激励电压。

解：由电阻应变片R=120Ω，额定功率P=40mW，则其额定端电压为，当其接入等臂电桥中时，电桥的激励电压为

实验名称 电阻应变式传感器 实验地点 健翔桥实验室 实验时间 2012-3-25

1. 实验目的：

（1） 了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。

（2） 了解全桥测量电路优点。

2. 实验设备：

应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表(自备)

3. 实验原理及内容：

1） 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验

基本原理:电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：

ΔR/R=Kε

式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反应的受力状态。对单臂电桥输出电压U01=EKε/4。

2） 金属箔式应变片——全桥性能实验

基本原理：全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始阻值：R1= R2= R3=R4，其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，其桥路输出电压U03=KEε。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。

4. 实验步骤：

1） 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验

（1） 预习并写出预习报告；

（2） 根据图2-1应变式传感器已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。

图2-1 应变式传感安装示意图

（3） 接入模板电源±15V(从主控箱引入)，检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模板调节增益电位器Rw3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显表电压输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零(数显表的切换开关打到2V档)。关闭主控箱电源。

1、 一应变片的电阻R0=120Ω，K=，用作应变为800μm/m的传感元件。 (1)求△R与△R/R； (2)若电源电压Ui=3V，求其惠斯通测量电桥的非平衡输出电压U0。

解：(1)△R/R=Kε=μm/106μm

=

则△R= x R= x 120Ω=Ω

(2)

2、如果将 120Ω的应变片贴在柱形弹性试件上，该试件的截面积 S=×10-4m2，材料弹性模量 E=2×1011N/ m2。若由5×104N的拉力引起应变片电阻变化了 Ω，求该应变片的灵敏系数 K。

解：△R/R=120=

K=△R/R/ε=2

|

3、以阻值R=120Ω，灵敏系数 K=的电阻应变片与阻值 120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为3V，并假定负载电阻为无穷大，当应变片的应变为 2με和2000με时，分别求出单臂、双臂差动电桥的输出电压，并比较两种情况下的灵敏度。

解：

单臂： 双臂：

电压灵敏度：

4、在材料为钢的实心圆柱试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为 120Ω的金属应变片R1和R2，把这两应变片接入差动电桥。若钢的泊松比 μ=，应变片的灵敏系数 K=2，电桥的电源电压Ui=2V，当试件受轴向拉伸时，测得应变片R1的电阻变化值 △R=Ω，试求电桥的输出电压 U；若柱体直径d=10mm，材料的弹性模量E=2×1011N/ m2，求其所受拉力大小。

解：由则=

所以电桥输出电压为

{

当柱体直径d=10mm时，由 ，得

5、某120Ω电阻应变片的额定功耗为40mW，如接人等臂直流电桥中，试确定所用的激励电压。

解：由电阻应变片R=120Ω，额定功率P=40mW，则其额定端电压为，当其接入等臂电桥中时，电桥的激励电压为