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应变式压力传感器的原理及应用
一、应变式压力传感器的工作原理
应变式压力传感器是通过应变测量物体受力大小的一种传感器。
其工作原理是：在物体内部或表面放置应变片，当外部施加压力时，应变片就会发生形变并沿着其敏感方向产生感应电阻的变化。
传感器接收感应电阻的信号，并将其转化为电信号输出。
因此，当外界的压力改变时，应变感应电阻的值也随之改变，进而实现对压力变化的检测与测量。
二、应变式压力传感器在电子秤中的应用
电子秤是应变式压力传感器的主要应用领域之一。
在电子秤中，传感器被安装在秤盘下面，在物品放在秤盘上时，其所承受的重力会被传感器感知并转化为电信号，进而计算出物品的重量。
目前，市面上电子秤的类型繁多，其中最为流行的是称重范围较小（数百克至数千克）的电子秤。
这类秤采用应变式压力传感器作为其核心部件，具有灵敏度高、精度高、反应迅速的特点。
同时，由于应变式压应力传感器具有结构简单，易于维护等优点，因此在电子秤中的应用也较为广泛。
应变式传感器的应用原理图1. 简介应变式传感器是一种常用于测量物体应变或变形的传感器。
它基于应变效应，将物体的应变转化为电信号，从而实现对物体应变或变形的测量。
应变式传感器具有灵敏度高、响应速度快、可靠性好等优点，在多个领域都有广泛的应用。
2. 应变测量原理应变式传感器的应用原理主要基于应变测量原理。
当物体受到外力作用时，会产生应变。
应变是物体单位长度的变化量，可以用∆L/L来表示，其中∆L为长度变化量，L为初始长度。
应变式传感器通过检测物体的应变来实现变形或应变的测量。
3. 力传感器的类型3.1 电阻式应变式传感器电阻式应变式传感器是应变式传感器中最常见的一种。
它基于电阻的变化来检测应变。
当物体受到外力作用时，电阻式应变式传感器中的电阻会发生变化，进而改变电路的电阻值。
通过测量电阻值的变化，可以得知物体受到的应变或变形程度。
3.2 容抗式应变式传感器容抗式应变式传感器利用材料的介电常数与物体的应变之间的关系来实现应变测量。
当物体受到应变时，材料的介电常数会发生变化，使得电容值发生变化。
通过检测电容值的变化，可以得知物体受到的应变或变形程度。
3.3 压阻式应变式传感器压阻式应变式传感器是一种利用压阻效应来测量应变的传感器。
当物体受到外力作用时，会使传感器内部的压阻发生变化。
通过测量压阻的变化，可以得知物体受到的应变或变形程度。
4. 应变式传感器的应用领域4.1 工程领域在工程领域中，应变式传感器广泛应用于结构监测、材料力学性能测试、土壤监测等方面。
通过应变式传感器可以实时监测结构的变形情况，从而预测结构的安全性和稳定性，为工程施工和维护提供参考依据。
4.2 汽车工业在汽车工业中，应变式传感器常用于车身结构的监测和控制。
通过应变式传感器可以实时检测车身结构的应变情况，从而提供给车辆控制系统相关信息，用于调节车辆的悬挂系统和稳定性控制系统，提高行驶的安全性和舒适性。
4.3 医疗领域应变式传感器在医疗领域中有着广泛的应用。
应变式传感器的分类
应变式传感器是一种常见的物理量传感器，可以通过测量应变来检测各种物理量，如力、压力、重量等。
根据不同的分类标准，应变式传感器有多种分类方式：
1. 根据用途分类：应变式传感器可以用于测量力、压力、重量等物理量，因此可以根据其用途分为测力传感器、称重传感器、压力传感器等。
2. 根据结构形式分类：应变式传感器可以根据其结构形式分为平膜片式、平行梁式、柱式、桥式、悬臂梁式、双梁式、轮辐式、压力环式、板环式等。
3. 根据敏感元件分类：应变式传感器主要由敏感元件和转换元件组成，因此也可以根据敏感元件的材料和结构分为金属电阻应变片和半导体应变片。
4. 根据测量范围分类：应变式传感器可以用于测量各种物理量，其测量范围也各不相同，因此可以根据测量范围分为微应变传感器和大量程传感器。
5. 根据输出信号分类：应变式传感器可以根据其输出信号的类型分为模拟输出和数字输出两种类型。
总之，应变式传感器的分类方式多种多样，可以根据不同的需求和标准进行选择。
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、压阻式、压电式传感器特性比较1．应变式传感器应变式传感器是把力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的，应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随力所产生的应变而变化。
应变效应是导体受机械变形时，其电阻值发生变化的现象。
2．压阻式传感器压阻式传感器的灵敏度比金属丝式应变片的灵敏度高，其精度好，而且响应频率好，工作可靠。
缺点是受温度影响较大，应进行温度补偿压阻效应是物质受外力作用发生变形时，其电阻率发生变化的现象。
3．压电式传感器压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应，目前广泛使用的压电材料有石英和钛酸钡等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷，这种现象称为“压电效应”。
压电式压力传感器不能用作静态测量，一般用于测量脉动压力，不能测量静压力；压电传感器产生的信号很弱而输出阻抗很高，必须根据压电传感器的输出要求，将微弱的信号经过电压放大或电荷放大（一般是电荷放大），同时把高输出阻抗变换成低输出阻抗，此信号才能被示波器或其他二次仪表接受。
压电式传感器与压阻式传感器的区别及其优缺点前边的那个受电场的干扰，后边那个受温度的干扰，看你用在那个场合。
前者的原理是压电效应，后者原理是受力后的应变。
前者的缺点是电荷泄露，优点是结构简单，灵敏度和信噪比高。
后者的缺点是信噪比不高，而且结构比前者复杂，优点是便宜，耐用，频率响应好。
压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。
其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。
当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。
用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。
压电式传感器：基于压电效应的传感器。
是一种自发电式和机电转换式传感器。
应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器在工业生产中的应用应变式传感器可以用来测量重量、压力、微位移等，是应用比较多的一种传感器应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生的应变的一种传感器。
电阻应变片则是其最常采用的传感元件。
它是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件应变式传感器具有很多优点：1、分辨力高，能测出极微小的应变，如1-2微应变；2、误差较小，一般小于1%；3、尺寸小、重量轻。
4、测量范围大，从弹性变形一直可测至塑性变形（1-2%），最大可达20%；5、既可测静态，也可测快速交变应力；6、具有电气测量的一切优点，如测量结果便于传送、记录和处理；7、能在各种严酷环境中工作。
如从宇宙真空至数千个大气压；从接近绝对零度低温至近1000℃高温；离心加速度可达数十万个“g”；在振动、磁场、放射性、化学腐蚀等条件下，只要采取适当措施，亦能可靠地工作；8、价格低廉、品种多样，便于选择和大量使用。
电感式传感器可测量弯曲和偏移；可测量振荡的振幅高度；可控制尺寸的稳定性；可控制定位；可控制对中心率或偏心率。
电感传感器还可用作磁敏速度开关、齿轮龄条测速等，该类传感器还广泛应用于纺织、化纤、机床、机械、冶金、机车汽车等行业的链轮齿速度检测，链输送带的速度和距离检测，齿轮龄计数转速表及汽车防护系统的控制等。
另外该类传感器还可用在给料管系统中小物体检测、物体喷出控制、断线监测、小零件区分、厚度检测和位置控制等电感式传感器许多行业和消费类产品都使用了电容传感器，例如计算机外设、病人监控设备、冰箱霜冻传感器、销售终端以及车库大门安全传感器等。
最流行最直接的应用是触摸屏和触摸板。
电容感应在感应有物体接近而非实际的触摸时，尤为重要。
这就是“接近探测”(proximity detection)的概念。
汽车门锁和门禁控制就是接近探测的一个应用实例。
一旦授权用户用手接近车门，车门即可打开或者启动引擎它可以用来量测液体位准、湿度、以及物质成分.。
应变式称重传感器的设计与计算此篇文章的形成是基于对称重传感器设计者能有所帮助。
它深进分析推导出一些公式，这些公式能够计算出位于称重传感器上的某些尺寸大小，并提供所需要的输出。
此篇文章还先容了各种误差来源及设计建议。
粘贴式电阻应变计广泛应用于当今高精度测力与称重传感器的制造中。
本篇文章为帮助称重传感器设计者计算出称重传感器尺寸大小，从而为获得唯一需要的输出作了充分的预备。
设计者既可以运用有限元分析法经计算机程序（假如可能）来确定称重传感器所需要的尺寸，或运用本文所提供的公式来计算此尺寸。
应力公式选自一部非常好的书——应力与应变公式（见参考文献[1]）。
除了公式汇编，本文还讨论了误差的可能来源及设计建议，有关误差来源的信息主要是基于作者的经验。
文中所描述的相关称重传感器没有作专利调查，在考虑把所讨论的设计用于产品的生产或推向市场前，有必要作一下调查。
通过某些假设得出的这些计算公式，另外还有电阻应变计的特性、应力形式、材料特征以及机械加工的偏差都会导致计算结果的一定误差。
在批量制造称重传感器前，应制造几个样机进行组装、测试和标定。
在某些产业中，如航天产业也许只需要一次性的称重传感器，为决定其非线性、重复性和滞后等误差，在使用前对其进行标定是十分重要的。
当计算机被应用于数据处理时，非线性、零点漂移及灵敏度变化，是很轻易修正的。
假如称重传感器在使用时要经历强烈的温度变化和外部附加载荷的影响，我们应进行试验并丈量出这些影响量所造成的误差。
假如某部分结构（如接头、销子、压杆）用来丈量或是被用作称重传感器时，标定和测试就尤为重要了。
称重传感器设计包括很多方面，这里对其制造生产不予讨论，例如，需要对电阻应变计安装技术知识的全面了解，一些电阻应变计制造商提供技术资料的同时，还应提供电阻应变计安装的分类等。
有关称重传感器设计的附加内容见参考文献[2]（a）和[2]（b）。
这份小册子及计算机程序比较完整，可以从制造商那里获得。
在过往十年中，计算机技术的发展改变了称重传感器的设计、制造与记录方式，例如在电阻应变计被安装后，所有的称重传感器都有一个原始的不平衡（当没有载荷作用时，也有输出信号存在）。
通常零点调整电阻被应用于贸易称重传感器，以便消除这种不平衡。
运用计算机程序，零点不平衡数据很轻易被除掉。
除了零点调整电阻外，在精密的贸易称重传感器中安装了很多电阻，便于补偿诸如零点和灵敏度温度影响。
假如在记录数据的同时，称重传感器的温度也进行了丈量，并且当这个称重传感器被标定时，温度造成的误差已被测定，那么就应该运用计算机程序修正终极数据。
贸易称重传感器制造商不为计算机提供用于修正原始不平衡或温度影响的数据，由于他们不想局限市场。
贸易称重传感器不安装零点平衡及温度补偿电阻会节省大量资金，尤其是需求量很大时效果更明显。
符号定义a—结构系数。
A—横截面面积。
A′—中性轴上横截面面积。
A1—中性轴上翼缘面积。
A2—中性轴上腹板面积。
b—应变梁翼缘或矩形截面的宽度。
c—从中性轴到应变梁或翼缘上表面的间隔。
d—从中性轴到翼缘下表面的间隔。
e—拉伸或压缩应变。
—应变计1、2、3、4的应变值。
—应变计1应变的尽对值。
e s—应变梁表面应变。
e t—电桥的总有效应变。
E i—电桥的激励电压。
E0—电桥的输出电压。
E m—弹性模量。
f—翼缘厚度。
G f—应变计灵敏系数。
h—应变梁厚度。
J—横截面的惯性矩。
l—从应变梁中心到应变计中心线的间隔。
L—应变梁上两个应变计中心线之间的间隔。
μ—泊松比。
M—应变计中心的弯矩。
N—电桥应变放大系数。
p—分载荷。
P—主载荷。
r—圆柱式弹性体半径。
S—拉伸或压缩应力。
S a—均匀应力。
S b—弯曲应力。
S s—剪切应力。
t—中性轴处腹板的厚度。
T—轴的扭矩。
V—剪力。
Z′—从中性轴到A'质心的间隔。
Z1—从中性轴到翼缘质心的间隔。
Z2——从中性轴到腹板质心的间隔。
称重传感器的输出计算图1 称重传感器电路简图图1是一个不含温度补偿电阻的称重传感器电路简图。
四个电阻应变计呈现在惠斯通电桥的桥臂上。
请留意，应变方向相同的两个电阻应变计安装在电桥的相对桥臂上，以保证电桥灵敏度最大。
例如，电阻应变计1和3受拉伸应力，2和4受压缩应力，那么这种安装的结果是当称重传感器承载后，增加了电桥从B点到C点的终极电压输出。
相反，当称重传感器由于温度影响而改变它的电阻时，由于增加或减少相同的量，电桥的终极输出不会变化。
这种电桥的构造由于温度产生单一的最小输出值，而使称重传感器产生最大输出值。
如图1所示，电桥输出E0与输进E i之比为：式中：G f—应变计系数，由应变计制造商提供的非尺寸大小因素。
e t—电桥上应变计的全部有效应变产生的总的应变输出。
变化公式（1），得到总应变：通过这两个公式，便可以计算称重传感器的输出灵敏度E0/E i，假如给出了电桥各桥臂的应变值，就可以计算出总的应变值e t。
假如给出了所需要的电桥输出值，要想确定电桥的总应变值e t，我们必须知道每个桥臂的应变值：式中：e1—应变计1的单轴应变值（通常是称重传感器上最大最主要的应变）。
e2、e3和e4—应变计2、3和4上的单轴应变值。
上述公式e t中的加号和减号是由其在电桥上的位置而决定的。
假如应变计1和3处于拉伸应力，使得电阻增加（或者相对于C、B处得到一个正的输出），应变计2和4处于压缩应力，使得电阻减小（或者是得到一个负的输出），则公式为：最后，由于电桥的位置，应变计电阻的变化et的公式如下：在全部称重传感器设计中，应变计1、2、3和4上的应变值存在着一个固定的关系N（电桥应变放大系数），则上式可以写为：和用公式（1）代替e t，结果是：公式（2）变化为：有三种应力被应用于称重传感器的设计中，即拉伸与压缩应力，弯曲应力和剪切应力。
利用拉伸与压缩应力的称重传感器利用拉伸应力与压缩应力的多为贸易称重传感器，它是利用单一载荷产生的应力，代替被称物体产生的应力。
由于有较小的纵剖面设计，能为所给的受力状态提供较大的输出。
在航空产业中，通常用圆柱形弹性体作称重传感器（处于拉伸应力或压缩应力的圆柱）是比较方便的。
最好是将圆柱的两端固定或设计成双球面，若是作不到这一点，就把应变计粘贴在附加弯矩最小区域，那里的横截面存在有规律的变化，并产生最小的弯曲应力。
留意：1、应变计1、4和2、3为单轴结构或90°应变花，在圆筒表面相隔180°粘贴。
2、在载荷P方向，应变计1、3受拉伸，应变计2、4受压缩。
图2 电阻应变计位置图图2是圆柱式称重传感器的一个例子，有关计算圆柱应力S的传统公式如下：式中：P—轴向载荷。
A—圆柱横截面面积（图2的A-A部分）。
S—拉伸或压缩应力。
既然这是一个单轴向载荷的圆柱，就可应用虎克定律，其应力、应变可用如下公式计算：式中：E m—弹性模量。
e1—1号应变计的轴向应变值。
圆柱式称重传感器电桥的输出应由公式（5）计算。
既然圆柱的尺寸大小是固定的，正如下面例子所给出的：假设一个额定载荷为P=2500Ib（磅）的钢制弹性体，弹性模量E m=10.6×106psi（磅/英寸2），圆筒的外径为2.0英寸，内径为1.75英寸。
通过计算其横截面面积为A=0.736英寸2。
为通过公式（3）和（4）确定N，e1=e3，e2=e4=μe1，式中μ为泊松比。
代进公式（3）和（4），其结果为：N=1+μ+1+μ=2（1+μ）由于钢的μ值为0.32，所以N=2.64。
利用公式（7）计算应力，即通过公式（8）确定应变计1的应变值，即通常写为e1=320microinches/inch（微英寸/英寸）。
假如应变计灵敏系数（由制造商提供）为2.0，代进公式（5）中，计算结果如下：这说明假如给电桥施加E i=10V激励电压，一个2500磅的载荷施加在称重传感器上时，输出的变化应为E0=4.22mv。
一个典型的商用称重传感器的额定输出为从2.00到3.00mv/v或从20到30mv（施加10v激励电压时），所以0.422mv/v是一个较低的输出。
若要增大这个例子中圆筒式称重传感器的输出，我们可以作很多工作。
（A）为求所需要的横截面面积A，假定计算灵敏度为2.0mv/v，就必须选择能形成这一面积的外径。
可在圆柱弹性体表面粘贴应变计并使其受载进行验证，直到得出满足要求的直径为止。
假如这种方法不行，可以试验下一个方法。
（B）电桥输出电压E0与输进电压E i成正比，输进电压受材料，电桥电阻，应变计尺寸等限制（见参考文献[3]）。
假定施加在电桥上的最大推荐电压为10V，要想应用更高的电压，可通过加大电桥电阻的方法，即采用更大电阻的应变计。
图2展示的4个应变计，其中两个应变计在0°位置上（或粘贴一个90°的应变花），另两个应变计在180°位置上（或粘贴第2个应变花）。
应用8个应变计的电桥，在圆柱表面沿0°，90°，180°和270°粘贴90°的应变花，电桥各臂电阻会增大一倍。
这时输进电压可增大，但是由于推荐应用于电桥的电压与电阻的平方根成比例，所以这只能增加输出值的1.41倍。
另外，假如应变计的栅长和栅宽分别由1/8英寸增大到1/4英寸时，应变计的面积便增加了4倍，而输出增加一倍。
现在总输出增加了（1.41×2）或2.82倍，电桥电压会增加到28.2V，输出由11.9mv取代了4.22mv。
柱式称重传感器的误差来源一个泊松电桥（两个应变计丈量主应变，另两个应变计丈量由于泊松比影响而产生的应变）是固有的非线性电桥。
对于一个灵敏度为2.0mv/v的称重传感器，这种固有的非线性大约为0.10%。
电桥的非线性可以被另一个非线性部分所抵消一些。
引起另一个非线性的原因是由于泊松比使得柱式弹性体横截面面积增加或减少。
例如，当称重传感器承受压向载荷时，横截面面积增加，使压缩应力减小；当承受拉向载荷时，就是相反的情况。
对于一个灵敏度为2.0mv/v的称重传感器，由于截面积变化引起的非线性误差大约为0.05%，所以总的非性误差为0.10%～0.05%或者0.05%。
这是非常小的通常可以忽略不计，但是在称重传感器检测数椐中，这是应该被检测的误差。
精密的商用称重传感器应利用附加的半导体应变计，此半导体应变计被粘贴在弹性体上，并串联在电桥电路的供桥端来补偿非线性。
留意图2圆柱式弹性体上应变计的安排，全部应变计被粘贴在同一个平面上，例如纵向应变计1和3为0°和180°，横向应变计2和4为90°和270°，且所有应变计的中心线处于一个横截面的水平线上。
圆柱上的应变计如图2安排，有两个原因：（A）弯曲应力是误差的来源之一，必须使之最小化。
