21应变式传感器2

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。

电源
电阻应变计
机械应变
放大、显示
∆R R
变化
电桥电路
工作方 式
电阻应变仪
U(I) 变化
桥臂关 系
负载
11
全等臂 电桥 Z 1 = Z 2 = Z 3 = Z 4 电压输出桥：R L → ∞ , I = 0 功率输出桥： U、 I
12
2
二、直流电桥及输出特性
初始平衡条件：
eφ =
U0=
E ∆R1 ∆R 2 ∆R 3 ∆R 4 ( − + − ) 4 R1 R2 R3 R4
18
3
4、应用 举例
被测非电量 弹性 应变
（ 2）应变计式加速度传感器 元件 传感元件 电阻 (应变片)
m
（ 1）应变式力传感器
电子自 动秤
m
例 2-11 筒形结构的称重传感器 FF F 惯性系 统： a F
a = F /m
适用频率： 10 ~ 60Hz
+ cx + kx = 0 m x
π-压阻系数， E—弹性模量
6
—— 半导体材料的电阻相对变化与线应变成正比
1
（ 3）导电丝材的应变电阻效应
五、电阻应变片的分类
金属丝 式应变片 金属箔 式应变片 半导体应变片
dR = K 0 ⋅ε R
金属
几何尺寸变化
K 0 = Km = (1 + 2u ) + C (1 − 2u )
电阻率变化
金属丝 材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主， K m=1.8 ~ 4.8 半导体
RL → ∞, I 0 → 0
E
13
SV =
U 0 E = Kε 2

p52 第8题
课堂作业：
WHY？？？
➢应变符号相同的接入相对桥臂上。 ➢应变符号相反的接入相邻桥臂上。
2.4.2 交流电桥
引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都 要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变 电桥多采用交流电桥。
由于供桥电源为交流电源 U，引线分布电容使得二
桥臂应变片呈现复 阻抗特性，即相当于两只应变片 各并联了一个电容。
？ 当E值确定后，n取何值时才能使KU最高？
分析思路：dKU/dn = 0求KU的最大值
dKU dn
1 (1
n2 n)4
0
当n=1时，KU为最大值。即在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4 时，电桥电压灵敏度最高，此时有
Uo
E 4
R1 R1
KU
E 4
结论：当电源电压E和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时， 电桥的 输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。
当受应变时：若应变片电阻变化为ΔR，电桥输出电压
Uo≠0，则电桥不平衡，输出电压为
Uo
E
R1 R1 R1 R1 R2
R3 R3 R4
R1R4
( R1 R1 R2 )(R3 R4 )
R4 R1
E
R3 R1
1
R1 R1
R2 R1
1
R4 R3
设桥臂比n=R2/R1，由于ΔR1<<R1，分母中ΔR1/R1可忽略， 并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3， 则上式可写为
单臂电桥 ：电桥中一桥臂为电阻应变片，其阻值变化为
ΔR，其他桥臂为固定阻值。
若ΔRi<<Ri，R1=R2＝R3=R4＝R，则得

Kx
R R x

同样，当ε=0时，可得横向灵敏度系数
Ky
R R y
r
横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应系数H。即
H K y (n 1) r K x 2nl (n 1) r
(2-10)
由（2-10）式可见，r愈小，l愈大，则H愈小。即敏感栅愈窄、基长愈Βιβλιοθήκη §2-1 金属应变片式传感器
4．零点漂移和蠕变 对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，即使被测试件未承受应力，
应变片的指示应变也会随时间增加而逐渐变化，这一变化就是应变片的零 点漂移。产生零点漂移的主要原因是敏感栅通以工作电流后的温度效应； 应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。
当应变片承受恒定的机械应变量，应变片的指示应变却随时间而变 化，这种特性称为蠕变。蠕变产生的原因是由于胶层之间发生“滑动”， 使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。 5．应变极限
应变为εr。
若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴向应变 ε作用下，
全部纵栅的变形视为△L1,则
△L1=nlε
半圆弧横栅同时受到ε和εr的作用，在任一微分小段长度dl=rdθ上的应变εθ 可由《材料力学》公式求得


1
2
r
1
2
r cos2
每个圆弧形横栅的变形量△l为
力（包括机械应力和热应力）所引起的表面应变。当应变量不大时，应变
片的指示应变值随试件表面真实应变的增加而线性增加。如曲线1所示。
当起初应变不断增加时，曲线1由直线1逐渐变弯，产生非线性误差，用相
对误差δ表示为
z i 100% z
属本身的特性有关，如康铜C≈1，Ks≈2.0，其它金属或合金，Ks一般在 1.8~3.6范围内。 （二）应变片的结构与材料