应变式传感器原理及应用

实验一应变式传感器一、应变片单臂电桥性能实验〔一〕、实验目的：了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。

〔二〕、基本原理：电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。

一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。

此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。

它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。

1、应变片的电阻应变效应所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。

以圆柱形导体为例：设其长为：L、半径为r、材料的电阻率为ρ时，根据电阻的定义式得〔1—1〕当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变化为dR。

对式〔1—1〕全微分得电阻变化率 dR/R为：〔1—2〕式中：dL/L为导体的轴向应变量εL; dr/r为导体的横向应变量εr由材料力学得：εL= - μεr (1—3)式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为左右；负号表示两者的变化方向相反。

将式〔1—3〕代入式〔1—2〕得：〔1—4〕式〔1—4〕说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变〔几何效应〕和本身特有的导电性能〔压阻效应〕。

2、应变灵敏度它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。

(1)、金属导体的应变灵敏度K：主要取决于其几何效应；可取〔1—5〕其灵敏度系数为：K=金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。

金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。

(2)、半导体的应变灵敏度：主要取决于其压阻效应；dR/R<≈dρ⁄ρ。

应变式传感器工作原理
应变式传感器是一种常用的测量和监测物体应变状态的传感器，它能将物体的应变转化为电信号输出。

它的工作原理主要分为以下几个步骤：
1. 将传感器固定在要测量的物体表面上。

当物体受到外力或应变时，物体会发生形变。

2. 形变会导致传感器上的弹性元件（通常为金属片或薄膜）发生应变。

应变会改变这些弹性元件的形状和尺寸。

3. 传感器上连接有应变电桥电路，其中包括若干个电阻，这些电阻的值会随着弹性元件的应变而发生变化。

4. 应变电桥电路会将这些变化转化为电压信号。

当物体受到应变时，电桥电路会产生输出电压信号，其幅度和方向与应变成正比。

5. 最后，将输出电压信号进行放大、滤波等处理，将其转换为可以被测量和记录的物理量值。

总的来说，应变式传感器利用物体受到应变时弹性元件的形变来产生电压信号，从而实现对应变状态的测量和监测。

高考 ·学科教育·二○一三年四月83电阻应变式传感器工作原理及应用海南省高级技工学校 刘 安摘 要：电阻应变式传感器是将被测非电量转变成电阻值，通过测量电阻值达到测量非电量的目的。

利用电阻式传感器可以测量形变、压力、力、位移、加速度和温度等非电量参数。

电阻应变式传感器是测量这些参数应用最广泛的传感器。

本文主要阐述了电阻应变效应、应变片、电阻应变式传感器的结构及工作原理，并简述了其应用。

关键词：电阻应变效应、应变片、电阻应变式传感器、应用。

随着科学技术的飞速发展，传感器的重要性正日益为人们所认识，国内外都已将传感器技术列为优先发展的科技领域之一。

目前，传感器已应用到日常生活、工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、医学诊断等广泛的领域。

可以说，传感器无处不在。

传感器是能够感受规定的被测量（物理量、化学量、生物量等）并按照一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（即电量）的装置。

而电阻应变式传感器是把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器，具有灵敏度高、稳定性好等优点，因此在自动检测与控制技术领域里得到了广泛的应用。

一、电阻应变效应导体或半导体材料在受到外力作用下而产生机械形变时，其电阻值也发生相应变化的现象称为电阻应变效应。

电阻应变片的主要工作原理是基于电阻应变效应。

Sl R ρ=对于一根长为l、 截面积为S、 电阻率为ρ的金属电阻丝，其电阻值为：若金属丝在轴向受到应力的作用, 其长度变化Δl, 截面变化ΔS, 电阻率变化Δρ, 而引起电阻变化ΔR。

则可以得到以下结论：当金属电阻丝拉伸时，其电阻值增加；当金属电阻丝被压缩时，电阻值减小。

但电阻值变化的范围很小。

εK RR=∆大量实验证明，具有初始电阻R 的应变片发生应变，使电阻值发生相应的变化ΔR，则在一定的应变范围内，应变片满足式中:RR ∆为电阻变化率;k 为灵敏度系数; ε为应变值。

应变片的灵敏度系数k 主要受两个因素影响：材料的几何尺寸和电阻率。

电阻应变式传感器工作原理
电阻应变式传感器是一种利用电阻值随物体形变而发生变化的传感器，常被用于测量材料的应变或力的大小。

其工作原理基于导电材料在受到应变时电阻值发生变化的特性。

以下是电阻应变式传感器的基本工作原理：
1. 导电材料的特性：电阻应变式传感器通常使用导电性能较好的金属材料，如铜或铂。

这些材料在受到外部应变（例如拉伸或压缩）时，会导致其内部原子结构的变化，从而改变电阻值。

2. 应变引起电阻变化：当导电材料受到应变时，晶格结构发生变化，导致电子流通的路径发生扭曲或拉伸，从而引起电阻值的变化。

这个变化通常是线性的，与应变的大小成正比。

3. 电桥电路：电阻应变式传感器常常被集成到电桥电路中。

电桥电路包括多个电阻，其中一个是电阻应变式传感器。

当传感器受到应变时，其电阻值发生变化，导致整个电桥电路的电阻不平衡。

通过测量电桥电路两个对角线上的电压差，可以确定电阻变化的大小，从而计算出应变的值。

4. 信号放大和处理：电阻应变式传感器输出的信号较小，通常需要进行放大和处理。

使用放大器、滤波器等电子元件来增强和调整传感器输出的信号，以便更准确地测量和记录应变值。

5. 应变测量与力/压力关联：应变是由物体的形变引起的，通过测量电阻应变式传感器的电阻变化，可以间接地得知物体的形变情况。

进一步，通过已知材料的弹性特性，可以将应变转换为物体所受的力或压力值。

总体而言，电阻应变式传感器通过测量导电材料在应变作用下的电阻变化，实现对物体形变的测量，从而可以用于测量受力物体的力或压力。

这种传感器在工程、结构监测和材料测试等领域得到广泛应用。