第1講 開始、電阻式傳感器-

現(xiàn)代傳感器理論與技術(shù)現(xiàn)代傳感器理論與技術(shù)&電阻應(yīng)變式傳感器&壓阻式傳感器電阻式（應(yīng)變式）半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)金屬應(yīng)變效應(yīng)傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器主要內(nèi)容

1.1電阻應(yīng)變片工作原理

1.2金屬應(yīng)變片的主要特性

1.3應(yīng)變片測量電路

1.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器廣泛應(yīng)用于各種衡器、應(yīng)變測量各種電子秤概述電子天平高精度電子汽車衡動態(tài)電子秤機(jī)械式傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器液壓叉車秤吊秤遙動遙控吊秤機(jī)械秤包裝機(jī)傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器應(yīng)變儀特性：測量通道：8通道，可多模塊組合測量范圍：±30000με（微應(yīng)變）測量精度：±1.5με掃描率高于1次/秒支持多種橋路接入方式：1/4橋、半橋、全橋（4線、6線）應(yīng)變片類型：120Ω～1kΩ應(yīng)變系數(shù)：1.80～2.20采樣率可設(shè)置為每通道10次/秒到幾天采集一次實(shí)時顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)和所設(shè)置的參數(shù)2～8MByte非易失性存儲器，用于存儲測量數(shù)據(jù).概述傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器上海盧浦大橋通車應(yīng)變試驗(yàn)傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器上海國際會議中心模型試驗(yàn)傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器打樁船吊塔強(qiáng)度試驗(yàn)傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器概述電阻式應(yīng)變傳感器是測力與應(yīng)變的主要傳感器，測力范圍小到肌肉纖維（5×10-5N)，大到登月火箭(5×107N),精確度可到0.01～0.1%，有10年以上的校準(zhǔn)穩(wěn)定性?？捎糜趹?yīng)變力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、加速度。據(jù)統(tǒng)計日本力傳感器中應(yīng)變片占70%，美國占90%。電阻應(yīng)變式傳感器也是應(yīng)用最廣泛的傳感器，傳感器的基本原理是將被測的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路變換成電量輸出。應(yīng)變式傳感器特征：主要優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單、精度高、范圍大體積小。缺點(diǎn)，電阻、半導(dǎo)體會隨溫度變化。有不同材料類型，金屬應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片；

RF傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.1電阻應(yīng)變片工作原理

金屬應(yīng)變片結(jié)構(gòu)：網(wǎng)狀敏感柵——高阻金屬絲、金屬箔基片——絕緣材料蓋片——保護(hù)層（1）應(yīng)變片結(jié)構(gòu)金屬絲式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)金屬箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.1電阻應(yīng)變片工作原理

（1）應(yīng)變片結(jié)構(gòu)1—敏感元件2、4—基底3—引線應(yīng)變片組成應(yīng)變片結(jié)構(gòu)傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.1電阻應(yīng)變片工作原理

金屬電阻應(yīng)變片的基本原理基于電阻應(yīng)變效應(yīng)：即導(dǎo)體在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變時，其電阻值發(fā)生變化。

一根長L，截面積為S，電阻率為ρ的金屬絲電阻為:（2）應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)電阻絲受到軸向拉力F作用時，金屬絲幾何尺寸變化引起電阻的相對變化,電阻值ΔR的相對變化為:傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.1

電阻應(yīng)變片工作原理

（2）應(yīng)變效應(yīng)其中軸向應(yīng)變?yōu)椋簭较驊?yīng)變?yōu)椋海ń孛娣e相對變化量）在彈性范圍內(nèi)金屬絲受拉時軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系，負(fù)號表示應(yīng)變受力Ｆ方向相反橫向變形系數(shù)：（泊松系數(shù)）傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.1

電阻應(yīng)變片工作原理

用軸向、徑向應(yīng)變、泊松系數(shù)帶入后電阻變化率為：令金屬電阻絲的靈敏系數(shù)為k0，表示單位應(yīng)變能引起的金屬絲電阻相對變化：

金屬絲受力后主要引起兩個方面的變化：

材料幾何尺寸變化（1+2μ）；

材料電阻率的變化（Δρ/ρ）/ε（2）應(yīng)變效應(yīng)傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.1電阻應(yīng)變片工作原理

泊松系數(shù)μ=0.25～0.5(鋼μ=0.285)

因?yàn)樗詋0≈1+2μk0≈1.5～2

金屬應(yīng)變片靈敏系數(shù)k0主要由材料的幾何尺寸引起的

應(yīng)力σ=Eε（E彈性模量）σ∝ε

應(yīng)變ε∝ΔR/R應(yīng)力σ∝ΔR/R

通過彈性元件可將位移、壓力、振動等物理量通過應(yīng)力變化，并轉(zhuǎn)換為電阻的變化進(jìn)行測量，這是應(yīng)變式傳感器測量應(yīng)變的基本原理。（2）應(yīng)變效應(yīng)金屬電阻絲靈敏系數(shù)傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.1電阻應(yīng)變片工作原理

半導(dǎo)體材料在某一方向受到作用力時，它的電阻率會發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象被稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片是一種利用半導(dǎo)體材料壓阻效應(yīng)的電阻型傳感器，對于金屬電阻絲應(yīng)變片，靈敏系數(shù)k0主要由材料的幾何尺寸引起的，且μ=0.25～0.5，k0≈1.5～2

（3）半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)已知固體受力引起電阻變化為：傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.1

電阻應(yīng)變片工作原理

半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)具有明顯的各項(xiàng)異性，可用矩陣表示，這里我們不討論半導(dǎo)體的晶向表示方法，只用結(jié)論。壓阻系數(shù)π隨應(yīng)力的方向和電流方向不同而不同XYZFF（3）半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)施力方向和電流方向相同,稱縱向壓阻系數(shù)πl(wèi);施力方向和電流方向垂直時,稱橫向壓阻系數(shù)πe。嚴(yán)格講壓阻系數(shù)共有四階張量πijk

l，81個分量。硅膜很薄時三維向量簡化為二維，應(yīng)力作用下膜片電阻變化近似為傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.1

電阻應(yīng)變片工作原理

半導(dǎo)體的電阻取決于有限數(shù)量的載流子（空穴、電子）遷移率，加在一定單晶向的外應(yīng)力引起半導(dǎo)體能帶變化，使載流子的遷移率發(fā)生大的變化，使電阻率有很大變化。半導(dǎo)體的電阻率變化與壓阻系數(shù)有關(guān)XYZFF（3）半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.1

電阻應(yīng)變片工作原理

可見對于半導(dǎo)體應(yīng)變片，靈敏系數(shù)k0主要由電阻率的變化引起的。

壓阻式傳感器的靈敏度k0比金屬應(yīng)變片可以大50～100倍，有時無需放大可直接測量;但是半導(dǎo)體元件對溫度變化敏感，這在很大程度上限制了半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)用。（3）半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體硅材料壓阻系數(shù)為半導(dǎo)體硅材料彈性模量為靈敏系數(shù)傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.1

電阻應(yīng)變片工作原理

物體在外力作用下而改變原來尺寸或形狀的現(xiàn)象稱為變形，而當(dāng)外力去掉后物體又能完全恢復(fù)其原來的尺寸和形狀，這種變形稱為彈性變形。具有彈性變形特性的物體稱為彈性元件。彈性元件在應(yīng)變片測量技術(shù)中占有極其重要的地位。它首先把力、力矩或壓力變換成相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給粘貼在彈性元件上的應(yīng)變片，通過應(yīng)變片將力、力矩或壓力轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻值。（4）彈性敏感元件及基本特性傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.1

電阻應(yīng)變片工作原理

各種形式的金屬式電阻應(yīng)變片

金屬式電阻應(yīng)變片常見的有絲式、箔式、薄膜型（5）應(yīng)變片種類傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.1

電阻應(yīng)變片工作原理

按材料分為體型—絲式、箔式金屬式：薄膜型半導(dǎo)體式：體型、薄膜型、擴(kuò)散型、外延型、PN結(jié)型按結(jié)構(gòu)分：單片、雙片、特殊形狀按使用環(huán)境：高溫、低溫、高壓、磁場、水下（5）應(yīng)變片種類傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.1

電阻應(yīng)變片工作原理

金屬絲式——敏感柵用0.025mm金屬絲（康銅、貴金屬）；金屬箔式——通過光刻腐蝕工藝，照相制版作成金屬薄柵，厚度在0.003～0.01mm，敏感柵截面為矩形，可通過大電流，工藝適于批量生產(chǎn)；金屬薄膜型——采用真空技術(shù)，在基片上蒸鍍金屬薄膜，厚度為納米級。半導(dǎo)體式：體型、薄膜型、擴(kuò)散型、外延型、PN結(jié)型（5）應(yīng)變片種類體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器

k0表征金屬絲的靈敏系數(shù)，但金屬絲做成應(yīng)變片后，電阻應(yīng)變特征與單根金屬絲不同。應(yīng)變片通過粘合劑粘貼在試件上，應(yīng)變時通過膠層將試件上的應(yīng)變傳遞到應(yīng)變片敏感柵上，所以實(shí)際的靈敏系數(shù)包括基片、粘合劑、敏感柵的橫向效應(yīng)等因素。做成應(yīng)變片以后，必須重新標(biāo)定。通常采用實(shí)驗(yàn)的方法:按統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，如受單向力拉力或壓力，試件材料為鋼，箔松系數(shù)μ=0.285。因?yàn)閼?yīng)變片粘貼在試件上是一次性的，所以取成品的5%進(jìn)行測定，取平均值做產(chǎn)品的靈敏系數(shù)，稱“標(biāo)稱靈敏系數(shù)k”，即產(chǎn)品出廠時標(biāo)注的靈敏系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)表明，應(yīng)變片靈敏系數(shù)小于電阻絲靈敏系數(shù)，即,k＜k0

如果實(shí)際應(yīng)用與標(biāo)定條件不同時，k誤差較大需要修正。1.2

金屬應(yīng)變片的主要特性（1）應(yīng)變片靈敏系數(shù)傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器敏感柵是N條長L的直線和（N-1）個的圓弧部分組成，直線電阻絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但圓弧部分應(yīng)變狀態(tài)不同，圓弧段電阻的變化小于沿軸向擺放的電阻絲電阻變化。實(shí)際應(yīng)變變化ε=ΔL/L比拉直了看要小，可見直線的電阻絲作成敏感柵后，雖然長度相同，但應(yīng)變不同.1.2

金屬應(yīng)變片的主要特性（2）橫向效應(yīng)園弧部分使靈敏系數(shù)k0↓下降，這種現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。敏感柵越窄、基長越長，橫向效應(yīng)越小。

為減小橫向效應(yīng)產(chǎn)生的測量誤差，一般多采用箔式應(yīng)變片，圓弧部分尺寸較大。

傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.2

金屬應(yīng)變片的主要特性

應(yīng)變片安裝在自由膨脹的試件上，如果環(huán)境溫度變化，應(yīng)變片的電阻也會變化，這種變化疊加在測量結(jié)果中稱應(yīng)變片溫度誤差。應(yīng)變片溫度誤差來源有兩個主要因素：電阻絲阻值與溫度關(guān)系：（3）應(yīng)變片溫度誤差及補(bǔ)償環(huán)境溫度變化Δt時，電阻絲的電阻變化為1.

應(yīng)變片溫度誤差式中：R0是溫度為t0時的金屬絲電阻值；αt是應(yīng)變片電阻溫度系數(shù)。傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.2

金屬應(yīng)變片的主要特性

（3）應(yīng)變片溫度誤差及補(bǔ)償

溫度補(bǔ)償方法有：線路補(bǔ)償、自補(bǔ)償、輔助測量補(bǔ)償、熱敏電阻補(bǔ)償、計算機(jī)補(bǔ)償?shù)取?/p>

自補(bǔ)償法，具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片RB稱為補(bǔ)償片,用特制的溫度補(bǔ)償片進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)溫度變化時產(chǎn)生的附加應(yīng)變相互抵消，補(bǔ)償片制作的原理是使εt=0。被測材料βg給定，制作中改變柵絲的合金成分，控制溫度系數(shù)αt，使βs、βg

抵消。2.

應(yīng)變片溫度補(bǔ)償傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.2

金屬應(yīng)變片的主要特性

（3）應(yīng)變片溫度誤差及補(bǔ)償

R1-應(yīng)變片，RB-補(bǔ)償片，如果R1R3=RBR4，電橋平衡時輸出為零；若R1、RB溫度系數(shù)相同，當(dāng)無應(yīng)變而溫度變化時ΔR1=ΔRB

，電橋平衡；當(dāng)有應(yīng)變時，R1有增量ΔR1，ΔR1=R1k0ε，補(bǔ)償片無變化，ΔRB=0；電橋輸出U0=AΔR1R3=AR1R3k0ε此時電橋的輸出電壓與溫度無關(guān)線路補(bǔ)償（電橋補(bǔ)償）：被測試件位置上安裝一個補(bǔ)償片處于相同的溫度場；等臂電橋輸出U0

與橋臂參數(shù)的關(guān)系為：傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.2

金屬應(yīng)變片的主要特性

（3）應(yīng)變片溫度誤差及補(bǔ)償

電橋補(bǔ)償方法傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器

1.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

（1）電阻應(yīng)變儀

電阻式應(yīng)變傳感器的應(yīng)用主要分為兩大類：

1.與彈性元件組合使用，測量力、壓力、位移、速度、加速度等物理量（如電子秤）。

2.應(yīng)變片直接粘貼在被測試件上測量構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變、形變（一次性使用）；通過電阻應(yīng)變儀實(shí)現(xiàn)應(yīng)變測量.電阻應(yīng)變儀是直接測量應(yīng)變的專用儀器，在科研和工業(yè)生產(chǎn)中常常要對構(gòu)件或組件的應(yīng)變進(jìn)行測量。如:測量高壓容器的變形時壓力—高壓氣瓶、高壓鍋爐、高壓鍋;

機(jī)械設(shè)備的構(gòu)件形變研究—火炮炮管、汽車底盤、飛機(jī)機(jī)翼。傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

（1）電阻應(yīng)變儀

按測量應(yīng)變力的頻率可分為

靜態(tài)應(yīng)變儀,動態(tài)應(yīng)變儀又可細(xì)分為：靜態(tài)——5Hz；靜動態(tài)——幾百Hz；動態(tài)——5KHz；超動態(tài)——幾十KHz。不同應(yīng)變頻率范圍的應(yīng)變儀，數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理電路有較大差別。傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

（1）電阻應(yīng)變儀

應(yīng)變儀電路主要包括:電橋、振蕩器、放大器、相敏檢波器、濾波器、轉(zhuǎn)換和顯示

傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

（1）電阻應(yīng)變儀

音頻振蕩器、電橋、差動放大器、相敏檢波器、移相器、濾波器、顯示

應(yīng)變儀實(shí)驗(yàn)電路傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用橋梁固有頻率測量

（2）懸臂梁固有頻率測量

傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用橋梁固有頻率測量電路頻率計傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用力傳感器的彈性元件有：柱式、梁式、環(huán)式、輪輻式等①

柱式力傳感器

有空心（筒形）、實(shí)心（柱形）兩種,在圓筒（柱）上按一定方式粘貼應(yīng)變片，圓筒（柱）在外力F作用下產(chǎn)生形變，對實(shí)心圓柱作用產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)椋菏街校篖為彈性元件的長度；E為彈性模量；

S為彈性元件的橫截面積；應(yīng)力σ=F/S；可見應(yīng)變與力成正比關(guān)系，要提高變換靈敏度必須減小橫截面積S，但S小抗彎能力差易產(chǎn)生橫向干擾。為解決這一矛盾多采用空心圓筒，空心圓筒在同樣橫截面積情況下橫向剛度大。（3）力傳感器（測力與秤重）

傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用實(shí)心圓柱H≥2D+L

空心圓柱H≥Dd+L試驗(yàn)研究結(jié)果建議選用以下公式：柱式力傳感器結(jié)構(gòu)F=100×103N

H柱高,D外徑,d空心內(nèi)徑,L應(yīng)變片基長柱式力傳感器量程在0.1～100噸之間，國產(chǎn)有

BLR-1型測拉力、BHR型測荷重傳感器,火箭發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)臺架都采用空心圓柱結(jié)構(gòu)。（3）力傳感器

傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用圓柱面展開的應(yīng)變片粘貼圖（3）力傳感器傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變片均勻貼在圓柱表面中間部分，R1R3、R2R4串聯(lián)擺放在兩對臂內(nèi)，當(dāng)有偏心應(yīng)力時，一方受拉另一方受壓產(chǎn)生相反變化，可減小彎矩的影響。橫向粘貼應(yīng)變片為溫度補(bǔ)償片有提高靈敏度的作用。

橋路連接圖靈敏度按半橋計算，電橋輸出為

R=R1=R2=R3=R4，受力方向相同（3）力傳感器傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

荷重傳感器彈性元件形式（3）力傳感器柱式力傳感器傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用等截面梁懸臂梁的橫截面積處處相等，所以稱等截面梁。當(dāng)外力F作用在梁的自由端時，固定端產(chǎn)生的應(yīng)變最大，粘貼在應(yīng)變片處的應(yīng)變?yōu)椋菏街校菏橇荷蠎?yīng)變片至自由端距離，

b、h

分別為梁的寬度和梁的厚度。②懸臂梁式力傳感器

等截面梁、等強(qiáng)度梁兩種形式，彈性元件一端固定,力作用在自由端（3）力傳感器傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用等截面梁因?yàn)閼?yīng)變片的應(yīng)變大小與力作用的距離有關(guān)，所以應(yīng)變片應(yīng)貼在距固定端較近的表面，順梁的方向貼上下各貼兩只。四個應(yīng)變片組成全橋，上面兩個受壓時下面兩個受拉。保證對臂同極性、鄰臂反極性連接。

這種傳感器適用于測量500Kg以下荷重。（3）力傳感器傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用等強(qiáng)度梁：懸臂梁長度方向的截面積按一定規(guī)律變化，是一種特殊形式的懸臂梁。當(dāng)力作用在自由端時，距作用點(diǎn)任何截面積上應(yīng)力相等，應(yīng)變片的應(yīng)變大小為：為梁的長度,當(dāng)力作用在自由端時，梁表面產(chǎn)生應(yīng)變相等，對應(yīng)變片粘貼位置要求不嚴(yán)，使用更為方便。（3）力傳感器傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用各種形式梁（3）力傳感器傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用各種平行雙孔梁各種形式的應(yīng)變梁（3）力傳感器S型拉力梁稱重測力傳感器

>剪切梁式

測扭矩力傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用輪輻式傳感器結(jié)構(gòu)主要由五個部分組成：輪轱、輪圈、輪輻條、受拉和受壓應(yīng)變片,通過測量輪輻條對角線方向(450)的線應(yīng)變測力。8個應(yīng)變片分別粘貼在四個輪輻條的正反兩面組成全橋.

扁平外型有大的抗載能力，可承受大的偏心度和側(cè)向力，埋在地下用于測量行走中的拖車、卡車，可根據(jù)輸出對超載車輛報警。③輪輻式測力傳感器（剪切力）（3）力傳感器側(cè)視俯視傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用③輪輻式測力傳感器（剪切力）（3）力傳感器汽車衡器電子臺秤傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用膜片式傳感器的彈性敏感元件是一個圓形的金屬膜片，應(yīng)變片粘貼在膜片上。金屬元件的膜片周邊被固定;

當(dāng)膜片一面受壓力P作用時，膜片的另一面有徑向應(yīng)變εr和切向應(yīng)變εt。應(yīng)變值分別為：式中：

r——膜片半徑

h——膜片厚度

E——膜片彈性模量

μ——膜片泊松比

x——任意點(diǎn)離圓心距離④膜片式壓力傳感器（3）力傳感器R1

R20.58R3

R4P傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用膜片中心處，x=0，

εr與εt

都達(dá)到正的最大值，這時切向應(yīng)變和徑向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

膜片邊緣處x=r,

切向應(yīng)變εt=0,

徑向應(yīng)變εr達(dá)到負(fù)的最大值。徑向應(yīng)變εr

=0處的位置，在距圓心的圓環(huán)附近。

④膜片式壓力傳感器（3）力傳感器R1

R20.58R3R4傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器根據(jù)應(yīng)力分布粘貼四個應(yīng)變片，R2、R3粘貼在正的最大區(qū)域,R1、R4粘貼在負(fù)的最大區(qū)域,即是粘貼在

r=0.58的內(nèi)外兩側(cè)。

R1、R4測量徑向應(yīng)變εr（負(fù)），R2、R3測量切向應(yīng)變εt（正），四個應(yīng)變片組成全橋，即可增大傳感器的靈敏度又起到溫度補(bǔ)償作用。傳感器一般可測量105～106Pa

的壓力。R1R20.58R3R41.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用④膜片式壓力傳感器（3）力傳感器傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用基本結(jié)構(gòu)由懸臂梁、應(yīng)變片、質(zhì)量塊、機(jī)座外殼組成。懸臂梁（等強(qiáng)度梁）自由端固定質(zhì)量塊，殼體內(nèi)充滿硅油，產(chǎn)生必要的阻尼。

殼體機(jī)座aFR1R2m充滿硅油⑤應(yīng)變式加速度傳感器（3）力傳感器當(dāng)殼體與被測物體一起作加速度運(yùn)動時，懸臂梁在質(zhì)量塊的慣性作用下作反方向運(yùn)動，使梁體發(fā)生形變，粘貼在梁上的應(yīng)變片阻值發(fā)生變化。通過測量阻值的變化求出待測物體的加速度。

傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用⑤應(yīng)變式加速度傳感器（3）力傳感器應(yīng)變片式加速度傳感器不適于測較高頻率的振動沖擊,常用于低頻振動測量,范圍在10～60Hz.傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電子秤應(yīng)用電路（3）力傳感器集成器件MC14433為A/D轉(zhuǎn)換集成塊，4511為LED顯示驅(qū)動，1413為位選，1403提供主集成電路穩(wěn)定比較電壓，7650為斬波穩(wěn)零單片集成運(yùn)算放大器，放大傳感器輸出的電壓信號。傳感器用BLR型拉壓式傳感器，圖中RA、RB、RC、RD為傳感器中應(yīng)變電阻。穩(wěn)壓電路7805向整個電路提供5V電壓，7805的輸人電壓在8－15V時正常工作。也可用交流220V降壓、整流、濾波后，提供給儀器使用。電子秤應(yīng)用電路

傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電子皮帶秤原理（3）力傳感器測量皮帶運(yùn)輸機(jī)上傳送固體物料的瞬時值和輸出總量；系統(tǒng)需要通過測力和測速兩套測試裝置實(shí)現(xiàn)；若單位皮帶長度的物料重p，皮帶的運(yùn)行速度是υ，輸送物料的瞬時量Q=p×υ之積（單位時間重量）,

將該量對輸送時間t

積分可得出輸出總量。測力傳感器測速P固體物料υ皮帶速度驅(qū)動輪傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電子皮帶秤原理（3）力傳感器托輥秤架交流電橋放大檢波U-I轉(zhuǎn)換瞬時顯示總量顯示積分（t)Ui(f)測力傳感器光電傳感P固體物料υ皮帶速度驅(qū)動輪ΔR/R電橋輸出：

U=Ui×ΔR/R放大檢波輸出：

U0∝ΔR/R×Ui瞬時顯示：Q=p×υ輸出總量=∫Qdt傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變測量:

將半導(dǎo)體條制作成敏感元件粘貼在被測試件上。壓力測量:

與金屬膜片式壓力傳感器原理相同，不同的是硅杯上的硅膜片利用集成電路工藝設(shè)置了四個阻值相等的電阻，構(gòu)成應(yīng)變電橋。膜片兩邊存在壓差時就有壓力作用在膜片上。測量系統(tǒng)P高壓腔空氣硅膜片低壓腔硅杯（4）壓阻式傳感器傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

加速度測量，傳感器彈性元件是硅梁，在硅梁的根部有四個擴(kuò)散電阻，當(dāng)硅梁的自由端因加速度受力作用時，慣性使梁彎曲，彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力使四個電阻值發(fā)生變化，應(yīng)變范圍在400～500με。

（4）壓阻式傳感器傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器

1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

（4）壓阻式傳感器壓阻式傳感器有許多優(yōu)點(diǎn)：頻率響應(yīng)高f0可達(dá)1.5M；體積小、耗電少、靈敏度高、可測量到0.1%

的精確度；無運(yùn)動部件。壓阻式傳感器缺點(diǎn)：溫度特性差；工藝復(fù)雜；壓阻式傳感器應(yīng)用領(lǐng)域：

航空工業(yè)，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣處的動壓；

生物醫(yī)學(xué)，體內(nèi)壓力測量，心、顱、眼等；

兵器工業(yè)，槍炮腔內(nèi)壓力，爆炸力，沖擊波測量；

防爆檢測，壓阻傳感器所需電流小在可燃?xì)怏w許可值之下，是理想的防爆壓力傳感器微型硅壓力傳感器

傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器

1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

（4）壓阻式傳感器普通壓阻式壓力傳感器屬于簡單傳感器，近年單片集成硅壓力傳感器進(jìn)入市場，單片集成硅壓力傳感器，英文縮寫ISP（IntegratedSiliconPressure），內(nèi)部除傳感器單元外，增加了信號調(diào)理、溫度補(bǔ)償、壓力修正等電路。

MPX2100/4100A/5100系列集成硅壓力傳感器，由美國Motorola公司生產(chǎn)，適合測量管道中絕對壓力（MAP），測量范圍：0～100kPa（不同）；電源電壓范圍：+4.85～5.36V；溫度補(bǔ)償范圍：-40～+125℃。熱塑殼內(nèi)部有密封真空塞，提供參考壓力，當(dāng)垂直方向受到壓力時，將檢測壓力P與真空壓力P0相比較，輸出電壓正比于絕對壓力，輸出電壓與絕對壓力的關(guān)系曲線在20～100kPa范圍成正比關(guān)系，超出范圍后U0

基本不隨壓力P變化。MPX壓力傳感器引腳與封裝、輸出特性傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器

1.4

應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

（4）壓阻式傳感器圖為MPX5100的典型應(yīng)用電路。US為+5V供電，C1、C2為退耦電容，LED顯示驅(qū)動電路LM3914驅(qū)動LED（bargraph）條狀圖形顯示器，配刻度尺，根據(jù)發(fā)光段長度或位數(shù)確定被測壓力大小。RP1可調(diào)節(jié)LM3914比較起參考輸入電壓，控制測量范圍；RP2調(diào)節(jié)LM3914內(nèi)部參考電壓，改變檢測靈敏度。MPX4100A壓力傳感器檢測電路原理

傳感器理論與技術(shù)第1章應(yīng)變式傳感器本章小結(jié)：應(yīng)變片—金屬絲拉長，電阻增加，反之減少。電橋電路—平衡條件：R1R4=R2R3；用途：求未知電阻值，記錄電阻變化率、溫度補(bǔ)償；歐姆定律、基爾霍夫定律：計算電路電壓、電流。應(yīng)變（力傳感器）—貼在試件上（彈性元件）的應(yīng)變片