力学量传感器的应用

----电阻应变式传感器

力是引起物质运动变化的直接原因。

 力传感器

是将力的量值转换为相关电信号的器件。力传感

器能检测张力、拉力、压力、重量、扭矩、内应力和

应变等力学量。

 力传感器的分类

➢按被测量分

力传感器（荷重传感器、拉力传感器等），压力传感器（表压

传感器、密封压力传感器等），差压传感器、液位传感器。

➢按工作原理分

应变式力敏传感器，压阻式力敏传感器，压电式力敏传感器，

电容式力敏传感器，电感式力敏传感器。

应用最广泛的是电阻应变式传感器，它是通过弹性敏感元

件将外部的应变力转换成应变电，再根据电阻应变效应，由电

阻应变片将应变转换成电阻值的微小变换，通过测量电路转换

成电量输出。

 弹性敏感元件

具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。弹性

敏感元件感受力、力矩、压力等被测参数，并通

过它将被测量变换为应变、位移等，也就是通过

它把被测参数由一种物理状态转换为另一种所需

要的物理状态。

 弹性敏感元件的弹性特性

作用在弹性敏感元件上的外力与由该外力所引

起的相应变形（应变、位移或转角）之间的关系

称为弹性元件的弹性特性。主要弹性特性如下：

➢（1）刚度

➢（2）灵敏度

➢（3）弹性滞后

实际的弹性元

件在加、卸载的正

、反行程中变形曲

线是不重合的，这

种现象称为弹性滞

后现象,如图所示。

曲线1为加载曲线，曲线2为卸载曲线，曲线1、2所包围

的范围为滞环。

➢（4）弹性后效

弹性敏感元件所加

载荷改变后，不是

立即完成相应的变

形，而是在一定时

间间隔中逐渐完成

变形的现象称为弹

性后效现象。

➢（5）固有振动频率

弹性敏感元件的动态特性与它的固有振动频

率f0 有很大的关系，固有振动频率通常由实验

测得。传感器的工作频率应避开弹性敏感元件的

固有振动频率。

 弹性敏感元件的基本要求

①具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲

劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能。

②良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效

小等）。

③弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小

且稳定。

④抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。

 电阻应变式传感器

电阻应变片是能将被测试件的应变量转换成电阻变化量

的敏感元件。它是基于电阻应变效应而制成的。

➢电阻应变效应

ρ ——金属导体的电阻率（Ω·m）

S ——导体的截面积 (m2

)

L ——导体的长度（m）

K——电阻应变灵敏度

A ——应变片的横截面积

E——弹性模量

➢电阻应变片的结构和类型

(1) 应变片基本结构

电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。

1---基底；2----敏感栅；3---引线；4---覆盖层

(2) 应变片的类型

应变片主要有金属应变片和半导体应变片，其中金属应变片

有丝式、箔式、薄膜式三种，其结构和特点如表所示。

 测量转换电路

➢测量转换电路的种类

由于应变片的电阻相对变化是很小的，用一般的测量电阻的

仪表是很难直接测出来的，必须用专门的测量电路来测量这

种微弱的变化。

测量电路最常见的有直流电桥和交流电桥。

以直流电桥为例介绍其工作原理和相关特性。

根据可变电阻在电桥电路中的分布方式，电桥的工作方式有3种

类型。

(1) 单臂电桥

(2) 双臂电桥

(3) 四臂电桥

(1) 单臂电桥

电桥电路中只有一个应变片接入，工作时，其余3个桥臂

电阻的阻值没有变化，如图所示。

(2) 双臂电桥

电桥电路中相邻桥臂接入两个应变片，工作时一个受拉，

一个受压，如图所示。

(3) 四臂电桥

电桥电路中相邻桥臂接入两个应变片，工作时一个受拉，

一个受压，如图所示。

➢电桥的线路补偿

(1) 零点补偿

(2) 温度补偿

电阻应变片产生温度误差的原因：当测量现场环境温

度变化时，由于敏感栅温度系数及栅丝与试件膨胀系数的

差异性给测量带来附加误差。

电阻应变片的温度补偿方法：通常有线路补偿法和应

变片自补偿两大类。

 电阻应变式传感器的种类

 电阻应变式传感器的应用

(1) 称重传感器

(2) 压力传感器

应变式压力传感器是一种传感装置，是利用弹性敏感

元件和应变计将被测压力转换为相应电阻值变化的压力传

感器，按弹性敏感元件结构的不同，应变式压力传感器大

致可分为应变筒式、膜片式、应变梁式和组合式4种。一

般用于测量较大的压力，广泛应用于测量管道内部压力、

内燃机燃气的压力、压差和喷射压力、发动机和导弹试验

中的脉动压力，以及各种领域中的流体压力等。

(3) 加速度传感器

1—质量块；2—应变梁；3—硅油阻尼液；4—应变片；5—温度补偿电阻； 6—绝缘套管；

7—接线柱；8—电缆；9—压线板；10—壳体；11—保护块。

实训任务

任务要求：

利用应变片传感器设计制作一电子秤，电子秤显示数值与重物

的重量成一定比例关系。

实训任务

任务电路图：

电子秤数显部分工作原理

电子秤应变片传感器模块部分