1、電阻式傳感器 第三章 應變式傳感器 電阻式傳感器的類別與特性電阻元件非電量電阻變化應變式電阻傳感器：基本原理、工作特性和主要應用。應變式電阻傳感器 第三章 應變式傳感器 應變式電阻傳感器作為測力的主要傳感器，測力范圍小到肌肉纖維，大到登月火箭，精確度可到 0.01-0.1%。有拉壓式（柱、筒、環(huán)元件）、彎曲式、剪切式。 應變式傳感器特征： 材料類型：金屬應變片、半導體應變片 應用范圍：應變力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、加速度主要優(yōu)點：使用簡單、精度高、范圍大、體積小電阻應變片的發(fā)展歷史 第三章 應變式傳感器 1856年，W. Thomoson發(fā)現(xiàn)金屬絲的應變效應，并用惠斯通電橋精確測量電阻的變化 。1

2、938年，E. Simmons和A. Ruge制成紙基絲繞式應變片。1953年，P. Jackson用光刻技術(shù)制成箔式應變片。1954年，C. Smith發(fā)現(xiàn)半導體材料的壓阻效應。 1957年，W. Mason研制出半導體應變片。 第三章 應變式傳感器 3.1 電阻應變片的工作原理3.2 電阻應變片的種類3.3 電阻應變片的主要特性3.4 電阻應變片的測量電路3.5 應變式傳感器的應用 第三章 應變式傳感器 3.1 電阻應變片的工作原理3.2 電阻應變片的種類3.3 電阻應變片的主要特性3.4 電阻應變片的測量電路3.5 應變式傳感器的應用應變式傳感器的核心元件：電阻應變片，試件上的應力變化轉(zhuǎn)

3、換成電阻變化。 應變效應:導體或半導體在受到外界力的作用時，產(chǎn)生機械變形，機械變形導致其阻值變化，這種因形變而使阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為應變效應。 應變效應3.1 電阻應變片的工作原理一、金屬的應變效應對于一長為L、橫截面積為A、電阻率為的金屬絲，其電阻值R為如果對電阻絲長度作用均勻應力，則、L、A的變化(d、dL、dA)將引起電阻R變化dR。通過對上式的全微分可得dR為金屬絲的應變效應ll+ dl2r2(r-dr)FF若電阻絲是圓形的，則A=r ,對r 微分得dA=2r dr，則 3.1 電阻應變片的工作原理在彈性范圍內(nèi)金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短，則軸向應變和徑向應變的關(guān)系為y=-

4、x為金屬材料的泊松系數(shù)。定義：KS為金屬絲的靈敏系數(shù)，表示單位應變所引起的電阻的相對變化，則有金屬絲的應變效應ll+ dl2r2(r-dr)FF一、金屬的應變效應3.1 電阻應變片的工作原理根據(jù)應力和應變的關(guān)系: 應力=E， 應變dR，dR。金屬絲的應變效應ll+ dl2r2(r-dr)FF一、金屬的應變效應確定的金屬材料，(1+2)項是常數(shù)，其數(shù)值約在12之間，實驗證明d/x 也是常數(shù)。金屬的電阻相對變化與應變成正比關(guān)系。通過彈性元件，可將應力轉(zhuǎn)換為應變，這是應變式傳感器測量應力的基本原理。3.1 電阻應變片的工作原理應變是量綱為1的數(shù)。通常應變很小，常用10-6來表示。例如，當應變?yōu)?.0

5、00001時，在工程中常表示為110-6或m/m。在應變測量中，也常稱為微應變。金屬絲的應變效應ll+ dl2r2(r-dr)FF一、金屬的應變效應金屬材料：靈敏度系數(shù)表達式中1+2的值要比(d/)/x大得多。靈敏系數(shù)KS受兩個因素影響：（1）應變片受力后材料幾何尺寸的變化， 即1+2；（2）應變片受力后材料的電阻率的變化，即（d/）/ x 。3.1 電阻應變片的工作原理一、金屬的應變效應半導體應變片又稱為壓阻式傳感器。基于半導體材料的壓阻效應而制成的一種純電阻性元件。3.1 電阻應變片的工作原理壓阻效應：半導體材料的電阻率隨作用應力的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。 半導體材料敏感條電阻率的相對變化值

6、與其在軸向所受的應力之比為一常數(shù)。即二、半導體的壓阻效應當半導體材料受軸向力作用時，電阻相對變化為l半導體材料的壓阻系數(shù)。式中1+2項隨幾何形狀而變化，lE項為壓阻效應，隨電阻率而變化。幾何形狀壓阻效應實驗證明lE比1+2大近百倍，所以1+2可以忽略，因而半導體應變片的靈敏系數(shù)： 3.1 電阻應變片的工作原理半導體應變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式的高5080倍，但半導體材料的溫度系數(shù)大，應變時非線性比較嚴重，使應用范圍受到一定的限制。 半導體應變片的優(yōu)點：體積小，靈敏度高，頻率響應范圍寬，輸出幅值大，不需要放大器，可直接與記錄儀連接，使測量系統(tǒng)簡單。二、半導體的壓阻效應 第三章 應變式傳感器 3.1

7、 電阻應變片的工作原理3.2 電阻應變片的種類3.3 電阻應變片的主要特性3.4 電阻應變片的測量電路3.5 應變式傳感器的應用金屬應變片：絲式 箔式 薄膜式 基片覆蓋層金屬絲引線金屬絲應變片結(jié)構(gòu)1、金屬絲式應變片 金屬電阻絲（合金，電阻率高，直徑約0.02mm）粘貼在絕緣基片上，上面覆蓋一層薄膜，變成一個整體。 3.2 電阻應變片的種類金屬電阻應變片半導體電阻應變片電阻應變片一、金屬電阻應變片按材料分類： 按結(jié)構(gòu)分類： 單片、雙片、特殊形狀 按使用環(huán)境分類： 高溫、低溫、高壓、磁場、水下 利用光刻、腐蝕等工藝制成一種很薄的金屬箔柵，厚度一般在0.0030.010 mm，粘貼在基片上，上面再覆

8、蓋一層薄膜而制成。優(yōu)點：表面積和截面積之比大，散熱條件好，允許通過的電流較大，可制成各種需要的形狀，便于批量生產(chǎn)。金屬箔式應變片3.2 電阻應變片的種類一、金屬應變片 2、金屬箔式應變片金屬薄膜應變片是采用真空蒸鍍或濺射式陰極擴散等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以形成應變片。特點：這種應變片有較高的靈敏度系數(shù)，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。 常用金屬薄膜應變片3.2 電阻應變片的種類一、金屬應變片 3、金屬薄膜應變片3.2 電阻應變片的種類金屬應變片的基本結(jié)構(gòu)1、體型半導體應變片半導體材料硅或鍺晶體按一定方向切割成片狀小條，經(jīng)腐蝕壓焊粘貼在基片上制成。體型半導體應變片的結(jié)構(gòu)

9、3.2 電阻應變片的種類二、半導體應變片半導體應變片的類型：體型、薄膜型和擴散型等。通過薄膜制備技術(shù)，在帶有絕緣層的試件上沉積半導體材料薄膜而制成。3.2 電阻應變片的種類二、半導體應變片 2、薄膜型半導體應變片引線絕緣層金屬箔基底半導體薄膜薄膜型半導體應變片的結(jié)構(gòu)P型雜質(zhì)擴散到N型硅單晶基底上，形成一層極薄的P型導電層，再通過超聲波和熱壓焊法接上引出線就形成了擴散型半導體應變片。3.2 電阻應變片的種類二、半導體應變片 3、擴散型半導體應變片擴散型半導體應變片的結(jié)構(gòu)引線SiO2絕緣層N型硅呂電極P型硅擴散層 第三章 應變式傳感器 3.1 電阻應變片的工作原理3.2 電阻應變片的種類3.3 電

10、阻應變片的主要特性3.4 電阻應變片的測量電路3.5 應變式傳感器的應用一、彈性敏感元件的基本特性二、電阻應變片的靈敏系數(shù)三、電阻應變片的橫向效應四、電阻應變片的機械滯后、零漂及蠕變五、電阻應變片的應變極限六、電阻應變片的電阻值、絕緣電阻和最大工作電流七、電阻應變片的動態(tài)特性八、電阻應變片的溫度誤差3.3 電阻應變片的主要特性變形： 物體在外力作用下而改變原來尺寸或形狀的現(xiàn)象。彈性變形： 當外力去掉后物體又能完全恢復其原來的尺寸和形狀。彈性元件： 具有彈性變形特性的物體。 3.3 電阻應變片的主要特性一、彈性敏感元件的基本特性彈性元件在應變片測量技術(shù)中有極其重要地位。 傳遞給粘貼在彈性元件上的

11、應變片力、力矩或壓力變換成相應的應變或位移力、力矩或壓力通過應變片轉(zhuǎn)換成相應的電阻值定義： 彈性元件單位變形下所需要的力，用C表示。剛度是彈性元件受外力作用下變形大小的量度，數(shù)學表達式為3.3 電阻應變片的主要特性一、彈性敏感元件的基本特性 1、剛度F作用在彈性元件上的外力，單位為牛頓（N）； x彈性元件所產(chǎn)生的變形，單位為毫米（mm）。 彈性特性曲線 從彈性特性曲線上可求剛度。曲線1上A點的剛度，過A點作切線，與水平夾角的正切就為A點處的剛度，即tan=dF/dx。曲線性是線性的，則剛度是一個常數(shù)，即tan=F/x=常數(shù)。定義： 通常用剛度的倒數(shù)來表示彈性元件的特性，稱為彈性元件的靈敏度，一

12、般用S表示，數(shù)學表達式為 3.3 電阻應變片的主要特性一、彈性敏感元件的基本特性 2、靈敏度靈敏度：單位力作用下彈性元件產(chǎn)生變形的大小。靈敏度大，表明彈性元件軟，變形大。彈性特性曲線 與剛度相似，如果彈性特性是線性的，則靈敏度為一常數(shù)，若彈性特性是非線性的，則靈敏度為一變數(shù)，即表示此彈性元件在彈性變形范圍內(nèi)，各處由單位力產(chǎn)生的變形大小是不同的。 一、彈性敏感元件的基本特性二、電阻應變片的靈敏系數(shù)三、電阻應變片的橫向效應四、電阻應變片的機械滯后、零漂及蠕變五、電阻應變片的應變極限六、電阻應變片的電阻值、絕緣電阻和最大工作電流七、電阻應變片的動態(tài)特性八、電阻應變片的溫度誤差3.3 電阻應變片的主要

13、特性應變片敏感材料金屬或半導體的電阻相對變化與應變之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)KS表示： 定義：K應變片的靈敏系數(shù)。 3.3 電阻應變片的主要特性二、電阻應變片的靈敏系數(shù)但材料做成應變片后的電阻應變特性與敏感材料本身的不同。實驗表明，應變片的電阻相對變化與應變在很寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系：靈敏系數(shù)K表示安裝在被測試件上的應變片在其軸向受到單向應力時，引起的電阻相對變化與其單向應力引起的試件表面軸向應變之比。測量結(jié)果表明，應變片的靈敏系數(shù)一般小于敏感材料的靈敏度系數(shù)。3.3 電阻應變片的主要特性二、電阻應變片的靈敏系數(shù)主要影響因素：敏感柵結(jié)構(gòu)形狀、成型工藝、粘結(jié)劑和基底性能，特別是橫向效應。被測

14、體應變片標稱靈敏系數(shù)：靈敏系數(shù)值通常采用從批量生產(chǎn)中每批抽樣，在規(guī)定條件下，通過實測來確定，應變片的靈敏系數(shù)稱為標稱靈敏系數(shù)。應變片的靈敏系數(shù)直接關(guān)系到應變測量的精度。一、彈性敏感元件的基本特性二、電阻應變片的靈敏系數(shù)三、電阻應變片的橫向效應四、電阻應變片的機械滯后、零漂及蠕變五、電阻應變片的應變極限六、電阻應變片的電阻值、絕緣電阻和最大工作電流七、電阻應變片的動態(tài)特性八、電阻應變片的溫度誤差3.3 電阻應變片的主要特性應變片敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測量應變時，構(gòu)件的軸向應變使敏感柵電阻發(fā)生變化，而其橫向應變也使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。 應變片的這種既受軸向應變影響，又受橫向應變

15、影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應。3.3 電阻應變片的主要特性三、電阻應變片的橫向效應一、彈性敏感元件的基本特性二、電阻應變片的靈敏系數(shù)三、電阻應變片的橫向效應四、電阻應變片的機械滯后、零漂及蠕變五、電阻應變片的應變極限六、電阻應變片的電阻值、絕緣電阻和最大工作電流七、電阻應變片的動態(tài)特性八、電阻應變片的溫度誤差3.3 電阻應變片的主要特性機械滯后產(chǎn)生原因：（1）應變片在承受機械應變后的殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；（2）在制造或粘貼應變片時，敏感柵受到的不適當?shù)淖冃位蛘辰Y(jié)劑固化不充分等。 1、機械滯后 應變片粘貼在被測試件上，當溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不重合，即為機械

16、滯后。3.3 電阻應變片的主要特性四、電阻應變片的機械滯后、零漂及蠕變應變片的機械滯后1機械應變R卸載加載指示應變i還與應變片所承受的應變量有關(guān)，加載時的應變愈大，卸載時的滯后也愈大。通常在實驗之前預先加、卸載若干次，以減少因機械滯后誤差。 2、零點漂移 對于粘貼好的應變片，當溫度恒定時，不承受應變時，其電阻值隨時間增加而變化的特性，稱為應變片的零點漂移。零點漂移產(chǎn)生的原因：敏感柵通電后的溫度效應；應變片的內(nèi)應力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。 3、蠕變 在一定溫度下應變片承受恒定的機械應變時，電阻值隨時間增加而變化的特性稱為蠕變。一般蠕變的方向與原應變量的方向相反。蠕變產(chǎn)生的原因：膠層之間發(fā)生

17、“滑動”，使力傳到敏感柵的應變量逐漸減少。3.3 電阻應變片的主要特性四、電阻應變片的機械滯后、零漂及蠕變一、彈性敏感元件的基本特性二、電阻應變片的靈敏系數(shù)三、電阻應變片的橫向效應四、電阻應變片的機械滯后、零漂及蠕變五、電阻應變片的應變極限六、電阻應變片的電阻值、絕緣電阻和最大工作電流七、電阻應變片的動態(tài)特性八、電阻應變片的溫度誤差3.3 電阻應變片的主要特性應變極限：在一定溫度下，應變片的指示應變對測試值的真實應變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時的最大真實應變值。應變片的應變極限真實應變j指示應變i100%90%3.3 電阻應變片的主要特性五、電阻應變片的應變極限真實應變：因工作溫

18、度變化或承受機械載荷，在被測試件內(nèi)產(chǎn)生應力時所引起的表面應變。一、彈性敏感元件的基本特性二、電阻應變片的靈敏系數(shù)三、電阻應變片的橫向效應四、電阻應變片的機械滯后、零漂及蠕變五、電阻應變片的應變極限六、電阻應變片的電阻值、絕緣電阻和最大工作電流七、電阻應變片的動態(tài)特性八、電阻應變片的溫度誤差3.3 電阻應變片的主要特性 1、電阻值 應變片的電阻值是指應變片沒有粘貼且未受應變時，在室溫下測定的電阻值，即初始電阻值。 金屬電阻應變片的電阻值已標準化，有一定的系列，如60、120、250、350和1000，其中以120最為常用。 3.3 電阻應變片的主要特性六、電阻應變片的電阻值、絕緣電阻和最大工作電

19、流 2、絕緣電阻 應變片絕緣電阻是指已粘貼的應變片的引線與被測件之間的電阻值Rm。通常要求Rm在50100 M以上。3.3 電阻應變片的主要特性六、電阻應變片的電阻值、絕緣電阻和最大工作電流 2、絕緣電阻 絕緣電阻下降使測量系統(tǒng)的靈敏度降低。Rm取決于粘結(jié)劑及基底材料的種類及固化工藝。在常溫使用條件下要采取必要的防潮措施；在中溫或高溫條件下要選取絕緣性好的粘結(jié)劑和基底材料。 3、最大工作電流 應變片允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流Imax。工作電流大，輸出信號大，靈敏度高。但工作電流過大會使應變片過熱，靈敏系數(shù)產(chǎn)生變化，零漂及蠕變增加，甚至燒毀應變片。 工作電流的選取要根據(jù)試件的導熱

20、性能及敏感柵形狀和尺寸來決定。通常靜態(tài)測量時取25mA左右；動態(tài)測量時可取75100mA。測量材料散熱好，可取大一些；導熱性差，可取小一些。一、彈性敏感元件的基本特性二、電阻應變片的靈敏系數(shù)三、電阻應變片的橫向效應四、電阻應變片的機械滯后、零漂及蠕變五、電阻應變片的應變極限六、電阻應變片的電阻值、絕緣電阻和最大工作電流七、電阻應變片的動態(tài)特性八、電阻應變片的溫度誤差3.3 電阻應變片的主要特性七、電阻應變片的動態(tài)特性 1、正弦應變信號的響應特性被測應變值隨時間變化的頻率很高時，需考慮應變片動態(tài)特性。應變片基底和粘貼膠層很薄，構(gòu)件的應變波傳到應變片的時間很短，故只需考慮應變沿應變片軸向傳播時的動

21、態(tài)響應。 設一頻率為f 的正弦應變波在構(gòu)件中以速度v 沿應變片柵長l0方向傳播，應變片中點、兩端點的坐標是xt 、x1和x2 。在某一瞬時t，應變量沿構(gòu)件分布為3.3 電阻應變片的主要特性xt正弦應變波的動態(tài)響應0l0 x1xx2t應變片中點的應變?yōu)槠摺㈦娮钁兤膭討B(tài)特性 1、正弦應變信號的響應特性應變片測得的應變?yōu)闁砰Ll0范圍內(nèi)的平均應變m，而不是xt點的應變。m數(shù)值等于l0范圍內(nèi)應變波曲線下的面積除以l0 ，即3.3 電阻應變片的主要特性xt正弦應變波的動態(tài)響應0l0 x1xx2t平均應變m與中點應變t相對誤差為相對誤差的大小只決定于l0/的比值，l0/為1/10和1/20時的數(shù)值為應變

22、片柵長與正弦應變波的波長之比愈小，相對誤差愈小。（%）1.620.52誤差的計算結(jié)果 1/201/10l0/ 給定級數(shù)展開計算出應變片可測動態(tài)應變的最高頻率。七、電阻應變片的動態(tài)特性 1、正弦應變信號的響應特性3.3 電阻應變片的主要特性最高頻率：最大柵長：七、電阻應變片的動態(tài)特性 2、階躍應變信號的響應特性應變片在測量頻率較高的動態(tài)應變時，應變波在材料中傳播速度與聲波相同。當應變波在縱柵長度方向上傳播時，只有在應變波通過敏感柵全部長度后，應變片所反映的波形經(jīng)過一定時間的延遲，才能達到最大值。3.3 電阻應變片的主要特性上升時間tk（應變輸出從10%上升到90%的最大值所需時間）可表示為 階躍

23、應變：理論響應：實際響應：若取l0=20mm，v=5000m/s，則tk=3.210-6 s。 一、彈性敏感元件的基本特性二、電阻應變片的靈敏系數(shù)三、電阻應變片的橫向效應四、電阻應變片的機械滯后、零漂及蠕變五、電阻應變片的應變極限六、電阻應變片的電阻值、絕緣電阻和最大工作電流七、電阻應變片的動態(tài)特性八、電阻應變片的溫度誤差3.3 電阻應變片的主要特性 用作測量的應變片，希望阻值僅隨應變變化，而不受其它因素的影響。實際上應變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測試件的溫度)影響很大。 環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，產(chǎn)生很大的測量誤差，稱為應變片的溫度誤差，又稱熱輸

24、出。因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素：（1）應變片的敏感柵具有一定溫度系數(shù)；（2）應變片材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。 設環(huán)境溫度變化為t（）時，應變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為t，則應變片產(chǎn)生的電阻相對變化為八、電阻應變片的溫度誤差3.3 電阻應變片的主要特性敏感柵材料和被測構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當t存在時引起應變片的附加應變，相應的電阻相對變化為K應變片靈敏系數(shù); e試件材料線膨脹系數(shù)；g敏感柵材料線膨脹系數(shù)。八、電阻應變片的溫度誤差3.3 電阻應變片的主要特性溫度變化t形成的總電阻相對變化相應的虛假應變?yōu)橐虼?，應變片熱輸出的大小不僅與應變片敏感柵材料的性能參數(shù)(K、t,

25、、g)有關(guān)，而且與被測試件材料的線膨脹系數(shù)(e)有關(guān)。一、彈性敏感元件的基本特性二、電阻應變片的靈敏系數(shù)三、電阻應變片的橫向效應四、電阻應變片的機械滯后、零漂及蠕變五、電阻應變片的應變極限六、電阻應變片的電阻值、絕緣電阻和最大工作電流七、電阻應變片的動態(tài)特性八、電阻應變片的溫度誤差3.3 電阻應變片的主要特性英國曼徹斯特大學的兩位物理學家在石墨烯材料方面的卓越研究。海姆現(xiàn)年51歲，擁有荷蘭國籍，諾沃肖洛夫則年僅36歲，擁有英國和俄羅斯雙重國籍，兩人都出生和長大在俄羅斯。評審委員會認為，“研究二維材料石墨烯的開創(chuàng)性實驗”，“有望幫助物理學家在量子物理學研究領(lǐng)域取得新突破”。安德烈海姆康斯坦丁諾沃

26、肖洛夫Graphene（石墨烯）Buckyballs（巴基球）The Nobel Prize in Physics 2010 第三章 應變式傳感器 3.1 電阻應變片的工作原理3.2 電阻應變片的種類3.3 電阻應變片的主要特性3.4 電阻應變片的測量電路3.5 應變式傳感器的應用應變電橋雙臂應變電橋單臂應變電橋全臂應變電橋直流電橋：R交流電橋: R、L、C不平衡橋式：偏差測量法（動態(tài)）平衡橋式：零位測量法（靜態(tài)）半等臂電橋全等臂電橋工作方式橋臂關(guān)系電源負載工作臂電壓輸出橋：功率輸出橋：U、I電源端對稱輸出端對稱3.4 電阻應變片的測量電路一、直流電橋 1、平衡條件當RL時，電橋輸出電壓 當電

27、橋平衡時，U0=0，R1 R4 = R2 R3或R1/R2 =R3/R4 U0ERLR2R4R1R3直流測量電橋3.4 電阻應變片的測量電路 若R1由應變片替代，當電橋開路時，不平衡電橋輸出的電壓為一、直流電橋 2、電壓靈敏度設橋臂比n=R2/R1，R1R1有3.4 電阻應變片的測量電路 電壓靈敏度KU正比于供橋電壓，供電電壓越高，靈敏度越高，但供電電壓的提高受到應變片允許功耗的限制，要作適當選擇。當供橋電壓和電阻相對變化一定時，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂阻值大小無關(guān)。 電壓靈敏度是橋臂比的函數(shù)，恰當?shù)剡x擇橋臂比的值，保證有高的電壓靈敏度。 在當供橋電壓E確定后，當n=1即R

28、1= R2、R3= R4時，電橋的靈敏度最高。 （1）非線性誤差絕對非線性誤差 實際的非線性特性曲線與理想的線性特性曲線的偏差。相對非線性誤差 絕對非線性誤差L與理想的線性特性曲線的比。實際輸出電壓U0與R1/R1的關(guān)系是非線性的，非線性誤差為 一、直流電橋 3、非線性誤差及補償方法3.4 電阻應變片的測量電路 若四等臂電橋，即R1=R2=R3=R4則非線性誤差為非線性誤差不能滿足測量要求時要消除。 提高橋臂比 橋臂比的提高可使非線性誤差減??；但電橋電壓靈敏度降低。為了不降低，必須適當提高供橋電壓。 （2）減小或消除非線性誤差的方法一、直流電橋 3、非線性誤差及補償方法3.4 電阻應變片的測量

29、電路 采用差動電橋半橋 為了減小和克服非線性誤差，常采用差動電橋。 在試件上安裝兩個工作應變片，一個受拉應變，一個受壓應變。 橋臂電阻R1和R2都由應變片替代，接入電橋相鄰橋臂，這種接法稱為半橋差動電路。 采用差動電橋半橋一、直流電橋 3、非線性誤差及補償方法3.4 電阻應變片的測量電路 （2）減小或消除非線性誤差的方法結(jié)論： U0 與R1/R1 成線性關(guān)系，半差動電橋無非線性誤差；電壓靈敏度，比使用單只應變片提高了一倍。 當電橋開路時，不平衡電橋輸出的電壓為ERLR2-R2R4R1+R1R3U0半橋差動電路溫度補償作用 采用差動電橋全橋 電橋四臂接入四片應變片，即兩個受拉應變，兩個受壓應變。

30、兩個應變符號相同的接入相對橋臂上，構(gòu)成全橋差動電路。若滿足R1=R2=R3=R4則輸出電壓為 全橋差動電橋也無非線性誤差；電壓敏度是使用單只應變片的4倍，比半橋差動提高了一倍。ERLR2-R2R4+R4R1+R1U0全橋差動電路R3 -R3一、直流電橋3、非線性誤差及補償方法3.4 電阻應變片的測量電路 （2）減小或消除非線性誤差的方法溫度補償作用交流電橋輸出電壓為 橋路平衡條件為交流電橋USRZ2Z4Z1Z3USC二、交流電橋 1、交流電橋平衡條件 3.4 電阻應變片的測量電路 橋臂阻抗: Z= r+jx = zexp(j) z1z4=z2z31+4= 2+ 3 r1r4-r2r3=x1x4

31、-x2x3 r1x4+r4x1=r2x3+r3x2 平衡條件的另一種表示形式當Z1=Z2=Z3=Z4時，不同電橋輸出： 半橋差動電路 全橋差動電路 二、交流電橋 2、交流電橋的不平衡狀態(tài) 3.4 電阻應變片的測量電路 交流電橋USRZ2Z4Z1Z3USC 單臂交流電橋 引線產(chǎn)生的分布電容的容抗、電源頻率及應變片的性能差異，交流電橋的初始平衡條件和輸出特性都受到嚴重影響，因此電橋要預調(diào)平衡。交流電橋的平衡可用電阻調(diào)整和電容調(diào)整或阻容調(diào)整的方法。二、交流電橋 3、交流電橋的調(diào)平方法 3.4 電阻應變片的測量電路 USRR2R4R1R3USCC1C2C3C4USRR2R4R3USCR1C 半導體應變

32、電橋的非線性誤差很大，故半導體應變電橋除了提高橋臂比、采用差動電橋等措施外，一般還采用恒流源。USRR2R4R1R3USC恒流源電橋I1I2若高輸入阻抗電路，則有I1 ( R1+R2 )=I2 ( R3+R4 )I = I1+ I2三、恒流源電橋 1、電橋輸出電壓與電阻變化量的關(guān)系3.4 電阻應變片的測量電路 因此，輸出電壓:電橋初始平衡且R1 =R2 =R3=R4=R，當?shù)谝粯虮垭娮鑂1 變?yōu)镽1+R1 時，電橋輸出電壓為 若滿足R1R1 則輸出電壓與R成正比，與被測量成正比。輸出電壓與恒流源供給的電流大小、精度有關(guān)，與溫度無關(guān)。 三、恒流源電橋 1、電橋輸出電壓與電阻變化量的關(guān)系3.4 電

33、阻應變片的測量電路 USRR2R4R1R3USC恒流源電橋I1I2采用恒流源的非線性誤差為采用恒壓源的非線性誤差為三、恒流源電橋 2、電橋輸出電壓的非線性誤差3.4 電阻應變片的測量電路 USRR2R4R1R3USC恒流源電橋I1I2恒流源的非線性誤差小于恒壓源的非線性誤差，僅為其一半。為了提高測量精度，傳感器可采用種種補償措施消除有關(guān)誤差。補償電橋2串接在應變片的輸出1和測量儀表3之間，調(diào)節(jié)補償電橋的電位器W，改變輸出電壓U02，用U02來抵消傳感器的零點偏移輸出電壓U01。因此調(diào)節(jié)W可使傳感器在空載時輸出電壓U0為零。四、調(diào)零電橋電路3.4 電阻應變片的測量電路 調(diào)零電橋電路電阻應變片的溫

34、度補償方法通常有線路補償和應變片自補償兩大類。 五、電阻應變片的溫度誤差補償當被測試件線膨脹系數(shù)g已知時，合理選擇敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)t、靈敏系數(shù)K以及線膨脹系數(shù)e，可在溫度變化時均有Rt/R0=0，從而達到溫度自補償?shù)哪康?。自補償應變片優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，制造和使用都比較方便，但必須在具有一定線膨脹系數(shù)材料的試件上使用，否則不能達到溫度自補償?shù)哪康摹?1、單絲自補償應變片若使應變片在溫度變化t時的熱輸出值為零，必須使3.4 電阻應變片的測量電路 兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負值）的應變片材料串聯(lián)組成敏感柵。一定溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實現(xiàn)溫度補償。(Ra) t= (Rb) t

35、焊點RaRb2、雙絲組合式自補償應變片這種應變片的自補償條件要求粘貼在某種試件上的兩段敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號相反，即五、電阻應變片的溫度誤差補償3.4 電阻應變片的測量電路 測量應變時，使用兩個應變片，一片貼在被測試件的表面,稱為工作應變片R1 ；一片貼在與被測試件材料相同的補償塊上，稱為補償應變片R2。在工作過程中，補償塊不承受應變，僅隨溫度發(fā)生變形。R1R2補償塊試件五、電阻應變片的溫度誤差補償3、電路補償法3.4 電阻應變片的測量電路 當被測試件不承受應變時，R1與R2接入電橋相鄰臂上，R1和R2處于同一溫度場，調(diào)整電橋參數(shù)，可使電橋輸出電壓為零，即R4ER2R

36、1R3橋路補償法 U0當溫度升高或降低t時，選擇R1=R2=R及R3=R4=r，若R1t=R2t，即兩個應變片的熱輸出相等，則電橋的輸出電壓為五、電阻應變片的溫度誤差補償3、電路補償法3.4 電阻應變片的測量電路 當被測試件受應變作用時，工作片R1感受應變，阻值變化R1；而補償片R2不承受應變，阻值不變。這時電橋輸出電壓為R4ER2R1R3橋路補償法 U0電橋輸出電壓U0 ， 只與應變有關(guān)，與溫度無關(guān)。優(yōu)點：簡單易行，可在較大溫度范圍內(nèi)補償。缺點：條件不易滿足；尤其在溫度場梯度大的測試條件下很難處于相同溫度點。五、電阻應變片的溫度誤差補償3、電路補償法3.4 電阻應變片的測量電路 根據(jù)被測試件

37、承受應變的情況，有時也可不另加專門的補償塊，補償片直接貼在被測試件上。這樣既能起到溫度補償作用，又能提高輸出的靈敏度。 3、電路補償法梁受彎曲應變時，應變片R1和R2的變形方向相反，上面受拉，下面受壓，應變絕對值相等，符號相反，可使輸出電壓增加一倍。當溫度變化時，兩應變片阻值變化的符號相同，大小相等，電橋不產(chǎn)生輸出，達到了補償?shù)哪康摹1R2F構(gòu)件受彎曲應力構(gòu)件受單向應力FFR1R2構(gòu)件受單向應力時，工作片R2的軸線順著應變方向，補償片R1的軸線和應變方向垂直。五、電阻應變片的溫度誤差補償3.4 電阻應變片的測量電路 熱敏電阻Rt與應變片處在相同的溫度下，當應變片的靈敏度隨溫度升高而下降時，負

38、溫度系數(shù)熱敏電阻Rt的阻值下降，使電橋的輸入電壓增加，從而提高了電橋的輸出電壓。選擇分流電阻R的值，可使應變片靈敏度下降對電橋輸出的影響得到很好的補償。ER2R4R1R3熱敏電阻補償法USCRtR4、熱敏電阻補償法五、電阻應變片的溫度誤差補償3.4 電阻應變片的測量電路 第三章 應變式傳感器 3.1 電阻應變片的工作原理3.2 電阻應變片的種類3.3 電阻應變片的主要特性3.4 電阻應變片的測量電路3.5 應變式傳感器的應用一、應變式傳感器的特點1、應變式傳感器的優(yōu)點3.5 應變式傳感器的應用 應用和測量范圍廣精度和靈敏度高頻率響應特性好對復雜環(huán)境的適應性強商品化2、應變式傳感器的缺點大應變下

39、的非線性屏蔽措施不能測應力梯度的變化0.1%0.01%幾十上百kHz概念：被測物理量為荷重或力的應變式傳感器時，統(tǒng)稱為應變式力傳感器。用途：各種電子稱與材料試驗機的測力元件、發(fā)動機的推力測試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測等。 特點：應變式力傳感器要求有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，在受到側(cè)向作用力或力的作用點少量變化時，不應對輸出有明顯的影響。一、應變式力（荷重）傳感器3.5 應變式傳感器的應用 常見種類：1、柱（筒）式力傳感器 2、環(huán)式力傳感器3、懸臂梁式力傳感器F柱筒式力傳感器，應變片粘貼在彈性體外壁應力分布均勻的中間部分。應變片對稱地粘貼多片，電橋接線時考慮盡量減小載荷偏心和彎矩影響。橫向貼片可提高靈敏

40、度并作溫度補償用。 一、應變式力（荷重）傳感器 1、柱（筒）式力傳感器 3.5 應變式傳感器的應用 F-2+1面積SF實心圓柱F面積S-1+2空心圓柱FR6R7R8R2R3R4R5R1圓柱面展開圖u0U0R1R3R5R7R6R8R2R4橋路連接汽車衡稱重系統(tǒng)一、應變式力（荷重）傳感器 1、柱（筒）式力傳感器 3.5 應變式傳感器的應用 與柱式相比，環(huán)式力傳感器應力分布變化較大，且有正有負。測出A、B處的應變， 即可得到載荷F。 一、應變式力（荷重）傳感器 2、環(huán)式力傳感器3.5 應變式傳感器的應用 環(huán)式結(jié)構(gòu)應力分布等面積梁式力傳感器（1）等截面梁懸臂梁的橫截面積處處相等。一、應變式力（荷重）傳

41、感器 3、懸臂梁式力傳感器3.5 應變式傳感器的應用 等強度梁式力傳感器（3）其他形式梁梁的形式較多，如平行雙孔梁、工字梁、S型拉力梁等。（2）等強度梁懸臂梁長度方向的截面積按一定規(guī)律變化，當力作用在自由端時，梁內(nèi)各斷面產(chǎn)生的應力相等，表面上的應變也相等。（3）其他形式梁一、應變式力（荷重）傳感器 3、懸臂梁式力傳感器3.5 應變式傳感器的應用 平行雙孔梁工字梁S型梁一、應變式力（荷重）傳感器 3、懸臂梁式力傳感器3.5 應變式傳感器的應用 電子天平的精度可達十萬分之一電子天平 吊鉤秤 應變式壓力傳感器主要用來測量流動介質(zhì)的動態(tài)或靜態(tài)壓力, 如動力管道設備的進出口氣體或液體的壓力、發(fā)動機內(nèi)部的壓力、槍管及炮管內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃機管道的壓力等。壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。薄壁筒上貼有兩片工作應變片，實心部分貼有兩片溫度補償片。實心部分在筒