第四講電阻應(yīng)變式傳感器第1頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1工作原理電阻應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí) 其電阻值將發(fā)生變化1.金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)第2頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月上一頁返回下一頁2.工作原理設(shè)有一長(zhǎng)度為l、截面積為A、半徑為r、電阻率為

的金屬單絲，它的電阻值R可表示為：當(dāng)沿金屬絲的長(zhǎng)度方向作用均勻拉力（或壓力）時(shí)，上式中

、A、l都將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。第3頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于半徑為r的圓導(dǎo)體，A=πr2，ΔA/A=2Δr/r又由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，

上一頁返回下一頁ε為導(dǎo)體的縱向應(yīng)變，其數(shù)值一般很小，常以微應(yīng)變度量；μ為電阻絲材料的泊松比，一般金屬μ=0.3~0.5；λ為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)；σ為應(yīng)力值；E為材料的彈性模量；第4頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月材料的幾何尺寸變化引起的材料的電阻率ρ隨應(yīng)變引起的（壓阻效應(yīng)）金屬材料：k0以前者為主，則k0≈1+2μ=1.7~3.6半導(dǎo)體：k0值主要是由電阻率相對(duì)變化所決定上一頁返回下一頁電阻的靈敏系數(shù)：第5頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬電阻應(yīng)變片，材料電阻率隨應(yīng)變產(chǎn)生的變化很小，可忽略應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變片縱向應(yīng)變成正比，并且對(duì)同一電阻材料，K0=1+2μ是常數(shù)。其靈敏度系數(shù)多在1.7～3.6之間。上一頁返回下一頁第6頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性敏感元件

應(yīng)變外力作用被測(cè)對(duì)象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形應(yīng)變片敏感柵隨同變形電阻值發(fā)生相應(yīng)變化應(yīng)變片位移、力、力矩、加速度、壓力第7頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類

上一頁返回下一頁第8頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)變片的類型和材料

金屬絲式：

金屬箔式：

金屬薄膜式上一頁返回下一頁金屬絲式應(yīng)變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢(shì)。但其價(jià)格便宜，多用于應(yīng)變、應(yīng)力的大批量、一次性試驗(yàn)箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金。箔式應(yīng)變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量時(shí)的蠕變較小，一致性較好，適合于大批量生產(chǎn)。目前廣泛用于各種應(yīng)變式傳感器中。第9頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬絲式應(yīng)變片上一頁返回下一頁金屬電阻絲應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)1-基片；2-電阻絲；3-覆蓋層；4-引出線第10頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬箔式應(yīng)變片

在絕緣基底上，將厚度為0.003～0.01mm電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀箔式應(yīng)變片上一頁返回下一頁第11頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)點(diǎn)：（1）尺寸準(zhǔn)確，線條均勻，適應(yīng)不同的測(cè)量要求，

（2）可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵（3）與被測(cè)試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。散熱條件好，允許電流大，靈敏度提高。（4）橫向效應(yīng)可以忽略。（5）蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)：電阻值的分散性大阻值調(diào)整上一頁返回下一頁第12頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬薄膜應(yīng)變片

采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1μm以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，再加上保護(hù)層，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)問題：難控制電阻與溫度和時(shí)間的變化關(guān)系上一頁返回下一頁第13頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2應(yīng)變片的粘貼技術(shù)1.去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細(xì)紗布交叉打磨出細(xì)紋以增加粘貼力，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。第14頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.貼片：在應(yīng)變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠，用鑷子將應(yīng)變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡。第15頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.測(cè)量：從分開的端子處，預(yù)先用萬用表測(cè)量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。第16頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月4.焊接：將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。

第17頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.固定：焊接后用膠布將引線和被測(cè)對(duì)象固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)變片。

第18頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

上一頁返回下一頁1直流電橋2非線性誤差及其補(bǔ)償?shù)?9頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測(cè)量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。例如，有一金屬箔式應(yīng)變片，標(biāo)稱阻值R0為100

，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質(zhì)圓柱體上，鋼的彈性模E=2

1011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應(yīng)變片的阻值R的變化量?jī)H為0.2

，所以必須使用不平衡電橋來測(cè)量這一微小的變化量。下面分析該橋式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路是如何將

R/R轉(zhuǎn)換為輸出電壓Uo的。

第20頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月1.直流電橋

直流電橋的工作原理IL=0時(shí)電橋平衡平衡條件

:R1R4=R2R3

R1/R2=R3/R4

R1+⊿R1R2R4R3UILRL上一頁返回下一頁第21頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2．不平衡直流電橋的工作原理及靈敏度

當(dāng)電橋后面接放大器時(shí),電橋輸出端看成開路.電橋的輸出式為：應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化ΔR

上一頁返回下一頁第22頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月采用等臂電橋，即R1=R2=R3=R4=R。此時(shí)式(2.1.24)可寫為當(dāng)ΔRi<<R(i=1,2,3,4)時(shí)，略去上式中的高階微量，則上一頁返回下一頁第23頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月上式表明：①

ΔRi<<R時(shí)，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。②若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)變時(shí)，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性不同，則輸出電壓為兩者之和。③若相對(duì)兩橋臂應(yīng)變的極性一致，輸出電壓為兩者之和；反之則為兩者之差。④電橋供電電壓U越高，輸出電壓U0越大。但是，當(dāng)U大時(shí)，電阻應(yīng)變片通過的電流也大，若超過電阻應(yīng)變片所允許通過的最大工作電流，傳感器就會(huì)出現(xiàn)蠕變和零漂。⑤增大電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K，可提高電橋的輸出電壓。上一頁返回下一頁第24頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月略去分母中的ΔR1/R1項(xiàng),假設(shè)ΔR1/R1<<1單臂電橋，即R1橋臂變化ΔR，理想的線性關(guān)系實(shí)際輸出電壓上一頁返回下一頁電橋的相對(duì)非線性誤差為2.非線性誤差及其補(bǔ)償?shù)?5頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月減小非線性誤差采用的措施為：

（1）采用半橋差動(dòng)電橋R1R2FU0R1＋⊿R1R4R3UR2－⊿R2上一頁返回下一頁第26頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR

嚴(yán)格的線性關(guān)系電橋靈敏度比單臂時(shí)提高一倍溫度補(bǔ)償作用上一頁返回下一頁第27頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出電壓為：U0R1＋⊿R1UR2－⊿R2R4＋⊿R4R3－⊿R3上一頁返回下一頁全橋差動(dòng)電路第28頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4金屬應(yīng)變片的主要特性（一）靈敏系數(shù)（二）橫向效應(yīng)（三）溫度誤差及其補(bǔ)償上一頁返回下一頁第29頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)變片的電阻值R應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力情況下，于室溫下測(cè)得的電阻值.電阻系列：60、120、200、350、500、1000Ω

可以加大應(yīng)變片承受電壓，電阻值大輸出信號(hào)大，敏感柵尺寸也增大上一頁下一頁返回第30頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）靈敏系數(shù)“標(biāo)稱靈敏系數(shù)”：受軸向單向力（拉或壓），試件材料為泊松系數(shù)μ=0.285的鋼等。一批產(chǎn)品中只能抽樣5％的產(chǎn)品來測(cè)定，取平均值及允許公差值。電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k<電阻絲的靈敏系數(shù)k0

粘結(jié)層傳遞變形失真還存在有橫向效應(yīng)原因：上一頁返回下一頁第31頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

（二）橫向效應(yīng)敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成直線段：沿軸向拉應(yīng)變?chǔ)舩，電阻圓弧段：沿軸向壓應(yīng)度εy電阻K(箔式應(yīng)變片)上一頁下一頁返回lεyεxεy第32頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)變片的橫柵部分將縱向絲柵部分的電阻變化抵消了一部分，從而降低了整個(gè)電阻應(yīng)變片的靈敏度，帶來測(cè)量誤差，其大小與敏感柵的構(gòu)造及尺寸有關(guān)。敏感柵的縱柵愈窄、愈長(zhǎng)，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應(yīng)的影響愈小。第33頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）溫度誤差及其補(bǔ)償

上一頁返回下一頁1、敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。當(dāng)環(huán)境溫度變化△t時(shí)，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為α，則引起的電阻相對(duì)變化為2、試件材料的線膨脹引起的誤差。當(dāng)溫度變化△t時(shí)，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片將產(chǎn)生附加拉長(zhǎng)（或壓縮），引起的電阻相對(duì)變化溫度誤差第34頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月相應(yīng)的虛假應(yīng)變輸出可得由于溫度變化而引起的總電阻變化為第35頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度補(bǔ)償單絲自補(bǔ)償法自補(bǔ)償法組合式自補(bǔ)償法線路補(bǔ)償法〔電橋補(bǔ)償法、熱敏電阻〕溫度補(bǔ)償上一頁返回下一頁第36頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

①電橋補(bǔ)償法

U0R1R4R3URbFFR1RbR1+⊿RRb-⊿RU0R1＋⊿RR4R3URb－⊿R上一頁返回下一頁第37頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月電橋補(bǔ)償法優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、方便，在常溫下補(bǔ)償效果較好，缺點(diǎn)：在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致的情況，因而影響補(bǔ)償效果。第38頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月②應(yīng)變片的自補(bǔ)償法

粘貼在被測(cè)部位上的是一種特殊應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?，這種應(yīng)變片稱為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。利用這種應(yīng)變片來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǚQ為應(yīng)變片自補(bǔ)償法。a.選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片b.雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片第39頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月a.選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片

優(yōu)點(diǎn)：容易加工，成本低，缺點(diǎn)：只適用特定試件材料，溫度補(bǔ)償范圍也較窄。上一頁返回下一頁由式(2.1.16)可知，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)臈l件為當(dāng)被測(cè)試件的線膨脹系數(shù)βg已知時(shí)，通過選擇敏感柵材料，使下式成立(2.1.21)即可達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。?0頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月R1R2組合自補(bǔ)償法b.雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片

敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成選用兩者具有不同符號(hào)的電阻溫度系數(shù)調(diào)整R1和R2的比例，使溫度變化時(shí)產(chǎn)生的電阻變化滿足通過調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長(zhǎng)度來控制應(yīng)變片的溫度自補(bǔ)償，可達(dá)±0.45μm/℃的高精度上一頁返回下一頁第41頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月③熱敏電阻補(bǔ)償

TKRtUiR1＋⊿RR4R3U0R2RtR5分流電阻UURtU=Ui-URtK上一頁返回下一頁第42頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用1

應(yīng)變式力傳感器2

應(yīng)變式壓力傳感器3.應(yīng)變式液體重量（或液位）傳感器4

應(yīng)變式加速度傳感器上一頁返回下一頁第43頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月上一頁返回下一頁1

應(yīng)變式力傳感器（a）實(shí)心圓柱；（b）空心圓筒；(1)柱式力傳感器第44頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF第45頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月第46頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)梁式力傳感器上一頁返回下一頁第47頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)梁式力傳感器等截面梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工，靈敏度高適合于測(cè)5000N以下的載荷b0R1R2l0lFbh①等截面懸臂梁第48頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月b0R1R2XlFbh②等強(qiáng)度懸臂梁第49頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月③雙端固定梁第50頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶薄壁圓環(huán)式力傳感器

上一頁返回下一頁在外力作用下，各點(diǎn)的應(yīng)力差別較大第51頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月BK-2S稱重傳感器產(chǎn)品詳細(xì)介紹

采用國(guó)際流行的雙梁式或剪切S梁結(jié)構(gòu)，拉、壓輸出對(duì)稱性好、

測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，廣泛用于機(jī)電結(jié)合秤、料斗秤、包裝秤等各種測(cè)力、稱重系統(tǒng)中

供橋電壓12VDC輸入阻抗380±20Ω

輸出阻抗350±10Ω絕緣電阻≥2000MΩ

工作溫度-10~+50℃

上一頁返回下一頁第52頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月BK－4輪輻式傳感器系列

采用輪輻式結(jié)構(gòu)，高度低，抗偏抗側(cè)能力強(qiáng)，測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定可靠安裝方便，是大、中量程精度傳感器中的最佳形式，廣泛用于各種電子衡器和各種力值測(cè)量，如汽車衡、軌道衡、吊勾秤、料斗秤技術(shù)參數(shù)

量程（t）1，2，5，10，20，30，50供橋電壓12VDC

靈敏度1．5~2mV/V輸入阻抗730±20Ω

非線性（%FS）0.03,0.05,0.1輸出阻抗700±10Ω

重復(fù)性（%FS）0.03,0.05,0.1絕緣電阻≥2000MΩ

滯后（%FS）0.03,0.05,0.1工作溫度-10~+50℃

允許過負(fù)荷120%FS熱零點(diǎn)偏移（%FS/10℃）上一頁返回下一頁第53頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.應(yīng)變式壓力傳感器

上一頁返回下一頁εtεrR4R3R1R2

UU0膜片PεrεtR1R2R3R4εrεt膜片式壓力傳感器第54頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月筒式壓力傳感器

（測(cè)較大壓力）

機(jī)床液壓系統(tǒng)的壓力（106～107Pa），槍炮的膛內(nèi)壓力（108Pa），動(dòng)態(tài)特性和靈敏度主要由材料的E值和尺寸決定上一頁返回下一頁第55頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月組合式壓力傳感器

應(yīng)變片不直接粘貼在壓力感受元件上壓力敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等通常用于測(cè)量小壓力。其缺點(diǎn)是固有頻率低，不適于測(cè)量瞬態(tài)過程。上一頁返回下一頁第56頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月AK-1型應(yīng)變式脈動(dòng)壓力傳感器產(chǎn)品特點(diǎn)：

采用外殼和膜片為一體的圓膜片結(jié)構(gòu)

尺寸小，安裝方便

頻響高，精度高，性能穩(wěn)定可靠

適用于各種動(dòng)，靜態(tài)、氣、液體介質(zhì)的壓力測(cè)量

上一頁返回下一頁第57頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.容器內(nèi)液體重量（液位）傳感器上一頁返回下一頁第58頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月4.

應(yīng)變式加速度傳感器上一頁返回上一頁返回在低頻（10~60Hz）