1、,第二章 傳感檢測(cè)技術(shù)的基本知識(shí),航天,交通,攝象頭:CCD傳感器,指紋傳感器,傳感檢測(cè)技術(shù),傳感檢測(cè)系統(tǒng)的組成,一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)或檢測(cè)裝置通常由傳感器、測(cè)量電路、顯示記錄裝置和數(shù)據(jù)處理裝置與執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等到功能。,被測(cè)對(duì)象,傳感器,中間變 換裝置,顯示裝置,記錄裝置,數(shù)據(jù)處 理裝置,物理量,電量,電量/數(shù)字量,信息轉(zhuǎn)換,信息提取,一、傳感器,1、定義：,傳感器：以一定精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的，便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。 定義含義： 傳感器是測(cè)量裝置 傳感器的輸入量是某一被測(cè)量 傳感器的輸出量應(yīng)是便于轉(zhuǎn)換的物理量 傳感器的輸入與

2、輸出之間有一定精確程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,傳感器名稱：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測(cè)器、 探頭,傳感器的功用是一感二傳， 即感受被測(cè)信息，并傳送出去,敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路,被測(cè)量,輸出量,敏感元件：它是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。,轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出 就是它的輸入，它把輸入的被測(cè)量摶換成電 路參量。,基本轉(zhuǎn)換電路：上述電路參 量輸入基本轉(zhuǎn)換電路（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。,輔助電源,敏感元件,轉(zhuǎn)換元件,基本轉(zhuǎn)換電路,2、傳感器組成,傳感器是知識(shí)密集、技術(shù)密集的行業(yè)，它與許多學(xué)科有關(guān)，它的種類十分繁多。為了很好地掌握它、應(yīng)用它，需要有一個(gè)科學(xué)的分

3、類方法。,3、傳感器分類,1)按被測(cè)物理量分類,機(jī)械量:長(zhǎng)度,厚度,位移,速度,加速度, 旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力, 壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速, 流量; 聲: 聲壓,噪聲. 磁: 磁通,磁場(chǎng). 溫度: 溫度,熱量,比熱. 光： 亮度，色彩,常見的被測(cè)物理量,能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作. 例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì). 能量控制型:從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部 供給能量的變化.例如:電阻應(yīng)變片.,例如位移傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器、溫度傳感器等。 模擬傳感器、數(shù)字傳感器。 雙向傳感器、單向傳感器等。,按照傳感器的用途來分類,根據(jù)傳感器輸出是模擬信號(hào)還是數(shù)字

4、信號(hào),根據(jù)轉(zhuǎn)換過程可逆與否,應(yīng)變效應(yīng),實(shí)驗(yàn)演示 ：,當(dāng)我們用力將該電阻絲拉長(zhǎng)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其阻值略有增加（圖中增加到為10.05）。測(cè)量應(yīng)力、應(yīng)變、力的傳感器就是利用類似的原理制作的。,應(yīng)變效應(yīng),各種電子秤,廣泛應(yīng)用于,應(yīng)變效應(yīng),高 精 度 電 子 汽 車 衡,動(dòng)態(tài)電子秤,電子天平,應(yīng)變效應(yīng),金屬絲式應(yīng)變片的基本工作原理,2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,對(duì)于一長(zhǎng)為L(zhǎng)、橫截面積為A、電阻率為的金屬絲，其電阻值R為：,L,受力F,2r,金屬絲式應(yīng)變片的基本工作原理,當(dāng)電阻絲受到軸向拉力F作用時(shí)，金屬絲幾何尺寸變化引起電阻的相對(duì)變化.,2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,金屬絲式應(yīng)變片的基本工作原理,2.1 金屬應(yīng)變式

5、傳感器,應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu),2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,金屬電阻應(yīng)變片主要有三種： 金屬絲式 箔式 薄膜式,常用結(jié)構(gòu)圖示,應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu),2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,典型的電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖,由敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和粘結(jié)劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能。因此，應(yīng)根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇。,金屬絲式應(yīng)變片基本結(jié)構(gòu),金屬絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu),2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,2,3,4,1,1-敏感柵,由金屬細(xì)絲繞成柵形。電阻應(yīng)變片的電阻值為60、120、200等多種規(guī)格，以120最為常用。 應(yīng)變片柵長(zhǎng)大小關(guān)系到所測(cè)應(yīng)變的準(zhǔn)確度，應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變大小是應(yīng)變片柵長(zhǎng)和柵寬

6、所在面積內(nèi)的平均軸向應(yīng)變量。,2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,2,3,4,1,基底2和蓋片3,基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對(duì)位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對(duì)位置，還可保護(hù)敏感柵。基底的全長(zhǎng)稱為基底長(zhǎng)，其寬度稱為基底寬。,金屬絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu),2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,2,3,4,1,引線4,是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線。 對(duì)引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。 大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。,金屬絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu),2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,2,3,4,1,粘結(jié)劑,用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應(yīng)變片時(shí)，也

7、需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個(gè)方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計(jì)的基底和敏感柵。 常用的粘結(jié)劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂，聚酰亞胺等。無機(jī)粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。,金屬絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu),應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu),2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,金屬箔式應(yīng)變片,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，上面再覆蓋一層薄膜而制成。,應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu),2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,金屬箔式應(yīng)變片和絲式應(yīng)變片相比較，有如下特點(diǎn)。 金屬箔柵很薄，

8、因而它所感受的應(yīng)力狀態(tài)與試件表面的應(yīng)力狀態(tài)更為接近。其次，當(dāng)箔材和絲材具有同樣的截面積時(shí)，箔材與粘接層的接觸面積比絲材大，使它能更好地和試件共同工作。第三，箔柵的端部較寬，橫向效應(yīng)較小，因而提高了應(yīng)變測(cè)量的精度。 箔材表面積大，散熱條件好，故允許通過較大電流，因而可以輸出較大信號(hào)，提高了測(cè)量靈敏度。 箔柵的尺寸準(zhǔn)確、均勻，且能制成任意形狀，特別是為制造應(yīng)變花和小標(biāo)距應(yīng)變片提供了條件，從而擴(kuò)大了應(yīng)變片的使用范圍。 便于成批生產(chǎn)。 缺點(diǎn)：電阻值分散性大，有的相差幾十，故需要作阻值調(diào)整；生產(chǎn)工序較為復(fù)雜，因引出線的焊點(diǎn)采用錫焊，因此不適于高溫環(huán)境下測(cè)量；此外價(jià)格較貴。,應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu),2.1 金屬

9、應(yīng)變式傳感器,應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu),2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,金屬應(yīng)變計(jì),金屬絲式應(yīng)變片的基本測(cè)量電路,2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,電阻應(yīng)變片的測(cè)量線路多采用交流電橋(配交流放大器)，其原理和直流電橋相似。 直流電橋比較簡(jiǎn)單，因此首先分析直流電橋，如圖所示:,金屬絲式應(yīng)變片的基本測(cè)量電路,2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,當(dāng)電源E為電勢(shì)源，其內(nèi)阻為零時(shí)，可求出檢流計(jì)中流過的電流Ig與電橋各參數(shù)之間的關(guān)系為:,Rg為負(fù)載電阻.,因而其輸出電壓Ug為:,當(dāng)R1R4=R2R3時(shí)，Ig=0，Ug=0，即電橋處于平衡狀態(tài)。 若電橋的負(fù)載電阻Rg為無窮大，則B、D兩點(diǎn)可視為開路，上式可以化簡(jiǎn)為:,設(shè)R1為應(yīng)變片的阻值，

10、工作時(shí)R1有一增量R，當(dāng)為拉伸應(yīng)變時(shí)，R為正；壓縮應(yīng)變時(shí)，R為負(fù)。在上式中以R1+R代替R1，則:,設(shè)電橋各臂均有相應(yīng)的電阻增量R1、R2、R3、R4時(shí),在實(shí)際使用時(shí)，一般多采用等臂電橋或?qū)ΨQ電橋。,1. 等臂電橋,2. 第一對(duì)稱電橋,3.第二對(duì)稱電橋,在實(shí)際使用時(shí)，一般多采用等臂電橋或?qū)ΨQ電橋。,1、等臂電橋 當(dāng)R1=R2=R3=R4=R時(shí)，稱為等臂電橋。 此時(shí)電橋輸出可寫為,一般情況下，Ri（i=1，2，3，4）很小，即RRi，略去上式中的高階微量，并利用 式得到:,當(dāng)RiR時(shí)，輸出電壓與應(yīng)變呈線性關(guān)系。 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

11、的極性不同時(shí)，輸出電壓為兩者之和。 若相對(duì)兩橋臂應(yīng)變的極性一致時(shí)，輸出電壓為兩者之和；相對(duì)橋臂的應(yīng)變極性相反時(shí)，輸出電壓為兩者之差。,上式表明：,利用上述特點(diǎn)可進(jìn)行溫度補(bǔ)償和提高測(cè)量的靈敏度。,當(dāng)僅橋臂AB單臂工作時(shí)，輸出電壓為 由前兩式可知，當(dāng)假定RR時(shí)，輸出電壓Ug與應(yīng)變間呈線性關(guān)系。 若假定不成立，則按線性關(guān)系刻度的儀表用來測(cè)量必然帶來非線性誤差。,當(dāng)考慮單臂工作時(shí)，即AB橋臂變化R，則:,由上式展開級(jí)數(shù)，得:,則電橋的相對(duì)非線性誤差為:,可見，K愈大，愈大，通常K1。,1/2K,例：設(shè)K=2，要求非線性誤差1%，試求允許測(cè)量的最大應(yīng)變值max。,結(jié)論：如果被測(cè)應(yīng)變大于10000，采用等

12、臂電橋時(shí)的非線性誤差大于1%。,2、第一對(duì)稱電橋 若電橋橋臂兩兩相等，即R1=R2=R，R3=R4=R，則稱它為第一對(duì)稱電橋，如圖，實(shí)質(zhì)上它是半等臂電橋。設(shè)R1有一增量R，電橋的輸出電壓為:,Ug,R2=R,R4=R,R1=R,R3=R,E,第一對(duì)稱電橋,B,A,C,D,上式表明：第一對(duì)稱電橋的輸出電壓與等臂電橋相同，其非線性誤差可由1/2K式計(jì)算。若RR，上式仍可化簡(jiǎn)為 式，這時(shí)輸出電壓與應(yīng)變成正比。,3、第二對(duì)稱電橋 半等臂電橋的另一種形式為R1=R3=R，R2=R4=R，稱為第二對(duì)稱電橋。若R1有一增量R，則:,當(dāng)k1(RR )時(shí)，k/(1+k)1/2，其非線性較等臂電橋大； 當(dāng)k遠(yuǎn)小于

13、1時(shí)，其非線性可得到很好改善； 當(dāng)k=1時(shí)，即為等臂電橋。,若RR，忽略上式分母中 項(xiàng)，得到 可見，在一定應(yīng)變范圍內(nèi)，第二對(duì)稱電橋的輸出與應(yīng)變呈線性關(guān)系，但比等臂電橋的輸出電壓小 倍 。,2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,金屬應(yīng)變片的主要特性,靈敏度系數(shù) 橫向效應(yīng) 機(jī)械滯后 零點(diǎn)漂移和蠕變 應(yīng)變極限 動(dòng)態(tài)特性,金屬應(yīng)變片的主要特性,1. 靈敏度系數(shù),金屬應(yīng)變絲的電阻相對(duì)變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)KS表示。,當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻應(yīng)變特性與金屬單絲情況不同。需用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行重新標(biāo)定。 實(shí)驗(yàn)表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化與應(yīng)變?cè)诤軐挼姆秶鷥?nèi)均為線性關(guān)系。,應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K

14、恒小于線材的靈敏系數(shù)KS。,金屬應(yīng)變片的主要特性,1. 靈敏度系數(shù),應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)KS。,(1)膠層傳遞變形失真 (2)橫向效應(yīng)。,主要原因:,金屬應(yīng)變片的主要特性,2. 橫向效應(yīng),柵長(zhǎng),柵寬,金屬絲式應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測(cè)量應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件的軸向應(yīng)變使敏感柵電阻發(fā)生變化，而其橫向應(yīng)變r(jià)也使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。,應(yīng)變片的這種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。,若敏感柵有n根縱柵，每根長(zhǎng)為l，半徑為r，在軸向應(yīng)變作用下，全部縱柵的變形視為L(zhǎng)1:,半圓弧橫柵同時(shí)受到和r的作用，在任一微小段長(zhǎng)度d l = r d上

15、的應(yīng)變可由材料力學(xué)公式求得 ：,每個(gè)圓弧形橫柵的變形量l為:,縱柵為n根的應(yīng)變片共有n-1個(gè)半圓弧橫柵，全部橫柵的變形量為:,應(yīng)變片敏感柵的總變形為:,敏感柵柵絲的總長(zhǎng)為L(zhǎng)，敏感柵的靈敏系數(shù)為KS，則電阻相對(duì)變化為：,令：,則：,可見，敏感柵電阻的相對(duì)變化分別是和r作用的結(jié)果。,當(dāng)r=0時(shí)，可得軸向靈敏度系數(shù)：,當(dāng)=0時(shí)，可得橫向靈敏度系數(shù)：,橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)之比值，稱為橫向效應(yīng)系數(shù)H。即：,可見，r愈小、l愈大，則H愈小。即敏感柵越窄、基長(zhǎng)越長(zhǎng)的應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)引起的誤差越小。,金屬應(yīng)變片的主要特性,3. 機(jī)械滯后,應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特性與卸載特性不重合

16、，即為機(jī)械滯后。,金屬應(yīng)變片的主要特性,3. 機(jī)械滯后,應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特性與卸載特性不重合，即為機(jī)械滯后。,機(jī)械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時(shí)的機(jī)械應(yīng)變愈大，卸載時(shí)的滯后也愈大。所以，通常在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機(jī)械滯后所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。,產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后的殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時(shí)，敏感柵受到的不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘辰Y(jié)劑固化不充分等。,金屬應(yīng)變片的主要特性,4. 零點(diǎn)漂移和蠕變,對(duì)于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時(shí)，不承受應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移。,產(chǎn)

17、生的原因： 敏感柵通電后的溫度效應(yīng)； 應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化； 粘結(jié)劑固化不充分等。,金屬應(yīng)變片的主要特性,4. 零點(diǎn)漂移和蠕變,如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性稱為蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的方向相反。,產(chǎn)生的原因：由于膠層之間發(fā)生“滑動(dòng)”，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。,金屬應(yīng)變片的主要特性,5. 應(yīng)變極限,在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對(duì)測(cè)試值的真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時(shí)的值 最大真實(shí)應(yīng)變值。 真實(shí)應(yīng)變是由于工 作溫度變化或承受 機(jī)械載荷，在被測(cè) 試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力時(shí) 所引起的表面應(yīng)變。,金屬應(yīng)變片的主要特性,6. 動(dòng)

18、態(tài)特性,當(dāng)被測(cè)應(yīng)變值隨時(shí)間變化的頻率很高時(shí)，需考慮應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)特性。因應(yīng)變片基底和粘貼膠層很薄，構(gòu)件的應(yīng)變波傳到應(yīng)變片的時(shí)間很短(估計(jì)約0.2s)，故只需考慮應(yīng)變沿應(yīng)變片軸向傳播時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。,設(shè)一頻率為 f 的正弦應(yīng)變波在構(gòu)件中以速度 v 沿應(yīng)變片柵長(zhǎng)方向傳播，在某一瞬時(shí) t，應(yīng)變量沿構(gòu)件分布如圖所示:,設(shè)一頻率為 f 的正弦應(yīng)變波在構(gòu)件中以速度 v 沿應(yīng)變片柵長(zhǎng)方向傳播，在某一瞬時(shí) t，應(yīng)變量沿構(gòu)件分布如圖所示:,應(yīng)變片,瞬時(shí)t 時(shí)應(yīng)變波沿構(gòu)件分布為：,應(yīng)變片中點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)?應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變?yōu)闁砰L(zhǎng) l 范圍內(nèi)的平均應(yīng)變m，而不是xt點(diǎn)的應(yīng)變，其數(shù)值等于 l 范圍內(nèi)應(yīng)變波曲線下的面積除以 l。

19、,應(yīng)變片,即：,平均應(yīng)變m與中點(diǎn)應(yīng)變t相對(duì)誤差為：,可見，相對(duì)誤差的大小只決定于l/的比值.,應(yīng)變片,平均應(yīng)變m與中點(diǎn)應(yīng)變t相對(duì)誤差為：,下表給出了l/為1/10和1/20時(shí)的數(shù)值：,可見，應(yīng)變片柵長(zhǎng)與正弦應(yīng)變波的波長(zhǎng)之比愈小，相對(duì)誤差愈小。,若已知應(yīng)變波在某材料內(nèi)傳播速度，由上式可計(jì)算出柵長(zhǎng)為l的應(yīng)變片粘貼在某種材料上的可測(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)變最高頻率。,一般比值為1/101/20時(shí)，將小于2%。,溫度誤差及其補(bǔ)償,2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,用作測(cè)量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變變化，而不受其它因素的影響。 實(shí)際上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測(cè)試件的溫度)影響很大。由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化

20、與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí)，從而產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差，又稱熱輸出。,溫度誤差及其補(bǔ)償,2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)主要因素： 應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)； 電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同。,溫度誤差及其補(bǔ)償,2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,設(shè)環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為t（）時(shí)，粘貼在試件表面的應(yīng)變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為t ，則應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻相對(duì)變化為:,由于敏感柵材料和被測(cè)構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)t 存在時(shí)，引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變，相應(yīng)的電阻相對(duì)變化為:,K應(yīng)變片靈敏系數(shù); e試件材料線膨脹系數(shù)； g

21、敏感柵材料線膨脹系數(shù)。,溫度誤差及其補(bǔ)償,2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,溫度變化t形成的總電阻相對(duì)變化：,相應(yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)?,可見，應(yīng)變片熱輸出的大小不僅與應(yīng)變計(jì)敏感柵材料的性能(t,g)有關(guān)，而且與被測(cè)試件材料的線膨脹系數(shù)(e)有關(guān)。,K應(yīng)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)。,溫度誤差及其補(bǔ)償,2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,虛假應(yīng)變:,K應(yīng)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)。 t 溫度變化 t 敏感柵材料電阻溫度系數(shù),1. 單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片,2. 雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片,3. 電路補(bǔ)償法,溫度補(bǔ)償方法：,溫度誤差及其補(bǔ)償,2.1 金屬應(yīng)變式傳感

22、器,虛假應(yīng)變:,K應(yīng)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)。 t 溫度變化 t 敏感柵材料電阻溫度系數(shù),1. 單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片,由上式知，若使應(yīng)變片在溫度變化t時(shí)的熱輸出值為零，必須使：,單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和使用都比較方便，但它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(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?即:,溫度誤差及其補(bǔ)償,2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,2.雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片,由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負(fù)值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達(dá)到一定溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償.,(Ra) t = (Rb) t,這種應(yīng)變片的自補(bǔ)償條

23、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(hào)相反，即：,溫度誤差及其補(bǔ)償,2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,3.電路補(bǔ)償法,測(cè)量應(yīng)變時(shí)，使用兩個(gè)應(yīng)變片，一片貼在被測(cè)試件的表面,稱為工作應(yīng)變片R1 。另一片貼在與被測(cè)試件材料相同的補(bǔ)償塊上，稱為補(bǔ)償應(yīng)變片R2。在工作過程中補(bǔ)償塊不承受應(yīng)變，僅隨溫度發(fā)生變形。,溫度誤差及其補(bǔ)償,3.電路補(bǔ)償法,把R1與R2接入電橋相鄰臂上，,當(dāng)被測(cè)試件不承受應(yīng)變時(shí)，R1和R2處于同一溫度場(chǎng)，調(diào)整電橋參數(shù)，可使電橋輸出電壓為零，即：,選擇R1=R2=R及R3=R4=r。 當(dāng)溫度升高或降低t 時(shí)，若R1t=R2t，即兩個(gè)應(yīng)變片的熱輸出相等，則電

24、橋的輸出電壓為：,溫度誤差及其補(bǔ)償,3.電路補(bǔ)償法,若被測(cè)試件受應(yīng)變作用時(shí)，工作片R1感受應(yīng)變，阻值變化R1 ；補(bǔ)償片R2不承受應(yīng)變，阻值不變。此時(shí)電橋輸出電壓為:,由上式可知，電橋輸出電壓U0只與應(yīng)變有關(guān)，與溫度無關(guān)。,溫度誤差及其補(bǔ)償,3.電路補(bǔ)償法,電橋補(bǔ)償法如果要達(dá)到全補(bǔ)償，需滿足下列三個(gè)條件： R1和R2須屬于同一批號(hào)的，即它們的電阻溫度系數(shù)、線膨脹系數(shù)、應(yīng)變靈敏系數(shù)K都相同，兩片的初始電阻值也要求相同； 用于粘貼補(bǔ)償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件二者材料必須相同，即要求兩者線膨脹系數(shù)相等； 兩應(yīng)變片處于同一溫度環(huán)境中。,此方法簡(jiǎn)單易行，能在較大溫度范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償。缺點(diǎn)是條件不易滿足，尤

25、其是條件。在某些測(cè)試條件下，溫度場(chǎng)梯度較大，R1和R2很難處于相同溫度點(diǎn)。,構(gòu)件受彎曲應(yīng)力,構(gòu)件受單向應(yīng)力,根據(jù)被測(cè)試件承受應(yīng)變的情況，可以不另加專門的補(bǔ)償塊，而是將補(bǔ)償片貼在被測(cè)試件上，這樣既能起到溫度補(bǔ)償作用，又能提高輸出的靈敏度。,溫度誤差及其補(bǔ)償,3.電路補(bǔ)償法,構(gòu)件受彎曲應(yīng)力,溫度誤差及其補(bǔ)償,3.電路補(bǔ)償法,梁受彎曲應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片R1和R2的變形方向相反，上面受拉，下面受壓，應(yīng)變絕對(duì)值相等，符號(hào)相反，將它們接入電橋的相鄰臂后，可使輸出電壓增加一倍。當(dāng)溫度變化時(shí)，應(yīng)變片R1和R2阻值變化的符號(hào)相同，大小相等，電橋不產(chǎn)生輸出，達(dá)到了補(bǔ)償?shù)哪康摹?構(gòu)件受單向應(yīng)力,溫度誤差及其補(bǔ)償,3.電

26、路補(bǔ)償法,構(gòu)件受單向應(yīng)力時(shí)，將工作應(yīng)變片R2的軸線順著應(yīng)變方向，補(bǔ)償應(yīng)變片R1的軸線和應(yīng)變方向垂直，R1和R2接入電橋相鄰臂，其輸出為:,常用應(yīng)變式傳感器,2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,(一) 柱式力傳感器,軸向布置一個(gè)或幾個(gè)應(yīng)變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片，后者取符號(hào)相反的應(yīng)變，以構(gòu)成差動(dòng)對(duì)。由于應(yīng)變片沿圓周方向分布，所以非軸向載荷分量被補(bǔ)償。,常用應(yīng)變式傳感器,2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,(一) 柱式力傳感器,F,-2,+1,截面積S,F,(a)實(shí)心圓柱,在圓筒（柱）上按一定方式粘貼應(yīng)變片，圓柱（筒）在外力F作用下產(chǎn)生形變，從而應(yīng)變片產(chǎn)生形變：,式中：L為彈性元件的長(zhǎng)度， S為彈性元件的橫截面積 F外力；為應(yīng)力，=F/S； E為彈性模量,軸向應(yīng)變：,圓周方向應(yīng)變：,(一) 柱式力傳感器,常用應(yīng)變式傳感器,彈性元件上應(yīng)變片的粘貼和電橋連接，應(yīng)盡可能消除偏心和彎矩的影響，一般將應(yīng)變片對(duì)稱地貼在應(yīng)力均勻的圓柱表面中部，構(gòu)成差動(dòng)