电阻应变式传感器及其应用传感器原理及其应用.pptx

第2章 电阻应变式传感器及其应用电阻式传感器：将被测非电量转变成电阻值，通过电阻式传感器：将被测非电量转变成电阻值，通过测量电阻值达到测量非电量的目的。测量电阻值达到测量非电量的目的。分类：电阻应变式、压阻式和热电阻式分类：电阻应变式、压阻式和热电阻式利用电阻式传感器可以测量形变、压力、力、位移、利用电阻式传感器可以测量形变、压力、力、位移、加速度和温度等非电量参数。加速度和温度等非电量参数。第2章 电阻应变式传感器及其应用思考思考1：电子秤中用到的传感器是什么结构？收费站称电子秤中用到的传感器是什么结构？收费站称重收费过程中是如何称重的？重收费过程中是如何称重的？思考思考2：你还了解哪些测量力、压力、位移、加速度等物你还了解哪些测量力、压力、位移、加速度等物理量的传感器？这些传感器在日常生活中都有何用途？理量的传感器？这些传感器在日常生活中都有何用途？第2章 电阻应变式传感器及其应用第2章 电阻应变式传感器及其应用掌握重点：掌握重点：u工作原理工作原理:被测量被测量应变应变()电阻变化电阻变化(R)u电阻应变片的特性电阻应变片的特性u测量电路测量电路u典型应用典型应用内容安排内容安排金属金属:半导体半导体:按材料分按材料分应变式传感器应变式传感器压阻式传感器压阻式传感器第2章 电阻应变式传感器及其应用2.1应变式传感器应变式传感器第2章 电阻应变式传感器及其应用优点：优点：精度高，测量范围广精度高，测量范围广频率响应特性较好频率响应特性较好结构简单，尺寸小，重量轻结构简单，尺寸小，重量轻可在高可在高(低低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作易于实现小型化、固态化易于实现小型化、固态化价格低廉，品种多样，便于选择价格低廉，品种多样，便于选择金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。件上的应变变化转换成电阻变化。第2章 电阻应变式传感器及其应用缺缺点点：具具有有非非线线性性，输输出出信信号号微微弱弱，抗抗干干扰扰能能力力较较差差，因因此此信信号号线线需需要要采采取取屏屏蔽蔽措措施施；只只能能测测量量一一点点或或应应变变栅栅范范围围内内的的平平均均应应变变，不不能能显显示示应应力力场场中中应应力力梯梯度度的的变变化化等等；不不能用于过高温度场合下的测量。能用于过高温度场合下的测量。第2章 电阻应变式传感器及其应用各种电子秤各种电子秤广泛应用于广泛应用于第2章 电阻应变式传感器及其应用高高精精度度电电子子汽汽车车衡衡动态电子秤动态电子秤电子天平电子天平第2章 电阻应变式传感器及其应用机械秤包装机机械秤包装机吊秤吊秤一、金属电阻应变片工作原理一、金属电阻应变片工作原理基于金属的应变效应：基于金属的应变效应：金属丝的电阻随着它所受的机械形金属丝的电阻随着它所受的机械形变变(拉伸或压缩拉伸或压缩)而发生相应的变化的现象。而发生相应的变化的现象。长为长为l、截面积为截面积为A、电阻电阻率为率为的金属或半导体丝的金属或半导体丝,电阻：电阻：若若导导电电丝丝在在轴轴向向受受到到应应力力的的作作用用,其其长长度度变变化化l,截截面面积积变变化化A,电阻率变化电阻率变化,而引起电阻变化而引起电阻变化R,则则1、金属电阻应变效应金属电阻应变效应FFL+dLd第2章 电阻应变式传感器及其应用式中为为单根导电丝的灵敏系数单根导电丝的灵敏系数；表示当发生应变时表示当发生应变时,其电阻变其电阻变化率与其应变的比值。化率与其应变的比值。（材料的泊松系数）第2章 电阻应变式传感器及其应用导电丝的几何导电丝的几何尺寸的改变尺寸的改变材料的电阻率材料的电阻率发生变化发生变化表示压阻系数表示压阻系数物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。K0由两部分组成：由两部分组成：前一部分（前一部分（1+2）：由材料的几何尺寸变化引起，一般金属）：由材料的几何尺寸变化引起，一般金属0.3，因此（，因此（1+2）1.6；后一部分后一部分：电阻率随应变而引起的（称：电阻率随应变而引起的（称“压阻效应压阻效应”）第2章 电阻应变式传感器及其应用表示压阻系数表示压阻系数对金属材料：以前者为主，对金属材料：以前者为主，E很小,可忽略不计,=0.250.5,故 k0=1+21.52；对半导体：对半导体：E比1+2大得多,K K0 0值主要由电阻率相对变化值主要由电阻率相对变化所决定。所决定。压阻系数=(40-50)10-11m2/N,杨氏模量E=1.671011Pa,则E50100,故（1+2）可忽略不计。可见可见,半导体灵敏度要比金属大半导体灵敏度要比金属大50100倍。倍。实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。向应变成正比。第2章 电阻应变式传感器及其应用2、应变计的结构与分类、应变计的结构与分类u应变计：将应变转换为电阻变化的传感元件应变计：将应变转换为电阻变化的传感元件u结构：结构：电阻应变片种类繁多，但基本构造大体相同图示为其构造简图：排列成网状的高阻金属丝、栅状金属箔或半导体片构成的敏敏感感栅栅,用粘合剂贴在绝缘的基基片片上。敏感栅上贴有盖片盖片（即保护片）。al栅长栅长栅宽栅宽第2章 电阻应变式传感器及其应用电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图（1 1）敏感栅敏感栅由金属细丝绕成栅形。由金属细丝绕成栅形。电电阻阻应应变变片片的的电电阻阻值值为为60、120、200等等多多种种规规格格，以以120最为常用。最为常用。应应变变片片栅栅长长大大小小关关系系到到所所测测应应变变的的准准确确度度，应应变变片片测测得得的的应应变变大大小小是是应应变变片片栅栅长长和和栅栅宽宽所所在在面面积积内内的的平平均均轴轴向向应应变变量。量。敏敏感感栅栅是是应应变变片片的的核核心心部部分分，粘粘贴贴在在绝绝缘缘的的基基片片上上，其其上上粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。敏感栅敏感栅盖片盖片第2章 电阻应变式传感器及其应用（2 2）基底和盖片基底和盖片基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅（3 3）引线引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对对引引线线材材料料的的性性能能要要求求：电电阻阻率率低低、电电阻阻温温度度系系数数小小、抗抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。（4 4）粘结剂粘结剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起第2章 电阻应变式传感器及其应用LAa结构图栅栅宽宽低阻镀锡铜丝作为引线图示为其构造简图：排列成网状的高阻金属丝、栅状金属箔或半导体片构成的敏敏感感栅栅,用粘合剂贴在绝缘的基基片片上。敏感栅上贴有盖片盖片（即保护片）。核心部件：核心部件：敏感栅第2章 电阻应变式传感器及其应用u应变计的分类应变计的分类对金属：对金属：u金属丝式应变片：金属丝式应变片：u金属箔式应变片：金属箔式应变片：u薄膜应变片：薄膜应变片：v按结构形式分：单片、双片及各种特殊形状的图案按结构形式分：单片、双片及各种特殊形状的图案v按使用环境分：高低温、核辐射、高雅、磁场的等按使用环境分：高低温、核辐射、高雅、磁场的等v按安装形式分：粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂按安装形式分：粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂v按材料分：金属式、半导体式按材料分：金属式、半导体式对半导体：对半导体：u体型应变片：体型应变片：u扩散型应变片：扩散型应变片：u薄膜型应变片：薄膜型应变片：u外延型应变片：外延型应变片：uPN结及其它结及其它v常用金属应变片的敏感栅有丝式、箔式、薄膜式等常用金属应变片的敏感栅有丝式、箔式、薄膜式等第2章 电阻应变式传感器及其应用 图 2.3丝式应变计是最早应用的品种。金属弯曲部分可做成圆丝式应变计是最早应用的品种。金属弯曲部分可做成圆弧、锐角或直角。即弧、锐角或直角。即U型、型、V型、型、H型型。金属丝弯曲部分成圆金属丝弯曲部分成圆弧（弧（U）形）形,是最早常是最早常用的一种形式，制作用的一种形式，制作简单但横向效应较大简单但横向效应较大金属丝弯曲部分成直角金属丝弯曲部分成直角（H）形）形,两端用较粗的镀两端用较粗的镀银铜线焊接，横向效应较银铜线焊接，横向效应较小，制作工艺复杂小，制作工艺复杂(将逐渐将逐渐被横向效应小、性能更优被横向效应小、性能更优越的箔式应变计所代替越的箔式应变计所代替)（1）丝式应变计）丝式应变计第2章 电阻应变式传感器及其应用 横向效应：横向效应：应变片除了有纵向的丝栅外，还有圆弧应变片除了有纵向的丝栅外，还有圆弧形或直线形的横栅。横栅即对轴向的应变敏感，也对垂形或直线形的横栅。横栅即对轴向的应变敏感，也对垂直于轴向的横向应变敏感。当把应变片粘贴在一维应力直于轴向的横向应变敏感。当把应变片粘贴在一维应力F作用下的工件上时，纵向丝栅由于产生纵向应变，电作用下的工件上时，纵向丝栅由于产生纵向应变，电阻值增加。而横栅由于纵向应变和横向应变的影响，电阻值增加。而横栅由于纵向应变和横向应变的影响，电阻值减小。实际上横向丝栅将纵向丝栅电阻的变化抵消阻值减小。实际上横向丝栅将纵向丝栅电阻的变化抵消了一部分。了一部分。应应变变片片的的这这种种既既受受轴轴向向应应变变影影响响，又又受受横横向向应应变变影影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。响而引起电阻变化的现象称为横向效应。第2章 电阻应变式传感器及其应用图2.4 几种箔式应变计（2）金属箔式应变计：）金属箔式应变计：箔式应变计的线栅是通箔式应变计的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属薄栅（厚成很薄的金属薄栅（厚度一般在度一般在0.0030.01mm）第2章 电阻应变式传感器及其应用第2章 电阻应变式传感器及其应用（3）薄膜应变计）薄膜应变计薄膜式应变计是采用真空溅射或真空沉积技术，在薄薄膜式应变计是采用真空溅射或真空沉积技术，在薄的绝缘基片上蒸镀金属电阻薄膜（厚度在纳米量级），再的绝缘基片上蒸镀金属电阻薄膜（厚度在纳米量级），再加上保护层制成加上保护层制成优点：灵敏度高；允许通过的电流密度大；工作温度优点：灵敏度高；允许通过的电流密度大；工作温度范围广（可工作于范围广（可工作于-197317），也可用于核辐射等特），也可用于核辐射等特殊情况下。殊情况下。敏感元件常用的材料：康铜（铜镍合金）、镍铬合金、敏感元件常用的材料：康铜（铜镍合金）、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金等，常温下使用的应变计多由康铁铬铝合金、铁镍铬合金等，常温下使用的应变计多由康铜制成。铜制成。第2章 电阻应变式传感器及其应用二、二、金属电阻应变计的主要特性金属电阻应变计的主要特性1、应变计的特点、应变计的特点灵敏度和精确度高：能测灵敏度和精确度高：能测12微应变，误差一般小于微应变，误差一般小于1%；测量范围大：从弹性变形一直可测至塑性变形；测量范围大：从弹性变形一直可测至塑性变形；尺寸小，重量轻，对试件工作状态和应力分布影响很小；尺寸小，重量轻，对试件工作状态和应力分布影响很小；具有良好的动态响应；具有良好的动态响应；能适应高温、高压、强磁场以及辐射等恶劣环境；能适应高温、高压、强磁场以及辐射等恶劣环境；价格低廉、品种多样，便于选择和大量使用。价格低廉、品种多样，便于选择和大量使用。u优点：优点：第2章 电阻应变式传感器及其应用在大应变下具有较大的非线性；在大应变下具有较大的非线性；输出信号较微弱，抗干扰能力较差；输出信号较微弱，抗干扰能力较差；应变式传感器的性能在很大程度上取决于应变计的性能。应变式传感器的性能在很大程度上取决于应变计的性能。u缺点：缺点：第2章 电阻应变式传感器及其应用2、应变计的灵敏度系数、应变计的灵敏度系数金属电阻丝金属电阻丝应变计应变计电阻应变计的电阻应变计的灵敏度系数灵敏度系数应变丝的灵敏应变丝的灵敏度系数度系数原因：原因：粘合剂、基底传递衰减；粘合剂、基底传递衰减；存在横向效应；存在横向效应；第2章 电阻应变式传感器及其应用3、应变计的横向效应、应变计的横向效应敏感栅由许多直线及圆角组成，拉伸被测试件敏感栅由许多直线及圆角组成，拉伸被测试件时，粘贴在试件上的应变计沿长度方向拉伸，时，粘贴在试件上的应变计沿长度方向拉伸，产生纵向拉伸应变产生纵向拉伸应变x，直线段电阻增加；，直线段电阻增加；在垂直方向产生压应在垂直方向产生压应变变-y，该微段电阻，该微段电阻减少，在圆弧的其他减少，在圆弧的其他各微段，感受的应变各微段，感受的应变由由+x变化到变化到y，圆，圆弧段的电阻变化将小弧段的电阻变化将小于同样长度沿于同样长度沿x方向方向的直线段的电阻变化的直线段的电阻变化总结：总结：将同样长的金属线材做成敏感栅后，对同样应变，应变将同样长的金属线材做成敏感栅后，对同样应变，应变计敏感栅的电阻变化变小，灵敏度降低，这种现象称为应变计计敏感栅的电阻变化变小，灵敏度降低，这种现象称为应变计的横向效应。的横向效应。第2章 电阻应变式传感器及其应用4、应变计的动态特性、应变计的动态特性u应变波的传播过程应变波的传播过程动态情况下，机械应变以相同于声波速度的应变波形式动态情况下，机械应变以相同于声波速度的应变波形式在在材料材料中传播。中传播。应力波从试件通过胶层、基片传到敏感栅需要一定时间，应力波从试件通过胶层、基片传到敏感栅需要一定时间，沿应变计长度方向经过敏感栅需要更长一些的时间，敏感栅沿应变计长度方向经过敏感栅需要更长一些的时间，敏感栅电阻的变化是对某一瞬时作用于其上应力的平均值的反应；电阻的变化是对某一瞬时作用于其上应力的平均值的反应；钢材声速为钢材声速为5000m/s，胶层声速为，胶层声速为1000m/s。第2章 电阻应变式传感器及其应用阶跃波沿敏感栅轴向传播，由于应变波通过阶跃波沿敏感栅轴向传播，由于应变波通过敏感栅需要时间敏感栅需要时间L/v v，当阶跃波的跃起部分通，当阶跃波的跃起部分通过过敏感栅全部长度敏感栅全部长度后，电阻变化才达到最大后，电阻变化才达到最大值值(理论相应特性曲线理论相应特性曲线)应变计粘合层对应变计粘合层对应变中高次谐波应变中高次谐波的衰减作用的衰减作用（实（实际曲线）际曲线）u阶跃应变波：第2章 电阻应变式传感器及其应用u可测频率可测频率：例如例如:应变计基长应变计基长L=20mm，波速，波速v=5000m/s，则，则tk=3.210-6s，f=110kHz。如以输出从最大值的如以输出从最大值的10%上升至上升至90%为上升时间，则为上升时间，则实际上实际上t tk k值很小值很小第2章 电阻应变式传感器及其应用当测量按正弦规律变化的应变波时，由于应变计反映的当测量按正弦规律变化的应变波时，由于应变计反映的应变波形，是应变计线栅长度内所感受应变量的平均值，因应变波形，是应变计线栅长度内所感受应变量的平均值，因此此应变计反应的波幅将低于真实应变波应变计反应的波幅将低于真实应变波，从而带来一定误差：，从而带来一定误差：u正弦应变波：正弦应变波：应变波的波长为应变波的波长为，应变，应变计的基长为计的基长为L，两端点的，两端点的坐标为坐标为x1和和x2，而，而x1=/4-L/2，x2=/4+L/2，此时应，此时应变计在其基长变计在其基长L内测得的内测得的平均应变达到最大值。平均应变达到最大值。误差将随应变计基长的增加而加大，当基片一定时将随误差将随应变计基长的增加而加大，当基片一定时将随频率的增加而加大频率的增加而加大应变计正处于应变波达到最大值时的瞬时情况应变计正处于应变波达到最大值时的瞬时情况第2章 电阻应变式传感器及其应用5、应变计的其他特性参数、应变计的其他特性参数u线性度线性度试件的应变试件的应变和电阻的相对变化和电阻的相对变化R/R，在理论上呈线，在理论上呈线性关系。但实际上，在大应变时，会出现非线性关系。性关系。但实际上，在大应变时，会出现非线性关系。应变计的非线性度一般要求在应变计的非线性度一般要求在0.05%或或1%以内。以内。第2章 电阻应变式传感器及其应用u应变极限应变极限粘贴在试件上的应变计所能测量的最大应变值粘贴在试件上的应变计所能测量的最大应变值。在一定的温度在一定的温度下，对试件缓慢地施加均匀的拉伸载荷，下，对试件缓慢地施加均匀的拉伸载荷，当应变计的指示应变值对真实应变值的相对误差大于当应变计的指示应变值对真实应变值的相对误差大于10%时，时，就认为应变计已达到破坏状态，此时的真实应变值就作为该就认为应变计已达到破坏状态，此时的真实应变值就作为该批应变计的应变极限。批应变计的应变极限。第2章 电阻应变式传感器及其应用u机械滞后和热滞后机械滞后和热滞后贴有应变计的试件进行加载和卸载时，其贴有应变计的试件进行加载和卸载时，其R/R特性曲线特性曲线不重合，把加载和卸载特性曲线的最大差值不重合，把加载和卸载特性曲线的最大差值，称为应变计，称为应变计的机械滞后值。的机械滞后值。第2章 电阻应变式传感器及其应用u零漂和蠕变零漂和蠕变恒定温度下，粘贴在试件上的应变计，在不承受载荷的恒定温度下，粘贴在试件上的应变计，在不承受载荷的条件下，电阻随时间变化的特性称为应变计的零漂。条件下，电阻随时间变化的特性称为应变计的零漂。零漂的主要原因是：敏感栅通过工作电流后的温度效应；零漂的主要原因是：敏感栅通过工作电流后的温度效应；应变计的内应力逐渐变化；粘接剂固化不充分等。应变计的内应力逐渐变化；粘接剂固化不充分等。固体材料在保持固体材料在保持应力应力不变的条件下，应变随时间延长而增不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象加的现象。第2章 电阻应变式传感器及其应用u疲劳寿命疲劳寿命已安装的应变计，在恒定幅值的交变应力作用下，可以已安装的应变计，在恒定幅值的交变应力作用下，可以连续工作而不产生连续工作而不产生疲劳损坏疲劳损坏的循环次数。的循环次数。指应变计指示应变的变化超过规定误差，或者应变计的输出波形指应变计指示应变的变化超过规定误差，或者应变计的输出波形上出现毛刺，或者应变计完全损坏而无法工作。上出现毛刺，或者应变计完全损坏而无法工作。疲劳寿命反映应变计对动态应变的适应能力。应变计疲劳寿命反映应变计对动态应变的适应能力。应变计的疲劳寿命的循环次数一般可达的疲劳寿命的循环次数一般可达106次。次。第2章 电阻应变式传感器及其应用u最大工作电流最大工作电流允许通过应变计而不影响其工作的最大电流值，工作电允许通过应变计而不影响其工作的最大电流值，工作电流大，应变计输出信号就大，因而灵敏度高。流大，应变计输出信号就大，因而灵敏度高。但是：过大的工作电流使应变计过热，灵敏系数变化，但是：过大的工作电流使应变计过热，灵敏系数变化，零漂、蠕变增加，甚至烧坏应变计。零漂、蠕变增加，甚至烧坏应变计。工作电流选取：工作电流选取：根据散热条件而定，主要取决于敏感栅的几何尺寸；截根据散热条件而定，主要取决于敏感栅的几何尺寸；截面的形状和大小；基底的尺寸和材料；粘合剂的材料和厚面的形状和大小；基底的尺寸和材料；粘合剂的材料和厚度；试件的散热性能等。度；试件的散热性能等。通常静态测量时约取通常静态测量时约取25mA左右，动态测量时可高一些，左右，动态测量时可高一些，箔式应变计可取更大些。箔式应变计可取更大些。第2章 电阻应变式传感器及其应用u绝缘电阻绝缘电阻指应变计的引线与被测试件之间的电阻值，一般以指应变计的引线与被测试件之间的电阻值，一般以兆欧兆欧计。绝缘电阻过低，会造成应变计与试件之间漏电而产生测计。绝缘电阻过低，会造成应变计与试件之间漏电而产生测量误差。量误差。u应变计标称电阻值应变计标称电阻值R应变计在未安装也不受外力的情况下，于室温时测得的应变计在未安装也不受外力的情况下，于室温时测得的电阻值。国内应变计系列习惯上选用电阻值。国内应变计系列习惯上选用120、175、350、500、1000、1500。u几何尺寸几何尺寸圆弧敏感栅应变计敏感栅基长圆弧敏感栅应变计敏感栅基长L从圆弧顶部算起，箔式从圆弧顶部算起，箔式应变计则从横向粗线的内沿算起。通常应变计应变计则从横向粗线的内沿算起。通常应变计L约为约为230mm，箔式应变计最小可达，箔式应变计最小可达0.2mm，长的达，长的达100mm或更或更长长第2章 电阻应变式传感器及其应用三、温度误差及其补偿三、温度误差及其补偿（一）温度误差产生的原因（一）温度误差产生的原因应变计安装在自由膨胀的试件上，应变计安装在自由膨胀的试件上，及时试件不受任何外力作用，环及时试件不受任何外力作用，环境温度变化，应变计的电阻也将境温度变化，应变计的电阻也将发生变化，这种变化叠加在测量发生变化，这种变化叠加在测量结果中将产生很大误差，称为应结果中将产生很大误差，称为应变计的温度误差。变计的温度误差。电阻温度系数的影响电阻温度系数的影响应变片阻值随温度的关系：温度为温度为t时时的电阻值的电阻值温度为温度为t0时的电阻值时的电阻值电阻温电阻温度系数度系数温度变化t，电阻的变化值：第2章 电阻应变式传感器及其应用试件材料与应变丝材料线膨胀系数不一致试件材料与应变丝材料线膨胀系数不一致试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同，环境温度变试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同，环境温度变化，不会产生附加变形；化，不会产生附加变形；试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同，环境温度变试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同，环境温度变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻。化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻。第2章 电阻应变式传感器及其应用（二）温度补偿方法（二）温度补偿方法1、电桥补偿法、电桥补偿法常用且效果较好的补偿法常用且效果较好的补偿法工作应变片贴在试件上，补偿片贴在相同材料的补工作应变片贴在试件上，补偿片贴在相同材料的补偿件上，补偿件不受力，并接入电桥相邻臂。补偿件与被偿件上，补偿件不受力，并接入电桥相邻臂。补偿件与被测件处于完全相同的温度场内。测件处于完全相同的温度场内。温度变化使工作片与补偿片产生的电阻变化温度变化使工作片与补偿片产生的电阻变化R1t的的电阻变化电阻变化RBt相等，电桥输出相等，电桥输出Usc与温度无关，从与温度无关，从而补偿了应变计的温度误差而补偿了应变计的温度误差第2章 电阻应变式传感器及其应用工作片、补偿片贴在同一试件上，但补偿片不受力作用。工作片、补偿片贴在同一试件上，但补偿片不受力作用。工作片、补偿片贴在同一试件上，但两者感受的应变符工作片、补偿片贴在同一试件上，但两者感受的应变符号相反。号相反。构件作纯弯曲形变时，上部构件作纯弯曲形变时，上部的应变为拉应变，下部为压的应变为拉应变，下部为压应变，两者绝对值相等符号应变，两者绝对值相等符号相反，相反，RB与与R1的变化值大小的变化值大小相等符号相反，电桥的输出相等符号相反，电桥的输出电压增加一倍。此时电压增加一倍。此时RB既起既起到了温度补偿作用，又提高到了温度补偿作用，又提高了灵敏度，而且可补偿非线了灵敏度，而且可补偿非线性误差。性误差。第2章 电阻应变式传感器及其应用2、辅助测温元件微型计算机补偿法、辅助测温元件微型计算机补偿法方法：在传感器内靠近敏感测量元件处安装一个测温方法：在传感器内靠近敏感测量元件处安装一个测温元件，元件，用以检测传感器所在环境的温度。用以检测传感器所在环境的温度。常用的测温元件有半导体热敏电阻以及常用的测温元件有半导体热敏电阻以及PN结二极管等。结二极管等。测温元件的输出经放大及测温元件的输出经放大及A/D转换送到计算机。转换送到计算机。计算机在处理传感器数据时，把测温元件测量的温度变化对计算机在处理传感器数据时，把测温元件测量的温度变化对传感器的影响加以补偿，以达到提高测量精度的目的。传感器的影响加以补偿，以达到提高测量精度的目的。第2章 电阻应变式传感器及其应用3、应变计自补偿法应变计自补偿法方法：采用一种特殊的自补偿应变计，当温度变化时，方法：采用一种特殊的自补偿应变计，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消。用自补偿应变计进行温产生的附加应变为零或相互抵消。用自补偿应变计进行温度补偿的方法叫应变计自补偿法。度补偿的方法叫应变计自补偿法。采用比较多的是以下两种自补偿应变计采用比较多的是以下两种自补偿应变计：第2章 电阻应变式传感器及其应用 温度自补偿应变计适用于某一种试件材料的自补偿应变片：要使：R=0 则：求得：特点：制作简单、成本低特点：制作简单、成本低缺点：缺点：只能在某种材料得试件上才能得到补偿效果。：只能在某种材料得试件上才能得到补偿效果。：随温度变化为非线性时，引起输出非线性。：随温度变化为非线性时，引起输出非线性。g被测试件的线膨胀系数选择合适的敏感栅材料满足该式，则不论温度如何变化，均有 原理：原理：利用自身具有温度补偿作用进行温度补偿利用自身具有温度补偿作用进行温度补偿第2章 电阻应变式传感器及其应用双金属敏感栅自补偿计（组合式自补偿应变计）双金属敏感栅自补偿计（组合式自补偿应变计）原理：利用两种电阻丝材料的电阻温度系数符号不同原理：利用两种电阻丝材料的电阻温度系数符号不同(一个为正，一个为负一个为正，一个为负)的特性，将二者串联绕制成敏感栅。的特性，将二者串联绕制成敏感栅。R1和和R2由于温度变化而产生的电阻变化为由于温度变化而产生的电阻变化为R1t和和R2t，大小相等而符号相反，就可以实现温度补偿。，大小相等而符号相反，就可以实现温度补偿。补偿效果较前者好，在工作温度范围内通常可达到补偿效果较前者好，在工作温度范围内通常可达到0.14第2章 电阻应变式传感器及其应用四、电阻应变式传感器测量电路四、电阻应变式传感器测量电路？常采用各种电桥线路常采用各种电桥线路根据电源不同，电桥分为直流电桥和交流电桥根据电源不同，电桥分为直流电桥和交流电桥第2章 电阻应变式传感器及其应用（一）直流电桥的特性方程及平衡条件（一）直流电桥的特性方程及平衡条件图为由桥臂图为由桥臂R1、R2、R3、R4组成的直流电桥。组成的直流电桥。直流电桥的特性方程是指电桥对角端负载电流直流电桥的特性方程是指电桥对角端负载电流If与各桥臂与各桥臂参数和电源电压的关系式。参数和电源电压的关系式。平衡时有R1R4-R2R3=0或或：说明欲使电桥达到平衡说明欲使电桥达到平衡,其相邻两臂的比值应相等。其相邻两臂的比值应相等。ab两端的开路电压为直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件第2章 电阻应变式传感器及其应用二、直流电桥的电压灵敏度二、直流电桥的电压灵敏度电阻应变计工作时电阻应变计工作时,电阻变化很微小。电阻变化很微小。如如1片片k=2,初初始始电电阻阻120的的应应变变计计,受受到到1000微微应应变变时时,其其电电阻阻变变化化仅仅0.24),引引起起的的不不平平衡衡电电压压极极小小,不不能能用用它它来来直直接推动指示仪表接推动指示仪表,故需加以放大。故需加以放大。一一般般放放大大器器的的输输入入阻阻抗抗较较电电桥桥的的内内阻阻要要高高的的多多，可可认认为为电电桥桥输输出出端端处处于于开开路状态路状态。第2章 电阻应变式传感器及其应用设设R1为为电电桥桥工工作作臂臂,受受应应变变时时,其其电电阻阻变变化化为为R1,R2、R3、R4均为固定桥臂。均为固定桥臂。一一般般放放大大器器的的输输入入阻阻抗抗较较电电桥桥的的内内阻阻要要高高得得多多,可可认认为电桥输出端处于开路状态。为电桥输出端处于开路状态。在起始时在起始时,电桥处于平衡状态电桥处于平衡状态,此时此时Usc=0。第2章 电阻应变式传感器及其应用当有当有R1时时,电桥输出电压为电桥输出电压为起始时起始时,电桥处于平衡状态电桥处于平衡状态,R1R4=R2R3。第2章 电阻应变式传感器及其应用Ku称称为为电电桥桥的的电电压压灵灵敏敏度度。Ku愈愈大大,说说明明应应变变计计电电阻阻相相对变化相同的情况下对变化相同的情况下,电桥输出电压愈大电桥输出电压愈大,电桥愈灵敏。电桥愈灵敏。提高提高Ku途径：途径：提高电源电压（受应变计允许功耗的限制）；提高电源电压（受应变计允许功耗的限制）；选择适当的桥臂比选择适当的桥臂比n。设n=,考虑到起始平衡条件 ,并略去分母中的 项,得第2章 电阻应变式传感器及其应用电桥电压电桥电压U一定时一定时,n应取何值应取何值,电桥灵敏度最高？电桥灵敏度最高？令d Ku/dn=0 即：nR1=R2,R3=R4,电桥的电压灵敏度最高(电桥的第一种对称形式第一种对称形式)nR1=R3,R2=R4,线性较好,(电桥的第二种对称形式第二种对称形式)即即n=1时时,Ku为最大。为最大。第2章 电阻应变式传感器及其应用等臂电桥是其中的一个特例等臂电桥是其中的一个特例,这时有：电电源源电电压压及及电电阻阻相相对对变变化化一一定定时时,电电桥桥的的输输出出电电压压及及其电压灵敏度将与各桥臂阻值的大小无关。其电压灵敏度将与各桥臂阻值的大小无关。当当R1=R2=R3=R4时，为全等臂电桥，是时，为全等臂电桥，是n=1的一种特例的一种特例应变式传感器常采用全等臂电桥应变式传感器常采用全等臂电桥第2章 电阻应变式传感器及其应用根据桥臂上应变片布置情况，全等臂直流电桥又分为单臂、根据桥臂上应变片布置情况，全等臂直流电桥又分为单臂、双臂、全桥情况：双臂、全桥情况：1、单臂电桥单臂电桥R1=R2=R3=R4=R，R=R1，单臂工作时，只有一臂工，单臂工作时，只有一臂工作，即作，即R+R1，可得：，可得：第2章 电阻应变式传感器及其应用2、双臂电桥双臂电桥相邻臂工作：相邻臂工作：相对臂工作：相对臂工作：相邻臂工作相邻臂工作相对臂工作相对臂工作第2章 电阻应变式传感器及其应用3、全臂电桥全臂电桥灵敏度比较：灵敏度比较：全桥灵敏度最高；全桥灵敏度最高；双臂工作的差动电桥灵敏度次之；双臂工作的差动电桥灵敏度次之；单臂电桥灵敏度最低单臂电桥灵敏度最低应变片粘贴特点：应变片粘贴特点：电桥输出：电桥输出：第2章 电阻应变式传感器及其应用三、交流电桥的平衡条件和电压输出三、交流电桥的平衡条件和电压输出当采用交流供桥载波放大时，应变电桥也需交流电源供当采用交流供桥载波放大时，应变电桥也需交流电源供电，这时需要考虑分布电容的影响，如图电，这时需要考虑分布电容的影响，如图2.19(a)示。示。交流电桥的一般形式如图交流电桥的一般形式如图2.19(b)所示所示图图2.19Z1，Z2，Z3，Z4为复阻抗，为复阻抗，电源电压、输电源电压、输出电压均应用出电压均应用复数表示。复数表示。第2章 电阻应变式传感器及其应用输出电压的特性方程为：输出电压的特性方程为：平衡条件平衡条件：或设电桥臂阻抗为交流平衡条件可以写为：模满足一定的比模满足一定的比例关系，且相对例关系，且相对桥臂的幅角和必桥臂的幅角和必须相等须相等第2章 电阻应变式传感器及其应用考虑到电桥的起始平衡条件并略去分母中含Z1项，得第2章 电阻应变式传感器及其应用五、五、应变式传感器应用应变式传感器应用金金属属应应变变片片，除除了了测测定定试试件件应应力力、应应变变外外，还还制制造造成成多多种种应应变变式式传传感感器器用用来来测测定定力力、扭扭矩矩、加加速速度度、压压力力等其它物理量。等其它物理量。应变式传感器包括两个部分：一是应变式传感器包括两个部分：一是弹性敏感元件弹性敏感元件，利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）转换为弹性体的应变值；另一个是转换为弹性体的应变值；另一个是应变片应变片作为转换元作为转换元件将应变转换为电阻的变化。件将应变转换为电阻的变化。u柱力式传感器柱力式传感器u梁力式传感器梁力式传感器u应变式压力传感器应变式压力传感器u应变式加速度传感器应变式加速度传感器第2章 电阻应变式传感器及其应用1 1、柱力式传感器、柱力式传感器 圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。柱式力传感器-2+1截面积SFFF面积S-1+2b）a）在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片,后者取符号相反的横向应变，从而构成了差差动动对对。由于应变片沿圆周方向分布，所以非轴向载荷分量被补偿，在与轴线任意夹角的方向，其应变为：1沿轴向的应变；弹性元件的泊松比。当=0时当=90时E：弹性元件的杨氏模量第2章 电阻应变式传感器及其应用2 2、梁力式传感器、梁力式传感器等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬臂梁。梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁长为L，粱厚为h。力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，故在对L方向上粘贴应变片位置要求不严。n横截面梁n双空梁nS形弹性元件第2章 电阻应变式传感器及其应用各种平行双孔梁各种平行双孔梁第2章 电阻应变式传感器及其应用P（b）（a）应变式压力传感器3 3、应变式压力传感器、应变式压力传感器 测量气体或液体压力的薄板式传感器，如图所示。当气体或液体压力作用在薄板承压面上时，薄板变形，粘贴在另一面的电阻应变片随之变形，并改变阻值。这时测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压。圆形薄板固定形式：采用嵌固形式，如图（a）或与传感器外壳作成一体，如图(b)。应变片第2章 电阻应变式传感器及其应用4 4、应变式加速度传感器、应变式加速度传感器壳体壳体机座机座aFR1R2m充满硅油基基基基本本本本结结结结构构构构由由由由悬悬悬悬臂臂臂臂梁梁梁梁、应应应应变变变变片片片片、质质质质量量量量块块块块、机机机机座座座座外外外外壳壳壳壳组组组组成成成成。悬悬悬悬臂臂臂臂梁梁梁梁（等等等等强强强强度度度度梁梁梁梁）自自自自由由由由端端端端固固固固定定定定质质质质量量量量块块块块，壳壳壳壳体体体体内内内内充充充充满满满满硅硅硅硅油油油油，产产产产生生生生必要的阻尼。必要的阻尼。必要的阻尼。必要的阻尼。当壳体与被测物体一起当壳体与被测物体一起当壳体与被测物体一起当壳体与被测物体一起作加速度运动时，悬臂梁在作加速度运动时，悬臂梁在作加速度运动时，悬臂梁在作加速度运动时，悬臂梁在质量块的惯性作用下作反方质量块的惯性作用下作反方质量块的惯性作用下作反方质量块的惯性作用下作反方向运动，使梁体发生形变，向运动，使梁体发生形变，向运动，使梁体发生形变，向运动，使梁体发生形变，粘贴在梁上的应变片阻值发粘贴在梁上的应变片阻值发粘贴在梁上的应变片阻值发粘贴在梁上的应变片阻值发生变化。通过测量阻值的变生变化。通过测量阻值的变生变化。通过测量阻值的变生变化。通过测量阻值的变化求出待测物体的加速度。化求出待测物体的加速度。化求出待测物体的加速度。化求出待测物体的加速度。第2章 电阻应变式传感器及其应用2.2压阻式传感器压阻式传感器第2章 电阻应变式传感器及其应用压阻式传感器压阻式传感器:指利用单晶硅材料的压阻效应制成的传感器。指利用单晶硅材料的压阻效应制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出量电路就可得到正比于力变化的电信号输出应用：应用：压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。量和控制。第2章 电阻应变式传感器及其应用一、半导体应变计的原理及结构一、半导体应变计的原理及结构 固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。所有材料在某种程度上都呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别显著。金属材料 半导体材料 半导体材料半导体材料的压阻系数的压阻系数弹性弹性模量模量第2章 电阻应变式传感器及其应用半导体应变计应用较普遍的有：体型、薄膜型