第41章电阻式传感器.pptx

电阻式：电阻式：（电位计）（电位计）应变式：应变式：物理量变化物理量变化电阻变化电阻变化传感元件传感元件属于大电阻变化型，属于大电阻变化型，R：0R传传物理量变化物理量变化变形变形（应力、应变）（应力、应变）敏感元件敏感元件属于微电阻变化型，属于微电阻变化型，R：020%R传传传感元件传感元件电阻变化电阻变化电位计式传感器的优、缺点：电位计式传感器的优、缺点：优点：优点：结结构构简简单单、尺尺寸寸小小、重重量量轻轻、精精度度高高(0.1%0.05%)、性性能能稳稳定定、受受环环境境因因素素影响小，可实现输出影响小，可实现输出-输入任意函数关系，输出信号较大，一般不用放大。输入任意函数关系，输出信号较大，一般不用放大。缺点：缺点：存存在在滑滑动动触触头头与与线线圈圈等等之之间间的的摩摩擦擦，输输入入能能量量要要求求较较大大，且且磨磨损损降降低低寿寿命命和和可靠性，也会降低测量精度。可靠性，也会降低测量精度。电位计分类电位计分类按输出按输出-输输入特性入特性线性电位计线性电位计非线性电位计非线性电位计按结构形式按结构形式线绕式线绕式在在传感器中应用较多传感器中应用较多薄膜式薄膜式具具有较高的精度和线性特性有较高的精度和线性特性光电式光电式无无摩擦和磨损，分辨率高摩擦和磨损，分辨率高变阻器式传感器产品变阻器式传感器产品案例：案例：重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备 比较比较重量设定原材料原材料原理：弹簧原理：弹簧-力力-位移位移 -电位器电位器-电阻电阻案例：案例：煤气包储量检测煤气包储量检测煤气包煤气包钢丝钢丝原理：钢丝原理：钢丝-收线圈数收线圈数 -电位器电位器 -电阻电阻一、金属丝式应变片二、金属箔式应变片三、测量电路四、应变式传感器4.1金属应变片式传感器应变效应 结构与材料 主要特性 温度误差及系数n基本原理将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而显示被测量值的变化。n主要用途测量力、力矩、压力、加速度、重量等n本章内容要求工作原理电阻应变片的特性测量电路应变式传感器的应用工作原理及分类工作原理及分类n电阻应变式传感器的工作原理是将电阻应变片电阻应变式传感器的工作原理是将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，使物理量的变化粘贴到各种弹性敏感元件上，使物理量的变化变成应变片的应力、应变变化，从而变成电阻变成应变片的应力、应变变化，从而变成电阻值变化。值变化。n根据应变片的材料不同，可分为两种根据应变片的材料不同，可分为两种金属电阻应变片金属电阻应变片半导体应变片半导体应变片应变片式电阻传感器应变片式电阻传感器 应变片电测技术具有以下优点：应变片电测技术具有以下优点：非线性小，电阻的变化同应变成线性关系。非线性小，电阻的变化同应变成线性关系。应变片尺寸小（我国的应变片栅长最小达应变片尺寸小（我国的应变片栅长最小达0.178mm），重量轻（一般为），重量轻（一般为0.10.2g），惯性），惯性小，频率响应好，可测小，频率响应好，可测0-500kHz的动态应变。的动态应变。测量范围广，一般测量范围为测量范围广，一般测量范围为1010-10量级的量级的 应变。应变。误差小，整个测量系统的误差可控制在误差小，整个测量系统的误差可控制在1%以内。以内。可在各种复杂或恶劣的环境中进行测量。可在各种复杂或恶劣的环境中进行测量。电阻应变片的结构及工作原理电阻应变片的结构及工作原理 工作原理：基于金属的工作原理：基于金属的电阻应变效应电阻应变效应。金属的电阻应变效应：金属丝的电阻随金属的电阻应变效应：金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应的变化的现象。小而发生相应的变化的现象。应变片式电阻传感器应变片式电阻传感器1.1.应变片的结构应变片的结构 丝绕式应变片的构造示意如图丝绕式应变片的构造示意如图1。它以直径为。它以直径为0.025mm左右的、高电阻率的合金电阻丝左右的、高电阻率的合金电阻丝2，绕成形，绕成形如栅栏的敏感栅。如栅栏的敏感栅。bl1-基底基底 2-电阻丝电阻丝 3-覆盖层覆盖层 4-引线引线图图1 电阻丝应变片的基本结构电阻丝应变片的基本结构314敏感栅：敏感栅：应变片的敏感元件，作用是敏感应变应变片的敏感元件，作用是敏感应变变化。变化。基底：基底：敏感栅粘结在基底敏感栅粘结在基底1上，基底除能固定上，基底除能固定敏感栅外，还有绝缘作用；敏感栅外，还有绝缘作用；覆盖层：覆盖层：敏感栅上面粘贴有覆盖层敏感栅上面粘贴有覆盖层3，起定位，起定位及绝缘作用。及绝缘作用。引出线：引出线：敏感栅电阻丝两端焊接引出线敏感栅电阻丝两端焊接引出线4，用，用以和外接导线相连。以和外接导线相连。标距（基长）：图中标距（基长）：图中l称为应变片的标称为应变片的标距或基长，它是敏感栅沿轴方向测量变形距或基长，它是敏感栅沿轴方向测量变形的有效长度，对具有圆弧端的敏感栅，指的有效长度，对具有圆弧端的敏感栅，指圆弧外侧之间的距离。圆弧外侧之间的距离。对具有较宽横栅的敏感栅，指两横栅内侧对具有较宽横栅的敏感栅，指两横栅内侧之间的距离。其宽度之间的距离。其宽度b指最外两敏感栅外指最外两敏感栅外侧之间的距离。侧之间的距离。由物理学可知，金属丝的电阻为由物理学可知，金属丝的电阻为式中，式中，R为金属丝的电阻（为金属丝的电阻（）；）；为金属丝的电阻为金属丝的电阻率（率（m2/m）；）；L为金属丝的长度（为金属丝的长度（m）；）；S为金为金属丝的截面积（属丝的截面积（m2）。）。2.2.电阻电阻应变特性应变特性 当金属丝受拉而伸长当金属丝受拉而伸长dL时，其横截面积将相应减时，其横截面积将相应减小小dS，电阻率则因金属晶格发生变形等因素的影响也，电阻率则因金属晶格发生变形等因素的影响也将改变将改变d，这些量的变化，必然引起金属丝电阻改，这些量的变化，必然引起金属丝电阻改变变dR。可写成相对变化的形式：可写成相对变化的形式：其中：其中：（r为金属丝半径）为金属丝半径）式中，式中，为金属材料的泊松系数。为金属材料的泊松系数。或或 KS称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。生单位变形时，电阻相对变化的大小。显然，显然，KS越大，单位变形引起的电阻相对变化越大，单位变形引起的电阻相对变化越大。越大。x=dL/L为金属丝的轴向应变；为金属丝的轴向应变；y=dr/r为金属丝为金属丝的径向应变。金属丝受拉时，沿轴向伸长，沿径向的径向应变。金属丝受拉时，沿轴向伸长，沿径向缩短，二者之间的关系为缩短，二者之间的关系为：令灵敏系数：令灵敏系数：关于灵敏系数讨论关于灵敏系数讨论:金属丝的灵敏系数金属丝的灵敏系数 受两个因素影响：受两个因素影响：第一项（第一项（1+2）是由于金属丝受拉伸后，材料几）是由于金属丝受拉伸后，材料几何尺寸发生变化而引起的；何尺寸发生变化而引起的；第二项第二项 实验表明实验表明:在金属丝变形的弹性范围内，电阻的在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化相对变化dR/R与应变与应变x是成正比的，因而是成正比的，因而 为一常为一常数。数。的值比第一项小很多，可以忽略不计的值比第一项小很多，可以忽略不计 实验表明实验表明:应变片的应变片的R/R与与x的关系在很大范围的关系在很大范围内仍然有很好的线性关系内仍然有很好的线性关系 或或式中，式中，K为电阻应变片的灵敏系数。为电阻应变片的灵敏系数。实验表明实验表明:应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数K恒小于同一材料金恒小于同一材料金属丝的灵敏度系数属丝的灵敏度系数KS，原因是所谓横向效应的影响。，原因是所谓横向效应的影响。3.应变片测试原理应变片测试原理 用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于被测对象上，在外力作用下，被测对象表面发生微小被测对象上，在外力作用下，被测对象表面发生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化，因而应变片的电阻也发生相应的变化，如用的变化，因而应变片的电阻也发生相应的变化，如用仪器测出应变片的电阻值变化仪器测出应变片的电阻值变化R，可得到被测对象，可得到被测对象的应变值的应变值x，则根据一维受力应力，则根据一维受力应力应变关系可得到应变关系可得到应力值应力值。式中，式中，为试件的应力；为试件的应力；为试件的应变。为试件的应变。2 电阻应变片的种类、材料和参数电阻应变片的种类、材料和参数(1).电阻应变片的种类电阻应变片的种类 电阻应变片的种类繁多，分类方法各异，如可电阻应变片的种类繁多，分类方法各异，如可分为：分为：丝式应变片丝式应变片箔式应变片箔式应变片薄膜应变片薄膜应变片半导体应变片半导体应变片（1）丝式应变片）丝式应变片 将电阻丝绕制成敏感栅粘贴在各种绝缘基层上而将电阻丝绕制成敏感栅粘贴在各种绝缘基层上而制成的，是一种常用的应变片。制成的，是一种常用的应变片。（2）箔式应变片）箔式应变片 在绝缘基底上，利用照相制版或光刻腐蚀的方在绝缘基底上，利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将厚度为法，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材在绝缘基底电阻箔材在绝缘基底下制成各种需要形状而成。下制成各种需要形状而成。主要优点是：主要优点是：制造技术能保证敏感栅尺寸正确、线条均匀，可制造技术能保证敏感栅尺寸正确、线条均匀，可制成任意形状以适应不同的测量要求；制成任意形状以适应不同的测量要求；敏感栅界面为矩形，表面积对截面积之比远比圆敏感栅界面为矩形，表面积对截面积之比远比圆断面的大，故粘合面积大；断面的大，故粘合面积大；敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能好；好；散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增大输出信号；大输出信号；敏感栅弯头横向效应可忽略，蠕变、机械滞后较敏感栅弯头横向效应可忽略，蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高小，疲劳寿命高 。（3）薄膜应变片）薄膜应变片 薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉积等方法，薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成其厚度在其厚度在0.1 m以下。以下。（4）半导体应变片）半导体应变片 工作原理：压阻效应工作原理：压阻效应 压阻效应：半导体材料的电阻率随作用应力而变压阻效应：半导体材料的电阻率随作用应力而变化。所有材料在某种程度上都具有压阻效应，但半导化。所有材料在某种程度上都具有压阻效应，但半导体的这种效应特别显著，能直接反映出很微小的应变。体的这种效应特别显著，能直接反映出很微小的应变。根据压阻效应，半导体和金属丝一样可以把应变转换根据压阻效应，半导体和金属丝一样可以把应变转换成电阻的变化。成电阻的变化。2、应变片的主要工作参数、应变片的主要工作参数（1）应变片的尺寸）应变片的尺寸 标距标距l：顺着应变片轴向敏感栅两端转向处之间的距：顺着应变片轴向敏感栅两端转向处之间的距离离。栅宽栅宽b：敏感栅的横向尺寸称为栅宽，以：敏感栅的横向尺寸称为栅宽，以b表示。表示。使用面积：使用面积：l b称为应变片的使用面积。应变片的基称为应变片的使用面积。应变片的基底长底长LS和宽度和宽度W要比敏感栅大一些。要比敏感栅大一些。（2）应变片的电阻值）应变片的电阻值 指应变片没有安装且不受力的情况下，在室温时指应变片没有安装且不受力的情况下，在室温时测定的电阻值。测定的电阻值。应变片的标准名义电阻值通常为应变片的标准名义电阻值通常为60、120、350、500、1000 五种。五种。应变片在相同的工作电流下，电阻值愈大，允许应变片在相同的工作电流下，电阻值愈大，允许的工作电压亦愈大，可提高测量灵敏度。的工作电压亦愈大，可提高测量灵敏度。（3）机械滞后）机械滞后 机械滞后：对已安装的应变片，在恒定的温度环机械滞后：对已安装的应变片，在恒定的温度环境中，加载和卸载过程中同一载荷下指示应变的最大境中，加载和卸载过程中同一载荷下指示应变的最大差数差数。产生的原因：如应变片本身特性不好；试件本身产生的原因：如应变片本身特性不好；试件本身的材质不好；粘结剂选择不当；固化不良；粘接技术的材质不好；粘结剂选择不当；固化不良；粘接技术不佳，部分脱落和粘结层太厚等。不佳，部分脱落和粘结层太厚等。采取的措施：为了减小应变片的机械滞后给测量采取的措施：为了减小应变片的机械滞后给测量结果带来的误差，可对新粘贴应变片的试件反复加、结果带来的误差，可对新粘贴应变片的试件反复加、卸载卸载35次。次。（4）零点漂移）零点漂移 零漂：对已安装的应变片，在温度恒定试件不零漂：对已安装的应变片，在温度恒定试件不受力的条件下，指示应变随时间的变化称为零点漂移受力的条件下，指示应变随时间的变化称为零点漂移（简称零漂）。（简称零漂）。产生原因：这是由于应变片的绝缘电阻过低及产生原因：这是由于应变片的绝缘电阻过低及通过电流而产生热量等原因造成。通过电流而产生热量等原因造成。（5）蠕变）蠕变 定义：对已安装的应变片，在温度恒定并承受恒定义：对已安装的应变片，在温度恒定并承受恒定的机械应变时，指示应变随时间的变化称为蠕变。定的机械应变时，指示应变随时间的变化称为蠕变。产生的原因：主要是由胶层引起，如粘结剂种类产生的原因：主要是由胶层引起，如粘结剂种类选择不当、粘贴层较厚或固化不充分以及在粘结剂接选择不当、粘贴层较厚或固化不充分以及在粘结剂接近软化温度下进行测量等。近软化温度下进行测量等。（6）应变极限）应变极限 温度不变时使试件的应变逐渐加大，应变片的指温度不变时使试件的应变逐渐加大，应变片的指示应变与真实应变的相对误差（非线性误差）小于规示应变与真实应变的相对误差（非线性误差）小于规定值（一般为定值（一般为10%）情况下所能达到的最大应变值为）情况下所能达到的最大应变值为该应变片的应变极限。该应变片的应变极限。（7 7）绝缘电阻）绝缘电阻 定义：应变片引线和安装应变片的试件之间的电定义：应变片引线和安装应变片的试件之间的电阻值，此值常作为应变片粘结层固化程度和是否受潮阻值，此值常作为应变片粘结层固化程度和是否受潮的标志。绝缘电阻下降会带来零漂和测量误差的标志。绝缘电阻下降会带来零漂和测量误差 。（8）最大工作电流）最大工作电流 定义：允许通过应变片而不影响其工作特性的最定义：允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流值，称为最大工作电流。大电流值，称为最大工作电流。（9）动态响应特性）动态响应特性 电阻应变片在测量频率较高的动态应变时，应考电阻应变片在测量频率较高的动态应变时，应考虑其动态特性。虑其动态特性。选用应变计时，首先应根据使用的目的、要求、对象及环境条件等，对应变计的类型进行选择；然后根据使用温度、时间、最大应变量及精度要求，选用合适的敏感栅、基底材料的应变计；接着根据测量线路或仪器选择合适应变计的标准阻值；最后还应根据试件表面可贴应变片的面积大小选择合适尺寸的应变计。电阻应变计的选用 电阻应变计的选用与粘贴电阻应变计的选用与粘贴返回 电阻应变计的选用与粘贴电阻应变计的选用与粘贴 电阻应变片工作时，是用粘贴剂粘贴到被测试件或传感器的弹性元件上的。粘贴剂形成的胶层必须准确迅速地将被测应变传递到敏感栅上去，所以粘贴剂以及粘贴技术对于测量结果有着直接的影响。电阻应变计的粘贴电阻应变计的选用与粘贴电阻应变计的选用与粘贴应变片粘贴工艺应变片粘贴工艺（1）应变片检查）应变片检查 外观检查外观检查 电阻值检查电阻值检查 （2）修整应变片）修整应变片 对没有标出中心线标记的应变片，应在其基底上标对没有标出中心线标记的应变片，应在其基底上标出中心线；出中心线；如有需要应对应变片的长度和宽度进行修整，但修如有需要应对应变片的长度和宽度进行修整，但修整后的应变片不可小于规定的最小长度和宽度；整后的应变片不可小于规定的最小长度和宽度；对基底较光滑的胶基应变片，可用细沙将基底轻轻对基底较光滑的胶基应变片，可用细沙将基底轻轻的稍许打磨，并用溶剂洗净。的稍许打磨，并用溶剂洗净。（3）试件表面处理）试件表面处理 将要贴应变片的试件表面部分使之平整光洁，无将要贴应变片的试件表面部分使之平整光洁，无油漆、锈斑、氧化层、油污和灰尘等。油漆、锈斑、氧化层、油污和灰尘等。（4）划粘贴应变片的定位线）划粘贴应变片的定位线（5）贴应变片）贴应变片 在处理好的粘贴位置上和应变片基底上，各涂抹在处理好的粘贴位置上和应变片基底上，各涂抹一层薄薄的粘合剂，稍待一段时间。一层薄薄的粘合剂，稍待一段时间。（6）粘合剂的固化处理）粘合剂的固化处理 对粘贴好的应变片，依粘合剂固化要求进行固化对粘贴好的应变片，依粘合剂固化要求进行固化处理。处理。（7）应变片粘贴质量的检查）应变片粘贴质量的检查 外观检查：用放大镜观察粘合层是否有气泡。外观检查：用放大镜观察粘合层是否有气泡。电阻值检查电阻值检查 绝缘电阻检查：绝缘电阻一般大于绝缘电阻检查：绝缘电阻一般大于200M （8）引出线的固定保护）引出线的固定保护（9）应变片的防潮处理）应变片的防潮处理 应变片粘贴固化好后要进行防潮处理，以免潮湿应变片粘贴固化好后要进行防潮处理，以免潮湿引起绝缘电阻和粘合强度降低，影响测试精度。引起绝缘电阻和粘合强度降低，影响测试精度。4.1.4 电阻应变片的温度误差及补偿电阻应变片的温度误差及补偿 1.温度误差及其产生原因温度误差及其产生原因(1)温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变 电阻与温度关系可用下式表达电阻与温度关系可用下式表达式中，式中，Rt为温度为为温度为t时的电阻值；时的电阻值；R0为温度为为温度为t0时的电时的电阻值；阻值；t为温度的变化值；为温度的变化值；Rta为温度变化为温度变化 t时的电时的电阻变化；阻变化；为敏感栅材料的电阻温度系数。为敏感栅材料的电阻温度系数。将温度变化将温度变化 t时的电阻变化折合成应变，则时的电阻变化折合成应变，则(2)试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变变片产生附加应变 如粘贴在试件上一段长度为如粘贴在试件上一段长度为l0的应变丝，当温度的应变丝，当温度变化变化t时，应变丝受热膨胀至时，应变丝受热膨胀至lt1，而应变丝，而应变丝l0下的试下的试件伸长为件伸长为lt2。式中，式中，l0为温度为为温度为t0时的应变丝长度；时的应变丝长度；lt1为温度为温度t时的应时的应变丝长度；变丝长度；lt2为温度为温度t时应变丝下试件的长度；时应变丝下试件的长度；丝丝、试试为应变丝和试件材料的线膨胀系数；为应变丝和试件材料的线膨胀系数；lt1、lt2为温度变为温度变化化 t时应变丝和试件膨胀量。时应变丝和试件膨胀量。如如丝丝试试，则，则lt1lt2，由于应变丝与试件是粘结，由于应变丝与试件是粘结在一起的，若在一起的，若丝丝试试，则应变丝被迫从，则应变丝被迫从lt1拉长至拉长至lt2，使应变丝产生附加变形，使应变丝产生附加变形lt。折算为应变折算为应变 引起的电阻变化为引起的电阻变化为 因此由于温度变化因此由于温度变化 t而引起的总电阻变化为而引起的总电阻变化为总附加虚假应变量为总附加虚假应变量为可见：由于温度变化而引起附加电阻变化或造成了虚可见：由于温度变化而引起附加电阻变化或造成了虚假应变，从而给测量带来误差。假应变，从而给测量带来误差。2.温度补偿方法温度补偿方法 有桥路补偿和应变片自补偿两大类。有桥路补偿和应变片自补偿两大类。(1)桥路补偿法（补偿片法）桥路补偿法（补偿片法）应变片通常是作为平衡电桥的一个臂测量应变的，应变片通常是作为平衡电桥的一个臂测量应变的，图中图中R为工作片，为工作片，R为补偿片。工作片为补偿片。工作片R1粘贴在试粘贴在试件上需要测量应变的地方，补偿片件上需要测量应变的地方，补偿片R粘贴在一块不受粘贴在一块不受力的与试件相同材料上。力的与试件相同材料上。采用原理：电桥的相邻相减原则。采用原理：电桥的相邻相减原则。优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好。优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好。缺点：在温度变化梯度较大的情形下，很难做到缺点：在温度变化梯度较大的情形下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况。工作片与补偿片处于温度完全一致的情况。n桥路补偿法必须满足以下桥路补偿法必须满足以下4 4个条件个条件（1 1）在应变片工作过程中，保证）在应变片工作过程中，保证R R3 3=R=R4 4；（2 2）R R1 1和和R R2 2两个应变片应具有相同的电阻温度系数两个应变片应具有相同的电阻温度系数，线膨胀系数，线膨胀系数，应变片灵敏度系数应变片灵敏度系数K K和初始电和初始电阻值阻值R R0 0；（3 3）粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测）粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料一样，两者的线膨胀系数相同；试件材料一样，两者的线膨胀系数相同；（4 4）两应变片应处于同一温度场。）两应变片应处于同一温度场。(2)应变片自补偿法应变片自补偿法 粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种特殊变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种特殊应变片称为温度自补偿应变片。应变片称为温度自补偿应变片。选择式自补偿应变片选择式自补偿应变片 实现温度补偿的条件为实现温度补偿的条件为 则则 双金属敏感栅自补偿应变片双金属敏感栅自补偿应变片 这种应变片也称组合式自补偿应变片。这是利用这种应变片也称组合式自补偿应变片。这是利用两种电阻丝材料的电阻温度系数不同两种电阻丝材料的电阻温度系数不同(一个为正，一一个为正，一个为负个为负)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。热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法 如图所示，热敏电阻如图所示，热敏电阻Rt处在与应变片相同的温度处在与应变片相同的温度条件下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热条件下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻敏电阻Rt的阻值也下降，使电桥的输入电压随温度升的阻值也下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥的输出，补偿因应变片引起高而增加，从而提高电桥的输出，补偿因应变片引起的输出下降。的输出下降。图图 热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法4.1.5 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 由于将应变等机械量转换为电阻的变化，由于将应变等机械量转换为电阻的变化，此变化的数量是很微弱的，因此须采用高精此变化的数量是很微弱的，因此须采用高精度的测量电路度的测量电路电桥测量电路。电桥测量电路。按桥压分：按桥压分：n直流电桥；直流电桥；u恒流源电桥；恒流源电桥；u恒压源电桥恒压源电桥n交流电桥交流电桥按输出方式分：按输出方式分：n功率电桥（按低阻抗负载）功率电桥（按低阻抗负载）n电压电桥（按高阻抗负载）电压电桥（按高阻抗负载）1.电桥分类：电桥分类：2.2.常用的几个术语常用的几个术语 全桥：全桥：半桥：半桥：邻臂邻臂对臂对臂3.3.电桥平衡条件电桥平衡条件直流电桥平衡条件：直流电桥平衡条件：或或相对桥臂电阻之积相等。相对桥臂电阻之积相等。交流电桥交流电桥平衡条件平衡条件或或相对桥臂阻抗之积相等相对桥臂阻抗之积相等可分解为：可分解为：相对桥臂电阻之积相等相对桥臂电阻之积相等 相对应的电容、电阻之积相等相对应的电容、电阻之积相等交流电桥交流电桥平衡条件平衡条件4.4.电桥输出公式电桥输出公式 直流电桥、交流电桥均适合：直流电桥、交流电桥均适合：电桥输出公式电桥输出公式的使用前提条件：的使用前提条件：1 1）先决条件是：电桥起始是平衡的；）先决条件是：电桥起始是平衡的；2 2）无论各电阻如何变化，一定要在平衡点附近；）无论各电阻如何变化，一定要在平衡点附近；3 3）仅发生微小变化；仅发生微小变化；4 4）假定各桥臂电阻起始是相等的。）假定各桥臂电阻起始是相等的。由于由于 ，电桥输出公式又可写成，电桥输出公式又可写成:上式为电桥加减特性表达式。上式为电桥加减特性表达式。电桥输出公式电桥输出公式讨论：讨论：单臂工作单臂工作 只有一只电阻只有一只电阻R R产生产生 R R变化时，变化时，电桥输出电压电桥输出电压双臂工作双臂工作设设R R1 1产生正产生正 R R的变化，的变化，R R产生负产生负 R R的变化，的变化，且变化的绝对值相等；且变化的绝对值相等；即即 ，电桥输出电桥输出 若若R R1 1，R R产生产生 R R的绝对值相等，符号相的绝对值相等，符号相同时，即同时，即 ，,则则U Usc sc=0=0，电桥无输，电桥无输出，两工作臂的作用互相抵消。出，两工作臂的作用互相抵消。四臂工作四臂工作 设设R R1 1、R R3 3产生正产生正RR的变化，的变化，R R2 2、R R4 4产生负产生负RR的的变化，且变化，且RR绝对值相等，即绝对值相等，即R R1 1、R R3 3产生正应变，产生正应变，R R2 2、R R4 4产生负应变，且应变的绝对值相等，则电产生负应变，且应变的绝对值相等，则电桥的输出桥的输出 为单臂工作的为单臂工作的4 4倍。倍。说明：虽为直流电桥形式，但对交流电说明：虽为直流电桥形式，但对交流电桥形式也完全适用。桥形式也完全适用。电桥加减特性电桥加减特性重要结论：当相邻桥臂为异号或相对桥臂为同号的电阻变化时，电桥的输出可相加；当相邻桥臂为同号或相对桥臂为异号的电阻变化时，电桥的输出应相减。电桥输出的八字原则:相邻相减，相对相加。5.5.交、直流电桥的异同点交、直流电桥的异同点 (以输出为正电压的单臂电桥为例以输出为正电压的单臂电桥为例)相同点：输出电压的幅值都与被测的应变成正比；相同点：输出电压的幅值都与被测的应变成正比；不同点：不同点：直直 流流 电电 桥桥交交 流流 电电 桥桥输出的是正或负的直输出的是正或负的直流电压，与应变同频流电压，与应变同频率变化。率变化。输出的是正弦调幅波；输出的是正弦调幅波；从输出电压的正或负，从输出电压的正或负，可以判断是拉应变还可以判断是拉应变还是压应变。是压应变。可通过输出与参考桥可通过输出与参考桥压的相位相同或是相压的相位相同或是相反来判断拉、压应变反来判断拉、压应变的关系；的关系；只要电阻调平衡。只要电阻调平衡。既有电阻调平衡，又既有电阻调平衡，又有电容调平衡。有电容调平衡。交流电桥的调幅作用交流电桥的调幅作用以等臂电桥单臂工作为例以等臂电桥单臂工作为例。供桥电源电压为供桥电源电压为。（载波信号）（载波信号）（零应变输出）（零应变输出）当试件受拉伸产生静应变时，电桥输出为当试件受拉伸产生静应变时，电桥输出为 输出波形与电源电压相同，但幅度为电输出波形与电源电压相同，但幅度为电源电压幅值的源电压幅值的 倍。倍。（静态正应变输出）（静态正应变输出）当试件受压产生静的负应变时当试件受压产生静的负应变时 输出电压波形仍与电源电压相同，但幅度降为电源输出电压波形仍与电源电压相同，但幅度降为电源电压的电压的 倍，与受拉相比波形在相位上差了倍，与受拉相比波形在相位上差了180180 。（静态负应变输出）（静态负应变输出）当试件受动态应力产生简谐变化应变时当试件受动态应力产生简谐变化应变时,设简谐应设简谐应变为变为 N N，则，则 式中式中 、为简谐应变的为简谐应变的瞬时值和最大值；瞬时值和最大值；为简谐应变的角频率。输出电压为简谐应变的角频率。输出电压 ：（正弦应变输出）（正弦应变输出）输出波形是在载波上，叠加了一个低频的工作输出波形是在载波上，叠加了一个低频的工作正弦波，载波的波幅由常数正弦波，载波的波幅由常数UmUm变为变为:当动、静态应变同时存在时，电桥的输出相当动、静态应变同时存在时，电桥的输出相当于静态应变和动态应变两种情况的叠加，即当于静态应变和动态应变两种情况的叠加，即 （复杂应变输出）（复杂应变输出）结论结论:交流电桥输出的调幅波是由振幅相等交流电桥输出的调幅波是由振幅相等而频率分别为而频率分别为(-)和和(+)的两个波的两个波叠加。叠加。实际应变的变化频率多为非正弦的，实际应变的变化频率多为非正弦的，其中有不可忽视的高次谐波频率其中有不可忽视的高次谐波频率nn，则此，则此时电桥的输出频率宽度为时电桥的输出频率宽度为nn。为使电桥调制后不失真，载波频率为使电桥调制后不失真，载波频率应比应变信号频率应比应变信号频率nn大大1010倍左右。倍左右。测量放大器的基本电路测量放大器的基本电路双端输入高输入阻抗的两极差动放大器双端输入高输入阻抗的两极差动放大器n放大倍数可选用的集成放大器：AD522,AD620,AD693等使用时注意电源的接法：信号地和电源地共地。AD522与直流电桥的连接应变片式电阻传感器的应用举例应变片式电阻传感器的应用举例 应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。应变式传感器应变式传感器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，从而构成了差动对。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15图 膜片上应力分布图2-33 梁式力传感器各种悬臂梁各种悬臂梁FF固定点固定点固定点固定点电缆电缆各种悬臂梁各种悬臂梁 应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2 R4荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。向变短，径向变长。电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示材料应变的测量材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试斜拉桥上的斜拉绳应变测试 案例：机器人握力测量案例：机器人握力测量应变式加速度传感器应变式加速度传感器 在低频（在低频（1060Hz）振动测量中得到广泛的应用，）振动测量中得到广泛的应用，但不适用于频率较高的振动和冲击。但不适用于频率较高的振动和冲击。应变式加速度传感器结构示意图1等强度梁 2质量块 3壳体 4电阻应变片应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程量程2500N.m，耗电量，耗电量10mA，有公制，有公制/英制单位转英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。换、峰值保持、自动断电等功能。图2-35 扭矩传感器讨论，设计一个地音入侵探测器讨论，设计一个地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。洞、爆破等破坏行为均可及时发现。欲对一受力欲对一受力F的等强度梁的应变的等强度梁的应变F变化的频率为变化的频率为20kHz,采用应变片的阻值为采用应变片的阻值为120欧，灵敏度系欧，灵敏度系数数K=2.05。试选用合适的数字电压表，能满足被测应变量程。试选用合适的数字电压表，能满足被测应变量程达达4000X10-6，分辨力达，分辨力达1X10-6进行测量。若力进行测量。若力解解：第一步：第一步 直接作用式应变传感器的构成：直接作用式应变传感器的构成：根据力根据力F的变化频率的变化频率f50mV桥路阻抗5k20%过载能力150%200%2倍以上基准量程供电电压212mADC0.51.5mADC615VDC510VDC工作温度-1060070补偿温度范围060070固有频率400800kHz静态精度0.1%F.S,0.25%F.S应用场合高压动态压力测量高精度、低压力测量作业作业1、什么是应变效应？事说明金属应变片与半导体应变片的相、什么是应变效应？事说明金属应变片与半导体应变片的相同和不同之处。同和不同之处。2、应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法、应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法是什么？是什么？3、有一电阻阻值为、有一电阻阻值为R=120,灵敏系数灵敏系数k=2.0，其电阻温度系数，其电阻温度系数=2.010-6/0C,线膨胀系数线膨胀系数1=1210-6/0C的的电阻应变片贴的的电阻应变片贴于线膨胀系数为于线膨胀系数为2=14.210-6/0C的工件上，若工件在外力作的工件上，若工件在外力作用下产生应变量为用下产生应变量为200，试问：，试问：1）当温度改变）当温度改变40时，如果未采取温度补偿措施，电阻时，如果未采取温度补偿措施，电阻 变化量为多少？变化量为多少？2）由于温度影响会产生多大的相对误差？）由于温度影响会产生多大的相对误差？4、应变筒式测压传感器的弹性敏感元件如图应变筒式测压传感器的弹性敏感元件如图1.1所示，所示，请在图中标注工作应变片及温度补偿应变片的粘贴请在图中标注工作应变片及温度补偿应变片的粘贴位置，并说明其粘贴方向，画出测量电桥的桥路图。位置，并说明其粘贴方向，画出测量电桥的桥路图。5.以一等强度梁作为弹性元件，以四片应变片作为以一等强度梁作为弹性元件，以四片应变片作为变换元件变换元件R1=R2=R3=R4=120，设计一测量载荷重，设计一测量载荷重量的传感器（简称为荷重传感器），其供桥电压为量的传感器（简称为荷重传感器），其供桥电压为10V。画出荷重传感器结构原理图。其应变片应如。画出荷重传感器结构原理图。其应变片应如何粘贴组成全桥比较合理？并画出其桥路连接图。何粘贴组成全桥比较合理？并画出其桥路连接图。