第3章電阻應(yīng)變片式傳感器1.ppt

1、第3章 應(yīng)變式傳感器,教 師：鄭一力 辦公室：森工樓423 E-mail： telor 62337736-423, 電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。 傳感器由在彈性元件(被測對象)上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成。 當(dāng)被測物理量作用在彈性元件上時(shí), 彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化, 通過轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出, 電量變化的大小反映了被測物理量的大小。 應(yīng)變式電阻傳感器是目前測量力、力矩、 壓力、加速度、重量等參數(shù)應(yīng)用最廣泛的傳感器。,主要內(nèi)容,3.1 工作原理 3.2 電阻應(yīng)變片種類、材料及粘貼 3.3 電阻應(yīng)變片特性 3.4 電阻應(yīng)變

2、片的測量電路 3.5 應(yīng)變式傳感器的典型應(yīng)用,3.1工作原理,應(yīng)變 物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象 彈性應(yīng)變 當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變 彈性元件 具有彈性應(yīng)變特性的物體,應(yīng)變傳感器在承重梁上,電阻應(yīng)變片的種類 電阻應(yīng)變片品種繁多, 形式多樣。 常用的應(yīng)變片可分為兩類: 金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片。 ,應(yīng)變效應(yīng)分析,電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng) 應(yīng)變效應(yīng)：即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化， 這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。 ,一根金屬電阻絲，在其未受力時(shí)，原始電阻值為：,圖3-1 金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng),金屬絲受拉力后幾何

3、尺寸伸長, 這時(shí)電阻變化多少呢？,當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí)， 將伸長l，橫截面積相應(yīng)減小A，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了，從而引起電阻值變化量為:,式中：dl/l長度相對變化量，用應(yīng)變表示為,電阻相對變化量：,dA/A圓形電阻絲的截面積相對變化量，設(shè)r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2r dr，則,材料力學(xué)：在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時(shí)，沿軸向伸長， 沿徑向縮短。 軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為,為材料的泊松比， 負(fù)號(hào)表示與應(yīng)變方向相反。,推得：,定義：電阻絲的靈敏系數(shù)（物理意義）：單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量。其表達(dá)式為,靈敏系數(shù)K0受兩個(gè)因素影響,一是應(yīng)變片受力后材料幾何

4、尺寸的變化， 即1+2 二是應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化， 即（d/）/。 對金屬材料：1+2(d/)/ 對半導(dǎo)體材料：(d/)/1+2 ,很難用解析式描述,大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。 對康銅材料，K1.92.1； 對鎳鉻合金材料， K2.12.3； 對鉑材料， K35。,實(shí)驗(yàn)證明，在金屬電阻材料中，1+2(d/)/ ，所以(d/)/ ，因而金屬電阻材料的靈敏系數(shù)為,半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料制成的, 其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。所謂壓阻效應(yīng)，是指半導(dǎo)體材料在某一軸向受外力作用時(shí), 其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作

5、用時(shí), 其電阻相對變化為,半導(dǎo)體應(yīng)變片,半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對變化量與所受的應(yīng)變力有關(guān)：,式中： 半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù); 半導(dǎo)體材料的所受應(yīng)變力; E半導(dǎo)體材料的彈性模量; 半導(dǎo)體材料的應(yīng)變。,因此：,實(shí)驗(yàn)證明，在半導(dǎo)體材料中，E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為,半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式高5080倍， 但半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非線性比較嚴(yán)重， 使它的應(yīng)用范圍受到一定的限制。 ,應(yīng)變片主要性能指標(biāo)舉例,上表中，哪幾個(gè)型號(hào)是半導(dǎo)體應(yīng)變片？依據(jù)是什么？,應(yīng)變片測量原理：在外力作用下，被測對象產(chǎn)生微小機(jī)械變形，貼在對象上的應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化，同

6、時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。 當(dāng)測得應(yīng)變片電阻值變化量為R時(shí)，便可得到被測對象的應(yīng)變值，進(jìn)而得到產(chǎn)生該應(yīng)變的外力。,由此可知, 應(yīng)變力正比于應(yīng)變, 而試件應(yīng)變正比于電阻值的變化, 所以應(yīng)變力正比于電阻值的變化, 這就是利用應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理。,=E,根據(jù)應(yīng)變力與應(yīng)變的關(guān)系，得到應(yīng)變力為,3.2 電阻應(yīng)變片種類、材料及粘貼,電阻應(yīng)變片的種類 電阻應(yīng)變片品種繁多, 形式多樣。 常用的應(yīng)變片可分為兩類: 金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片。 ,金屬電阻應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成, 如圖所示。,金屬電阻應(yīng)變片,應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu),金屬電阻應(yīng)變片構(gòu)成材料,敏感柵 作用：將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換

7、成電阻量 要求：靈敏系數(shù)大且穩(wěn)定，電阻率高，電阻溫度系數(shù)小，易加工成細(xì)絲和箔材，具有良好的焊接性能和抗氧化性能。 材料：銅鎳合金、鎳鉻合金等,金屬電阻應(yīng)變片構(gòu)成材料,基底 作用：保持敏感柵、引線的幾何形狀及其相對位置，被測構(gòu)件上的應(yīng)變不失真地傳遞到敏感柵上。 要求：使敏感柵與彈性體之間具有足夠高的電絕緣性能； 要求：具有良好的機(jī)械特性和電絕緣性能。 材料：紙或有機(jī)高分子材料，如環(huán)氧樹脂等。,金屬電阻應(yīng)變片構(gòu)成材料,覆蓋層 作用：保護(hù)敏感柵免受機(jī)械損傷和空氣污染 要求：具有良好的機(jī)械特性。 材料：紙或有機(jī)高分子材料等,金屬電阻應(yīng)變片構(gòu)成材料,引線 作用：連接敏感柵和測量電路 要求：靈敏系數(shù)大且穩(wěn)

8、定，電阻率高，電阻溫度系數(shù)小，具有良好的焊接性能和抗氧化性能。 材料：紫銅，表面鍍錫或鍍銀，便于焊接。,根據(jù)敏感柵的形狀，金屬電阻應(yīng)變片分為絲式、 箔式和薄膜式三種，其中前兩種均需用粘結(jié)劑安裝在被測試件上，屬于粘貼式應(yīng)變片。,金屬電阻應(yīng)變片,目前箔式應(yīng)變片應(yīng)用較多。 金屬絲式應(yīng)變片使用最早。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。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)。 當(dāng)傳感器的彈性體很薄、尺寸很小時(shí)，采用箔式應(yīng)變片會(huì)由于基底材料和粘結(jié)劑的存在而對傳感器特性產(chǎn)生不利影響，可采用薄膜式應(yīng)變片。,圖3-2 絲式金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu),金屬絲式應(yīng)變片,敏感柵是應(yīng)變

9、片的核心部分,它是應(yīng)變片中將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的電阻體，由線徑為0.0120.05mm的金屬電阻絲繞成，它粘貼在絕緣的基片上, 通過引線與測量電路相連，表面有一層起保護(hù)作用的覆蓋層。,金屬絲式應(yīng)變片,金屬箔式應(yīng)變片,各式箔式應(yīng)變花,箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu),箔式應(yīng)變片的敏感柵采用光刻技術(shù)或蝕刻技術(shù)刻成的一種很薄的金屬箔柵。根據(jù)不同的測量要求，制成不同形狀尺寸的敏感柵。,優(yōu)點(diǎn),（1）尺寸準(zhǔn)確，線條均勻，適應(yīng)不同的測量要求， （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

10、勞壽命長。,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0.1m以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，再加上保護(hù)層。 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)。,金屬電阻應(yīng)變片主要特性參數(shù),幾何尺寸 柵長 柵寬 基底長 基底寬,金屬電阻應(yīng)變片主要特性參數(shù),應(yīng)變片電阻值 沒有安裝也不受外力情況下，于室溫時(shí)測定的電阻值； 電阻值大，可承受的電壓值大，但提高電阻值會(huì)使敏感柵尺寸變大； 常見值：60、120、200、350、500、1000（），其中120和350 最常見。,金屬電阻應(yīng)變片主要特性參數(shù),絕緣電阻 敏感柵與基底之間的電阻值 一般大于1010,金

11、屬電阻應(yīng)變片主要特性參數(shù),靈敏系數(shù)標(biāo)稱靈敏系數(shù)， 小于同種材料金屬絲的靈敏系數(shù)。 原因是應(yīng)變片的橫向效應(yīng)和粘貼膠帶來的應(yīng)變傳遞失真。 通常為2左右,應(yīng)變片的靈敏系數(shù)通過抽樣法測定，將電阻應(yīng)變片粘貼在一維應(yīng)力作用下的試件上，試件材料規(guī)定為泊松比為0.285的鋼,金屬電阻應(yīng)變片主要特性參數(shù),應(yīng)變極限 指在一定的溫度下，指示應(yīng)變值與真實(shí)應(yīng)變的相對差值不超過規(guī)定值（一般為10）時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變值,金屬電阻應(yīng)變片主要特性參數(shù),最大工作電流 應(yīng)變片不因電流產(chǎn)生的熱量而影響測量精度所允許通過的最大電流。 靜態(tài)測量時(shí)，最大工作電流為25mA；在動(dòng)態(tài)測量時(shí)，可達(dá)75100mA。,金屬電阻應(yīng)變片主要特性參數(shù),極限

12、工作溫度 應(yīng)變片在規(guī)定條件下，能保持其工作特性不變或在允許范圍內(nèi)變化的最高工作溫度或最低工作溫度。,應(yīng)變片粘貼在被測試件上，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,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。,對于粘貼好的應(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

13、零點(diǎn)漂移。,產(chǎn)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。,零漂,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。,蠕變,電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù),1.目測電阻應(yīng)變片有無折痕.斷絲等缺陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。,2.用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值相差不得大于0.5歐姆.,3.試件表面處理：貼片處用細(xì)紗紙打磨干凈，用 酒精棉球反復(fù)擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。,4.應(yīng)變片粘貼:在應(yīng)變片

14、基底上擠一小滴502膠水，輕輕涂抹均勻，立即放在應(yīng)變貼片位置。,5.焊線:用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。,6.用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng) 大于500M歐。,7.應(yīng)變片保護(hù)：用704硅橡膠覆于應(yīng)變片上，防止 受潮。,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。,應(yīng)變片的粘貼,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 。,3.測量：從分開的端子處，預(yù)先用萬用表測量應(yīng)變片的

15、電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。,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。,5.固定： 焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)變片。,應(yīng)變傳感器在承重梁上,3.3 電阻應(yīng)變片特性,橫向效應(yīng),橫向效應(yīng) 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)。,橫向效應(yīng) 當(dāng)將圖 3 - 3 所示的應(yīng)變片粘貼在被測試件上時(shí), 由于其敏感柵是由n條長度為l1的直線段和（n-1）個(gè)半徑為r的半圓組

16、成, 在電阻絲的彎段，電阻的變化率與直段明顯不同。若該應(yīng)變片承受軸向應(yīng)力而產(chǎn)生縱向拉應(yīng)變x時(shí), 假設(shè)x為正，則橫向的應(yīng)變y為負(fù)。這樣應(yīng)變片的靈敏系數(shù)要比直線段材的電阻絲的靈敏系數(shù)小。這就是所謂的“橫向效應(yīng)”。,若敏感柵有n根縱柵，每根長為l，半徑為r，在軸向應(yīng)變作用下，全部縱柵的變形視為L1,L1= n l,半圓弧橫柵同時(shí)受到和r的作用，在任一微小段長度d l = r d上的應(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,敏感柵柵絲的總長為L，敏感柵的靈敏系數(shù)為KS，則電阻相對變化為,令：,則：,可見，

17、敏感柵電阻的相對變化分別是和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、柵長越長的應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)引起的誤差越小。,如何測量應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K？ K值通常采用抽樣的方法，在規(guī)定條件下，通過實(shí)測確定。 規(guī)定條件： 1、試件材料取泊松比為=0.285的鋼材 2、試件單向受力 3、應(yīng)變片軸向與主應(yīng)力方向一致,應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償 1. 應(yīng)變片的溫度誤差 把應(yīng)變片安裝在一個(gè)可以自由膨脹的試件上時(shí)，使試件不受任何外力的作用，如果環(huán)境溫度發(fā)生變化，則應(yīng)變片的電

18、阻也隨之發(fā)生變化。 由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差， 稱為應(yīng)變片的溫度誤差。,產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要因素有下述兩個(gè)方面。 1) 電阻溫度系數(shù)的影響 2) 試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同的影響,式中: Rt溫度為t時(shí)的電阻值； R0溫度為t0時(shí)的電阻值； 金屬絲的電阻溫度系數(shù)； t溫度變化值，t=t-t0。,當(dāng)溫度變化t時(shí)，電阻絲電阻的變化值為： R=Rt-R0=R0t,Rt=R0(1+t), 1) 電阻溫度系數(shù)的影響 敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可用下式表示：,2) 試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響 當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時(shí)：環(huán)境溫度變化不會(huì)產(chǎn)

19、生附加變形。 當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時(shí)：環(huán)境溫度變化，電阻絲會(huì)產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻變化。,設(shè)電阻絲和試件（構(gòu)件）的初始長度均為l0, 它們的線膨脹系數(shù)分別為s和g，若兩者不粘貼，則它們的長度分別為,ls=l0(1+st),lg=l0(1+gt),當(dāng)兩者粘貼在一起時(shí)，電阻絲產(chǎn)生的附加變形l、附加應(yīng)變和附加電阻變化R分別為,由于溫度變化而引起的應(yīng)變片總電阻相對變化量為,結(jié)論：因環(huán)境溫度變化而引起的附加電阻的相對變化量，除了與環(huán)境溫度有關(guān)外，還與應(yīng)變片自身的性能參數(shù)（K0, , s）以及被測試件線膨脹系數(shù)g有關(guān)。,2. 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有線

20、路補(bǔ)償和應(yīng)變片自補(bǔ)償、熱敏電阻補(bǔ)償三大類。 1) 線路補(bǔ)償法 電橋補(bǔ)償是最常用且效果較好的線路補(bǔ)償。,圖3-8 電橋補(bǔ)償法,電橋補(bǔ)償法,電路分析,A為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。由上式可知， 當(dāng)R3=R4為常數(shù)時(shí)，R1和RB對電橋輸出電壓Uo的作用方向相反。 利用這一基本關(guān)系可實(shí)現(xiàn)對溫度的補(bǔ)償。,當(dāng)被測試件不承受應(yīng)變時(shí)，R1和RB又處于同一環(huán)境溫度為t的溫度場中，調(diào)整電橋參數(shù)使之達(dá)到平衡，此時(shí)有,工程上，一般按R1 = RB = R3 = R4 選取橋臂電阻。,當(dāng)溫度升高或降低t=t-t0時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變片因溫度而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)， 即,測量應(yīng)變時(shí)，工作應(yīng)變片R1粘貼在

21、被測試件表面上，補(bǔ)償應(yīng)變片RB粘貼在與被測試件相同的材料上，且僅工作應(yīng)變片承受應(yīng)變。則此時(shí)輸出電壓為：,此時(shí)輸出電壓僅與工作應(yīng)變片承受的應(yīng)變有關(guān)，與環(huán)境溫度無關(guān) ，從而實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償,完全補(bǔ)償條件： 在應(yīng)變片工作過程中，保證R3=R4。 R1和RB兩個(gè)應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)、線膨脹系數(shù)、應(yīng)變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值R0 粘貼補(bǔ)償片的補(bǔ)償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料必須一樣，兩者線膨脹系數(shù)相同。 兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場。,粘貼在被測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

22、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,2) 應(yīng)變片的自補(bǔ)償法,a. 選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片 利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片來補(bǔ)償?shù)摹?要實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償，必須有,上式表明，當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)g已知時(shí)，如果合理選擇敏感柵材料，即其電阻溫度系數(shù)、靈敏系數(shù)K0以及線膨脹系數(shù)s，滿足上式，則不論溫度如何變化，均有Rt/R0=0，從而達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?? 應(yīng)變片的選擇式自補(bǔ)償法的最大缺陷是什么,一種確定的應(yīng)變片只能用于一種確定材料的試件上。,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R

23、1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)兩種敏感柵的長度來控制 應(yīng)變片的溫度自補(bǔ)償,3）熱敏電阻補(bǔ)償,T U0,Rt,URt,U = Ui - URt,U0,-,+,+,-,+,-,0,3.4 電阻應(yīng)變片的測量電路,3.4.1 直流電橋 1. 直流電橋平衡條件,圖3-9 直流電橋,當(dāng)RL時(shí)，電橋輸出電壓為,當(dāng)電橋平衡時(shí)，Uo=0，則有,R1R4=R2R3,或,電橋平衡條件：欲使電橋平衡， 其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等， 或相對兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。,2. 電壓靈敏度 應(yīng)變片工作時(shí)：電阻值變化很小，電橋相應(yīng)輸出電壓也很小，一般需要加入放大器進(jìn)行放大。由于放大器的輸入阻抗比橋路輸出

24、阻抗高很多，所以此時(shí)仍視電橋?yàn)殚_路情況。,當(dāng)受應(yīng)變時(shí)：若應(yīng)變片電阻變化為R，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo0，則電橋不平衡，輸出電壓為,單臂受感全橋電路，R1為受感應(yīng)變片，其余R2、R3、R4為常值電阻,設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于R1R1，分母中R1/R1可忽略， 并考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3， 則上式可寫為,電橋電壓靈敏度定義為,分析： 電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越高，電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓的提高受到應(yīng)變片允許功耗的限制，所以要作適當(dāng)選擇； 電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。 ,？當(dāng)E值確定后，

25、n取何值時(shí)才能使KU最高？,思路：dKU/dn = 0求KU的最大值,求得n=1時(shí)，KU為最大值。即在供橋電壓確定后，當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，電橋電壓靈敏度最高，此時(shí)有,結(jié)論：當(dāng)電源電壓E和電阻相對變化量R1/R1一定時(shí)， 電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂電阻阻值大小無關(guān)。,3. 非線性誤差及其補(bǔ)償方法,理想情況（略去分母中的R1/R1項(xiàng)）：,實(shí)際情況（保留分母中的R1/R1項(xiàng)）：,與R1/R1的關(guān)系是非線性的，非線性誤差為,如果橋臂比n=1， 則 ：,例如： 對于一般應(yīng)變片：所受應(yīng)變通常在5000以下，若取KU=2，則R1/R1=KU=0.01，計(jì)算得非線性誤差為0.5%；

26、對于半導(dǎo)體應(yīng)變片，若KU=130，=1000時(shí)，R1/R1=0.130，則得到非線性誤差為6%，故當(dāng)非線性誤差不能滿足測量要求時(shí)，必須予以消除。,圖3-10 差動(dòng)電橋,減小和消除非線性誤差的方法,（1）采用半橋差動(dòng)電橋,半橋差動(dòng)：在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變， 接入電橋相鄰橋臂。 ,半橋差動(dòng)電橋輸出電壓為,若R1=R2，R1=R2，R3=R4，則得,可知：Uo與R1/R1成線性關(guān)系，無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度KU=E/2，是單臂工作時(shí)的兩倍。,全橋差動(dòng)：電橋四臂接入四片應(yīng)變片，即兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對橋臂上。若R1=R2=R3=

27、R4，且R1=R2=R3=R4，則,結(jié)論：全橋差動(dòng)電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度為單片工作時(shí)的4倍。,? 采用半橋差動(dòng)和全橋差動(dòng)能補(bǔ)償溫度誤差么？,3.3.2 交流電橋 引入原因：由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。 由于供橋電源為交流電源，引線分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性，即相當(dāng)于兩只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個(gè)電容。,零點(diǎn)漂移 零點(diǎn)漂移可描述為：輸入電壓為零，輸出電壓偏離零值的變化。它又被簡稱為：零漂 零點(diǎn)漂移是怎樣形成的： 運(yùn)算放大器均是采用直接耦合的方式，我們知道直接耦合式放大電路的各級的Q點(diǎn)是相互影響的，由于各級的

28、放大作用，第一級的微弱變化，會(huì)使輸出級產(chǎn)生很大的變化。當(dāng)輸入短路時(shí)（由于一些原因使輸入級的Q點(diǎn)發(fā)生微弱變化 象：溫度），輸出將隨時(shí)間緩慢變化，這樣就形成了零點(diǎn)漂移。 產(chǎn)生零漂的原因是：晶體三極管的參數(shù)受溫度的影響。 解決零漂最有效的措施是：采用差動(dòng)電路。,圖3-11 交流電橋,式中, C1、C2表示應(yīng)變片引線分布電容。,每一橋臂上復(fù)阻抗分別為,交流電橋輸出：,電橋平衡條件：Uo=0，即,Z1Z4=Z2Z3,整理可得,變形為：,交流電橋的平衡條件（實(shí)部、虛部分別相等）：,圖3-12 交流電橋平衡調(diào)節(jié),當(dāng)被測應(yīng)力變化引起Z1=Z10+Z, Z2=Z20Z變化時(shí)（且Z10=Z20=Z0），則電橋輸出

29、為,若此時(shí)Z10=Z20=Z0，則Z3=Z4,該表達(dá)式唯一么？有沒有其他表達(dá)形式？,其他物理量（力、壓力、加速度等），需先將這些量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變彈性元件；應(yīng)變片能將應(yīng)變直接轉(zhuǎn)換成電阻的變化；然后利用電橋原理轉(zhuǎn)換為電壓或電流。 應(yīng)變式傳感器的組成：彈性元件、應(yīng)變片、附件（補(bǔ)償元件、保護(hù)罩等）,3.5 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,應(yīng)變式傳感器特點(diǎn)：,測量范圍廣 應(yīng)變式力傳感器測量范圍：102107N； 應(yīng)變式壓力傳感器測量范圍：101106Pa 精度較高，測量誤差可達(dá)0.1或更小 輸出特性的線性度好 性能穩(wěn)定，工作可靠 性價(jià)比高 需要考慮橫向效應(yīng)和溫度補(bǔ)償問題。,3.5 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,1 應(yīng)變式

30、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,被測物理量：荷重或力 主要用途：作為各種電子稱與材料試驗(yàn)機(jī)的測力元件、 發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測試、 水壩壩體承載狀況監(jiān)測等。 力傳感器的彈性元件：柱式、筒式、環(huán)式、懸臂式等,1. 應(yīng)變式力傳感器,柱（筒）式力傳感器,（a）實(shí)心圓柱；（b）空心圓筒；,采用八個(gè)相同的應(yīng)變片，其中四個(gè)沿著柱體的環(huán)向粘貼， 四個(gè)沿著軸向粘貼,圓柱體的橫截面積,材料的彈性模量,材料的泊松比,懸臂梁式力傳感器,等截面梁：一端固定，另一端自由，且截面為矩形,問題：只粘貼一個(gè)應(yīng)變片可以么？ 全橋差動(dòng), 等截面懸臂梁,等截面梁不同部位所產(chǎn)生的應(yīng)

31、變是不相等的。, 等強(qiáng)度懸臂梁,注意作用力F的位置,等強(qiáng)度梁不同部位所產(chǎn)生的應(yīng)變大小相等。,問題：組橋方式？ 全橋差動(dòng), 雙端固定梁,環(huán)式力傳感器,圖3-14 環(huán)式力傳感器 (a) 環(huán)式傳感器結(jié)構(gòu)圖； (b) 應(yīng)力分布,內(nèi)貼取“一”,內(nèi)貼取“”,式中： h圓環(huán)厚度； b圓環(huán)寬度； E材料彈性模量。,在外力作用下，各點(diǎn)的應(yīng)力差別較大,對R/h5的小曲率圓環(huán)：A、B兩點(diǎn)的應(yīng)變。,這樣， 測出A、 B處的應(yīng)變， 即可得到載荷F。,BK-2S稱重傳感器,產(chǎn)品詳細(xì)介紹采用國際流行的雙梁式或剪切S梁結(jié)構(gòu)，拉、壓輸出對稱性好、 測量精度高、結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，廣泛用于機(jī)電結(jié)合秤、料斗秤、包裝秤等各種測力、稱

32、重系統(tǒng)中 供橋電壓 12VDC 輸入阻抗 38020 輸出阻抗 35010 絕緣電阻 2000M 工作溫度 -10+50,BK4輪輻式測力傳感器系列,主要用來測量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力 應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。 ,2. 應(yīng)變式壓力傳感器,t,r,r,t,膜片式壓力傳感器,在壓力p作用下，膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變r(jià)和切向應(yīng)變t，表達(dá)式分別為,圖3-15 膜片式壓力傳感器 （a） 應(yīng)變變化圖; （b） 應(yīng)變片粘貼,應(yīng)變變化曲線的特點(diǎn)：當(dāng)x=0時(shí)，rmax=tmax；當(dāng)x=R時(shí)，t=0， r=2rmax。 ,特點(diǎn)的應(yīng)用：一般在平膜片圓心處切向粘貼R1、R4兩個(gè)應(yīng)變片， 在邊緣處沿徑向粘貼R2、R3兩個(gè)應(yīng)變片，然后接成全橋測量電路。 避開位置。,怎么得到的？自己推導(dǎo)一下。,筒式壓力傳感器 測較大壓力,機(jī)床液壓系統(tǒng)的壓力（106107Pa）， 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,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,通常用于測量小壓力。 其缺點(diǎn)是固有頻率低，不適于測量瞬態(tài)過程。,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)、