電阻式傳感器的應(yīng)用

1、第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 第一節(jié)第一節(jié) 電位器式電阻傳感器電位器式電阻傳感器 第二節(jié)第二節(jié) 應(yīng)變式電阻傳感器應(yīng)變式電阻傳感器第三節(jié)第三節(jié) 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路第四節(jié)第四節(jié) 電阻傳感器應(yīng)用電阻傳感器應(yīng)用第一節(jié)第一節(jié) 電位器式電阻傳感器電位器式電阻傳感器一、一、 電位器式電阻傳感器常用形式電位器式電阻傳感器常用形式1 1、 滑線式位移傳感器滑線式位移傳感器2、 角位移傳感器角位移傳感器3、 分段電阻角位移傳感器分段電阻角位移傳感器4、 分段電阻直線位移傳感器分段電阻直線位移傳感器二、二、 線繞式電位器結(jié)構(gòu)和工作原理線繞式電位器結(jié)構(gòu)和工作原理LR ,0UxRxiU若

2、線繞式電位器的線繞截面積均勻，則其電阻值變化均勻（線若線繞式電位器的線繞截面積均勻，則其電阻值變化均勻（線形）。若電位器為空載時(shí)，根據(jù)分壓原理得：形）。若電位器為空載時(shí)，根據(jù)分壓原理得：工作電壓：工作電壓iU：負(fù)載電阻兩端的輸出電壓：負(fù)載電阻兩端的輸出電壓0U：線繞電位器電刷移動(dòng)的長(zhǎng)度：線繞電位器電刷移動(dòng)的長(zhǎng)度：總長(zhǎng)度：總長(zhǎng)度：總電阻：總電阻xLRxR：對(duì)應(yīng)于電刷移動(dòng)量：對(duì)應(yīng)于電刷移動(dòng)量x的電阻值的電阻值RRUUxi0而對(duì)應(yīng)的電阻變化為：而對(duì)應(yīng)的電阻變化為：xSLxRRLxRRRxx,表明改變測(cè)量電阻值所引起輸出電壓的變化為線性變化。表明改變測(cè)量電阻值所引起輸出電壓的變化為線性變化。xSLxU

3、UVi0其中其中LUSLRSiVR,分別為電阻和電壓靈敏度。分別為電阻和電壓靈敏度。他們分別標(biāo)明了電刷單位位移所能引起的輸出電阻和輸出電壓的他們分別標(biāo)明了電刷單位位移所能引起的輸出電阻和輸出電壓的變化量。均為常數(shù)變化量。均為常數(shù)若電位器的負(fù)載電阻若電位器的負(fù)載電阻 ，則輸出電壓為：，則輸出電壓為：0LR20 xxLLxixLxLxLxLxixLxLRRRRRRRURRRRRRRRRRURRRRIU代入上式得：，設(shè)iRLLxUUYLxXRRKRRr0,LRLRRLLKXKXXKrKrr2211Y表明當(dāng)負(fù)載電阻不為零時(shí)，表明當(dāng)負(fù)載電阻不為零時(shí)，Y與與r為非線性關(guān)系，則線繞電位為非線性關(guān)系，則線繞電

4、位器式傳感器的負(fù)載特性為非線性。當(dāng)負(fù)載電阻為空載時(shí)，器式傳感器的負(fù)載特性為非線性。當(dāng)負(fù)載電阻為空載時(shí)，U0與與x才滿足線性關(guān)系，則線繞電位器式傳感器的負(fù)載特性為線才滿足線性關(guān)系，則線繞電位器式傳感器的負(fù)載特性為線性。性。：電刷的相對(duì)行程電阻的相對(duì)變化RX:r數(shù)：電位器負(fù)載系數(shù)的倒LK：電位計(jì)相對(duì)輸出電壓Y第二節(jié)第二節(jié) 應(yīng)變式電阻傳感器應(yīng)變式電阻傳感器一、工一、工 作原理作原理1、應(yīng)變效應(yīng)、應(yīng)變效應(yīng) 導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外（拉力或壓力）力的作用時(shí)，產(chǎn)生機(jī)導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外（拉力或壓力）力的作用時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械變形，導(dǎo)致其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，械變形，導(dǎo)致其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化， 這種因形變而使其阻值這種

5、因形變而使其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為“應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)”。2、金屬電阻絲應(yīng)變?cè)?、金屬電阻絲應(yīng)變?cè)硪桓饘匐娮杞z，在其未受力時(shí)，原始電阻值為AlR式中：式中： 電阻絲的電阻率；電阻絲的電阻率； l電阻絲的長(zhǎng)度；電阻絲的長(zhǎng)度； A電阻絲的截面積。電阻絲的截面積。如果對(duì)電阻絲長(zhǎng)度作用均勻應(yīng)力，則如果對(duì)電阻絲長(zhǎng)度作用均勻應(yīng)力，則、L、A的變化的變化d 、d L、 d A將引起電阻將引起電阻d R的變化，可以通過(guò)對(duì)上式做全微分求得：的變化，可以通過(guò)對(duì)上式做全微分求得：dAALdALdLAdR2其相對(duì)變化量為：dAdAldlRdR若電阻絲是圓形的，則若電阻絲是圓形的，則 ，r為電阻絲的

6、半徑，對(duì)為電阻絲的半徑，對(duì)r 微分微分得：得： d A=2r d r，則則2rArdrrrdrAdA222ldlx令 為金屬電阻絲的軸向應(yīng)變?yōu)閺较驊?yīng)變yrdr由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時(shí)，沿軸向伸長(zhǎng)， 沿徑向縮短， 那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為xy為電阻絲材料的泊松比， 負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。dRdRx)21 (xxdRdR)21 (或通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱(chēng)為電阻絲的靈敏系數(shù)。通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱(chēng)為電阻絲的靈敏系數(shù)。 其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量，其表達(dá)式為其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量，其表達(dá)式為 xxsdRdRK2

7、1靈敏系數(shù)K受兩個(gè)因素影響：一個(gè)是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化， 即1+2；另一個(gè)是應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化， 即（d/）/x。對(duì)金屬材料來(lái)說(shuō)，電阻絲靈敏度系數(shù)表達(dá)式中1+2的值要比(d/)/x大得多，而半導(dǎo)體材料的(d/)/x項(xiàng)的值比1+2大得多。大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)， 電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。得到：xsKRdR或xsRdRK表示金屬電阻絲的電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變成正比。3、半導(dǎo)體應(yīng)變?cè)?、半?dǎo)體應(yīng)變?cè)?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)。沿一塊半導(dǎo)體的某一軸向施

8、加壓力使其變導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。沿一塊半導(dǎo)體的某一軸向施加壓力使其變形時(shí)，它的電阻率會(huì)發(fā)生顯著變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為半導(dǎo)體的壓阻形時(shí)，它的電阻率會(huì)發(fā)生顯著變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。效應(yīng)。 利用壓阻效應(yīng)制成的傳感器稱(chēng)為壓阻傳感器或半導(dǎo)體應(yīng)利用壓阻效應(yīng)制成的傳感器稱(chēng)為壓阻傳感器或半導(dǎo)體應(yīng)變片。變片。當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)，當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)， 其電阻相對(duì)變化為其電阻相對(duì)變化為 xxdRdR)21 (式中d/為半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對(duì)變化量，其值與半導(dǎo)體敏感元件在軸向所受的應(yīng)變力有關(guān)，其關(guān)系為 xEd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

9、量; 半導(dǎo)體材料的應(yīng)變。xERdR)21 (實(shí)驗(yàn)證明，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 ERdRKxs 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。 用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，根據(jù)上述特點(diǎn)，在外力作用下，被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生微小機(jī)械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化， 同時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測(cè)得應(yīng)變片電阻值變化量為R時(shí)，便可得到被測(cè)對(duì)象的應(yīng)變值， 根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，得到應(yīng)力值為 =E 式中： 試件的應(yīng)力; E試件材料的彈性模量; 試件的應(yīng)變。 由此可知，應(yīng)力值正比于應(yīng)變，

10、而應(yīng)變又正比于電阻值的變由此可知，應(yīng)力值正比于應(yīng)變，而應(yīng)變又正比于電阻值的變化，所以應(yīng)力正比于電阻值的變化。這就是利用應(yīng)變片測(cè)量化，所以應(yīng)力正比于電阻值的變化。這就是利用應(yīng)變片測(cè)量的基本原理。的基本原理。二、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、材料和粘貼二、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、材料和粘貼1 1、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 2341bl柵長(zhǎng)柵長(zhǎng)柵寬柵寬1 -敏感柵， 2-基底， 3-蓋片， 4-引線（1 1） 敏感柵：敏感柵：由金屬細(xì)絲繞成柵形。電阻應(yīng)變片的電阻值為由金屬細(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，以等多種規(guī)格，以120最為常用。應(yīng)變片柵長(zhǎng)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

11、，應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變大小是應(yīng)變片大小關(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)和柵寬所在面積內(nèi)的平均軸向應(yīng)變量。柵長(zhǎng)和柵寬所在面積內(nèi)的平均軸向應(yīng)變量。對(duì)敏感柵的材料的要求：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測(cè)應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長(zhǎng)的應(yīng)變片；電阻溫度系數(shù)要??；抗氧化能力高，耐腐蝕性能強(qiáng)；在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度；加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材；易于焊接，對(duì)引線材料的熱電勢(shì)小。對(duì)應(yīng)變片要求必須根據(jù)實(shí)際使用情況，合理選擇。（2） 基底和蓋片：基底和蓋片：基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和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

12、柵和引線的形狀和相對(duì)位置，還可保相對(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?；椎娜L(zhǎng)稱(chēng)為基底長(zhǎng)，其寬度稱(chēng)為基底寬。護(hù)敏感柵?；椎娜L(zhǎng)稱(chēng)為基底長(zhǎng)，其寬度稱(chēng)為基底寬。（3） 引線：引線： 是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線。對(duì)引線是從應(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、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。易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。（4） 粘結(jié)劑：粘結(jié)劑： 用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一

13、起。使用金屬應(yīng)變片時(shí)，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘粘貼在一起。使用金屬應(yīng)變片時(shí)，也需用粘結(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。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(wú)機(jī)兩常用的粘結(jié)劑分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類(lèi)。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大類(lèi)。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(shù)脂、有機(jī)硅樹(shù)脂，聚酰亞胺等。無(wú)機(jī)粘結(jié)劑用于高溫、酚醛樹(shù)脂、有機(jī)硅樹(shù)脂，聚酰亞胺等。無(wú)機(jī)粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。常用的有磷酸鹽、

14、硅酸、硼酸鹽等。2、金屬電阻應(yīng)變片的材料、金屬電阻應(yīng)變片的材料 對(duì)電阻絲材料應(yīng)有如下要求：對(duì)電阻絲材料應(yīng)有如下要求： 靈敏系數(shù)大，靈敏系數(shù)大， 且在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)；且在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)； 值大，即在同樣長(zhǎng)度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較值大，即在同樣長(zhǎng)度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值；大的電阻值； 電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會(huì)改變其阻值；電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會(huì)改變其阻值； 與銅線的焊接性能好，與銅線的焊接性能好， 與其它金屬的接觸電勢(shì)??；與其它金屬的接觸電勢(shì)小； 機(jī)械強(qiáng)度高，機(jī)械強(qiáng)度高， 具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。

15、 康銅是目前應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變絲材料，這是由于它有很多優(yōu)點(diǎn)：靈敏系數(shù)穩(wěn)定性好，不但在彈性變形范圍內(nèi)能保持為常數(shù)， 進(jìn)入塑性變形范圍內(nèi)也基本上能保持為常數(shù)；康銅的電阻溫度系數(shù)較小且穩(wěn)定，當(dāng)采用合適的熱處理工藝時(shí)，可使電阻溫度系數(shù)在5010-6/的范圍內(nèi)；康銅的加工性能好，易于焊接， 因而國(guó)內(nèi)外多以康銅作為應(yīng)變絲材料。 3、金屬電阻應(yīng)變片的粘貼、金屬電阻應(yīng)變片的粘貼 應(yīng)變片是用粘結(jié)劑粘貼到被測(cè)件上的。粘結(jié)劑形成的膠層必應(yīng)變片是用粘結(jié)劑粘貼到被測(cè)件上的。粘結(jié)劑形成的膠層必須準(zhǔn)確迅速地將被測(cè)件應(yīng)變傳遞到敏感柵上。選擇粘結(jié)劑時(shí)必須須準(zhǔn)確迅速地將被測(cè)件應(yīng)變傳遞到敏感柵上。選擇粘結(jié)劑時(shí)必須考慮應(yīng)變片材料和被測(cè)

16、件材料性能，不僅要求粘接力強(qiáng)，粘結(jié)后考慮應(yīng)變片材料和被測(cè)件材料性能，不僅要求粘接力強(qiáng)，粘結(jié)后機(jī)械性能可靠，而且粘合層要有足夠大的剪切彈性模量，機(jī)械性能可靠，而且粘合層要有足夠大的剪切彈性模量， 良好良好的電絕緣性，滯后小，耐濕，耐油，耐老化，動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)量時(shí)耐的電絕緣性，滯后小，耐濕，耐油，耐老化，動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)量時(shí)耐疲勞等。疲勞等。 還要考慮到應(yīng)變片的工作條件，如溫度、相對(duì)濕度、還要考慮到應(yīng)變片的工作條件，如溫度、相對(duì)濕度、穩(wěn)定性要求以及貼片固化時(shí)加熱加壓的可能性等。穩(wěn)定性要求以及貼片固化時(shí)加熱加壓的可能性等。 常用的粘結(jié)劑類(lèi)型有硝化纖維素型、氰基丙稀酸型、聚酯常用的粘結(jié)劑類(lèi)型有硝化纖維素型、氰基

17、丙稀酸型、聚酯樹(shù)脂型、環(huán)氧樹(shù)脂型和酚醛樹(shù)脂型等。樹(shù)脂型、環(huán)氧樹(shù)脂型和酚醛樹(shù)脂型等。 粘貼工藝包括被測(cè)件粘貼表面處理、貼片位置確定、涂底粘貼工藝包括被測(cè)件粘貼表面處理、貼片位置確定、涂底膠、膠、 貼片、干燥固化、貼片質(zhì)量檢查、引線的焊接與固定以及貼片、干燥固化、貼片質(zhì)量檢查、引線的焊接與固定以及防護(hù)與屏蔽等。粘結(jié)劑的性能及應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量直接影響應(yīng)防護(hù)與屏蔽等。粘結(jié)劑的性能及應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量直接影響應(yīng)變片的工作特性，如零漂、滯后、靈敏系數(shù)、線性以及它們受變片的工作特性，如零漂、滯后、靈敏系數(shù)、線性以及它們受溫度變化影響的程度?？梢?jiàn)，選擇粘結(jié)劑和正確的粘結(jié)工藝與溫度變化影響的程度?？梢?jiàn)，選擇粘結(jié)劑

18、和正確的粘結(jié)工藝與應(yīng)變片的測(cè)量精度有著極重要的關(guān)系。應(yīng)變片的測(cè)量精度有著極重要的關(guān)系。 4 4、金屬箔式應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片的工作原理基本和電阻絲式應(yīng)變片相同。它的電阻敏感元件不是金屬絲柵，而是通過(guò)光刻、腐蝕等工序制成的薄金屬箔柵，故稱(chēng)箔式電阻應(yīng)變片，如圖。金屬箔的厚度般為(0.0030.010)mm，它的基片和蓋片多為膠質(zhì)膜，基片厚度一般為(0.030.05)mm。 金屬箔式應(yīng)變片金屬箔式應(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，因而它所感受的應(yīng)力狀態(tài)與試件表面的應(yīng)金屬箔柵很薄，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)

19、更為接近。其次，當(dāng)箔材和絲材具有同樣的截面積時(shí)，箔力狀態(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。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。精度。 箔材表面積大，散熱條件好，故允許通過(guò)較大電流，因而箔材表面積大，散熱條件好，故允許通過(guò)較大電流，因而可以輸出較大信號(hào)，提高了測(cè)量靈敏度?？梢暂敵鲚^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，特別是為制箔柵的尺寸準(zhǔn)確、均勻，且能制

20、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。范圍。 便于成批生產(chǎn)。便于成批生產(chǎn)。 缺點(diǎn)：電阻值分散性大，有的相差幾十缺點(diǎn)：電阻值分散性大，有的相差幾十，故需要作阻值，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。于高溫環(huán)境下測(cè)量；此外價(jià)格較貴。第三節(jié)第三節(jié) 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 R2R4R1R3EILACDU0BRL目的：將微小應(yīng)變引起的微目的：將微小應(yīng)變引起的微小電阻值

21、的變化測(cè)量出來(lái)，小電阻值的變化測(cè)量出來(lái)，同時(shí)，要把電阻相對(duì)變化同時(shí)，要把電阻相對(duì)變化 轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。RRE E：為電源電壓：為電源電壓R R1 1、R R2 2、R R3 3及及R R4 4：橋臂電阻：橋臂電阻R RL L：為負(fù)載電阻為負(fù)載電阻一、測(cè)量電路一、測(cè)量電路當(dāng)RL時(shí)，電橋輸出電壓為 當(dāng)電橋平衡時(shí)，當(dāng)電橋平衡時(shí)，Uo=0，則有，則有 R1R4=R2R3或 4321RRRR為電橋平衡條件。這說(shuō)明欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，或相對(duì)兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。1、電橋平衡、電橋平衡43213241433211RRRRRRRRERRRRRREUo2 2

22、、動(dòng)態(tài)時(shí)電阻變化與輸出關(guān)系、動(dòng)態(tài)時(shí)電阻變化與輸出關(guān)系 432143214321432132233232411441414433221133224411RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRRREUo44332211,RRRRRRRR四個(gè)橋臂電阻分別為：忽略分母中 項(xiàng)、分子中忽略 的二次交叉項(xiàng) ：RR3322441122121432123321441RRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRREUo3 3、電壓靈敏度、電壓靈敏度43321111RRRRRRRREUo實(shí)際使用中是第一橋臂R1為應(yīng)變片，當(dāng)受應(yīng)變時(shí)，若應(yīng)變片電阻變化為R，其

23、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：)(4321141RRRRRRR341211113411RRRRRRRRRRE 設(shè)橋臂比設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于，由于R1R1，分母中，分母中R1/R1可忽略，可忽略， 并考慮到平衡條件并考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3， 則上式可寫(xiě)為則上式可寫(xiě)為 112)1 (RRnnEUo電橋電壓靈敏度定義為 211)1 (nnERRUSoV實(shí)際使用中多取 4321RRRRRREUo4輸出為：使用單一應(yīng)變片時(shí) 4ESV從上式分析發(fā)現(xiàn)： 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

24、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。4 4、非線性誤差及其補(bǔ)償方法、非線性誤差及其補(bǔ)償方法 上面的分析過(guò)程中略去分母中的R1/R1項(xiàng)，電橋輸出電壓與電阻相對(duì)變化成正比的理想情況下得到的，實(shí)際情況則應(yīng)按下式計(jì)算， 即 )1 (111110nRRnRRnEU 與R1/R1的關(guān)系是非線性的，非線性誤差為 0UooLoUUU4321RRRR若，即n=11111212RRRRL11111RRnRR例題：一應(yīng)變片，所受應(yīng)變?yōu)?000，若取Ks=2，計(jì)算非線性誤差.R1/R1=Ks 解：%5 . 02121111RRRR

25、L若Ks=130, = 1000,%6L對(duì)靈敏度較高的應(yīng)變傳感器，受到較小的應(yīng)變，非線性誤差也會(huì)很大。當(dāng)非線性誤差不能滿足測(cè)量要求時(shí)，必須予以消除。 常用的是采用差動(dòng)電橋補(bǔ)償在試件上安裝兩個(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，壓應(yīng)變， 接入電橋相鄰橋臂，稱(chēng)為半橋差動(dòng)電路接入電橋相鄰橋臂，稱(chēng)為半橋差動(dòng)電路. .R1R1R4R3ACBEDR2R2Uo(a)R1R1ACBEDR2R2Uo(b)R3R3R4R4若R1=R2，R1=R2=R3=R4，則得 112 RREUo由上式可知，Uo與R1/R1成線性關(guān)系，差動(dòng)電橋無(wú)非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度

26、SV=E/2，是單臂工作時(shí)的兩倍，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。 該電橋輸出電壓為該電橋輸出電壓為433221111RRRRRRRRREUo若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，則ESRREUVo11 此時(shí)全橋差動(dòng)電路不僅沒(méi)有非線性誤差，而且電壓靈敏度為單片工作時(shí)的4倍，同時(shí)仍具有溫度補(bǔ)償作用。 R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b)R3 R3R4 R4若將電橋四臂接入四片應(yīng)變?nèi)魧㈦姌蛩谋劢尤胨钠瑧?yīng)變片，即兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)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)受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上，構(gòu)相同的接入相對(duì)橋臂

27、上，構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。成全橋差動(dòng)電路。二、電阻應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償二、電阻應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償1、 溫度誤差溫度誤差 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(chēng)為應(yīng)變片的溫度誤差，又稱(chēng)熱輸出。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)變片的電阻絲應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵敏感柵)具有一定溫度系數(shù)；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。電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同。 設(shè)環(huán)境

28、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，其值為 e試件材料線膨脹系數(shù)；g敏感柵材料線膨脹系數(shù)。 tRRt 1tget2相應(yīng)的電阻相對(duì)變化為K應(yīng)變片靈敏系數(shù)。tKRRge 2溫度變化形成的總電阻相對(duì)變化： 相應(yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)樯鲜綖閼?yīng)變片粘貼在試件表面上，當(dāng)試件不受外力作上式為應(yīng)變片粘貼在試件表面上，當(dāng)試件不受外力作用，在溫度變化用，在溫度變化t 時(shí)，應(yīng)變片的溫度效應(yīng)時(shí)，應(yīng)變片的溫度效應(yīng),用應(yīng)變形式用應(yīng)變形式表現(xiàn)出來(lái)，稱(chēng)之為熱輸出。表現(xiàn)出來(lái)，稱(chēng)

29、之為熱輸出。可見(jiàn)，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)。 tKtRRRRRRgett 21ttKKRRgettt 2、 溫度補(bǔ)償（自補(bǔ)償法和線路補(bǔ)償法）溫度補(bǔ)償（自補(bǔ)償法和線路補(bǔ)償法） 單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片 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?。則不能達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?getKetg每一種材料的被測(cè)試件，其線膨脹系數(shù)

30、 都為確定值，可以在有關(guān)的材料手冊(cè)中查到。在選擇應(yīng)變片時(shí)，若應(yīng)變片的敏感柵是用單一的合金絲制成，并使其電阻溫度系數(shù) 和線膨脹系數(shù) 滿足上式的條件，即可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。具有這種敏感柵的應(yīng)變片稱(chēng)為單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片。由前式知，若使應(yīng)變片在溫度變化t時(shí)的熱輸出值為零，必須使egtK即雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片是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)到一定的溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)模鐖D。這種應(yīng)變片的自補(bǔ)償條件要求粘貼在某種試件上的兩段敏兩段敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號(hào)感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符

31、號(hào)相反，相反，即(Ra) t= (Rb) t焊點(diǎn)RaRbaeaabebbtaatbbbaKKRRRRRR 電路補(bǔ)償法電路補(bǔ)償法 如圖，電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關(guān)系為 式中A由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。32410RRRRAU橋路補(bǔ)償法U0R2R4R1R3E 由上式可知，當(dāng)R3、R4為常數(shù)時(shí)，Rl和R2對(duì)輸出電壓的作用方向相反。利用這個(gè)基本特性可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償，并且補(bǔ)償效果較好，這是最常用的補(bǔ)償方法之一。 測(cè)量應(yīng)變時(shí)，使用兩個(gè)應(yīng)變片，使用兩個(gè)應(yīng)變片，一片貼在被測(cè)試件的表面，一片貼在被測(cè)試件的表面，圖中R1稱(chēng)為工作應(yīng)變片。另一片貼在與被另一片貼在與被測(cè)試件材料相同的補(bǔ)償塊上，測(cè)試件材料相同的補(bǔ)

32、償塊上，圖中R2，稱(chēng)為補(bǔ)償應(yīng)變片。在工作過(guò)程中補(bǔ)償塊不承受應(yīng)變，僅隨溫度發(fā)生變形。由于R1與R2接入電橋相鄰臂上，R1t與R2t相同，根據(jù)電橋理論可知，其輸出電壓U0與溫度無(wú)關(guān)。當(dāng)工作應(yīng)變片感受應(yīng)變時(shí)，電橋?qū)a(chǎn)生相應(yīng)輸出電壓。U0R2R4R1R3E 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，即上式中可以選擇R1=R2=R及R3=R4=R。 當(dāng)溫度升高或降低時(shí)，若R1t=R2t，即兩個(gè)應(yīng)變片的熱輸出相等，由上式可知電橋的輸出電壓為零，即03241RRRRAUo322411RRRRRRAUttoRRRRRRAtt21RRRRRRRRAtt21021ttR

33、RRA= 若此時(shí)有應(yīng)變作用，只會(huì)引起電阻R1發(fā)生變化，R2不承受應(yīng)變。故由前式可得輸出電壓為由上式可知，電橋輸出電壓只與應(yīng)變x有關(guān)，與溫度無(wú)關(guān)。為達(dá)到完全補(bǔ)償，需滿足下列三個(gè)條件：為達(dá)到完全補(bǔ)償，需滿足下列三個(gè)條件： R1和和R2須屬于同一批號(hào)的，即它們的電阻溫度系須屬于同一批號(hào)的，即它們的電阻溫度系數(shù)數(shù)、線膨脹系數(shù)、線膨脹系數(shù)、應(yīng)變靈敏系數(shù)、應(yīng)變靈敏系數(shù)K都相同，兩片的初都相同，兩片的初始電阻值也要求相同；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；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。兩應(yīng)變片處于同一溫度環(huán)境中。 xstxstoRKRARRRRKRRRAU3224111根據(jù)被測(cè)試件承受應(yīng)變的情況，可以不另加專(zhuān)門(mén)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，如圖所示的貼法。 圖(a)為一個(gè)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