傳感器第2章課件

1、普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材傳傳 感感 器器（第第5版）版） 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 第二節(jié)第二節(jié) 壓阻式傳感器壓阻式傳感器第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材返回主目錄返回主目錄l 基本原理：將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路變成基本原理：將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路變成電量輸出。電量輸出。l 電阻材料：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、電解質(zhì)溶液等。電阻材料：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、電解質(zhì)溶液等。l 物理學(xué)原理：導(dǎo)體、半導(dǎo)體的長(zhǎng)度或內(nèi)應(yīng)力變化、溫度變化導(dǎo)致電阻物理學(xué)

2、原理：導(dǎo)體、半導(dǎo)體的長(zhǎng)度或內(nèi)應(yīng)力變化、溫度變化導(dǎo)致電阻變化。變化。l 被測(cè)參數(shù)：力、壓力、應(yīng)變、加速度等。被測(cè)參數(shù)：力、壓力、應(yīng)變、加速度等。l 主要優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，靈敏度較高，有的可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。主要優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，靈敏度較高，有的可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。l 本章主要研究的內(nèi)容：本章主要研究的內(nèi)容：應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器和和壓阻式傳感器壓阻式傳感器。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) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 應(yīng)變式式傳感器是基于金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)制成。應(yīng)變式式傳感器是基于金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)制成。（一）金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)（一）金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬導(dǎo)體的電阻隨

3、著機(jī)械變形（伸長(zhǎng)或縮短）的大小發(fā)生變化的現(xiàn)金屬導(dǎo)體的電阻隨著機(jī)械變形（伸長(zhǎng)或縮短）的大小發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。llrrFF第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 設(shè)一根長(zhǎng)為設(shè)一根長(zhǎng)為l，截面積為，截面積為S，電阻系數(shù)為，電阻系數(shù)為的電阻絲，其電阻值的電阻絲，其電阻值R為：為：lRSldlSdSd導(dǎo)線兩端受到力導(dǎo)線兩端受到力F作用時(shí)作用時(shí)第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器將上式取對(duì)數(shù)再微分，則引起電阻值變化將上式取對(duì)數(shù)再微分，則引起電阻值變化dR：dRddldSRlS2dSdrSr2Srdrdlrl dll因因，式中式中泊松比泊松比表示電阻絲軸向的相對(duì)

4、變化，也就是表示電阻絲軸向的相對(duì)變化，也就是應(yīng)變應(yīng)變。第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器由材料力學(xué)可知（徑向變化）：由材料力學(xué)可知（徑向變化）：(12 )(12 )dRddldRl dRRK(12 )dKdRddldSRlS令令則則K金屬電阻絲金屬電阻絲的相對(duì)靈敏度系數(shù)。的相對(duì)靈敏度系數(shù)。金屬電阻絲的相對(duì)靈敏度系數(shù)受兩個(gè)因素影響：金屬電阻絲的相對(duì)靈敏度系數(shù)受兩個(gè)因素影響：（1）受力后材料的幾何尺寸變化所引起的；即）受力后材料的幾何尺寸變化所引起的；即（2）受力后材料的電阻率發(fā)生變化引起的；即）受力后材料的電阻率發(fā)生變化引起的；即(12 )dp項(xiàng)。項(xiàng)。項(xiàng)。項(xiàng)。第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式

5、傳感器l合金電阻絲（合金電阻絲（0.025mm左右）繞成敏感柵；左右）繞成敏感柵；l敏感柵粘貼在絕緣的基底敏感柵粘貼在絕緣的基底1 ；l電阻絲的兩端焊接引出線電阻絲的兩端焊接引出線4；l敏感柵上面敏感柵上面粘貼粘貼有保護(hù)用的覆蓋層有保護(hù)用的覆蓋層3。第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器圖圖2-1 電阻應(yīng)變片基本結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片基本結(jié)構(gòu)二、應(yīng)變片的類型和材料二、應(yīng)變片的類型和材料三種類型：金屬絲式，金屬箔式和金屬薄膜式三種類型：金屬絲式，金屬箔式和金屬薄膜式。1、金屬絲式應(yīng)變片、金屬絲式應(yīng)變片 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 a) b)圖圖2-2 應(yīng)變片應(yīng)變片 回線式回線式 敏感柵絲直徑

6、在敏感柵絲直徑在0.0120.05mm，以，以0.025mm左右為最常用；左右為最常用； 回線的曲率半徑回線的曲率半徑r為為0.10.3mm； 基片用厚度為基片用厚度為0.03mm左右的薄紙（稱左右的薄紙（稱紙基紙基），或用粘結(jié)劑和有機(jī)），或用粘結(jié)劑和有機(jī)樹脂基膜制成（稱樹脂基膜制成（稱膠基膠基），粘貼性能好，能保證有效地傳遞變形。），粘貼性能好，能保證有效地傳遞變形。 引線多用引線多用0.150.30mm直徑的直徑的鍍錫銅線鍍錫銅線與敏感柵相接與敏感柵相接?；鼐€式主要特點(diǎn)：因制作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，成本低，易粘貼，所以回線式主要特點(diǎn)：因制作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，成本低，易粘貼，所以最為常用。但因彎曲部

7、的變形使其最為常用。但因彎曲部的變形使其橫向效應(yīng)較大橫向效應(yīng)較大。 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 短接式：短接式： 兩端用直徑比柵絲直徑粗兩端用直徑比柵絲直徑粗510倍倍的鍍銀絲短接而成，有效克服的鍍銀絲短接而成，有效克服了橫向效應(yīng)。了橫向效應(yīng)。 由于焊點(diǎn)多，易在焊點(diǎn)處出現(xiàn)由于焊點(diǎn)多，易在焊點(diǎn)處出現(xiàn)疲勞損壞疲勞損壞，制造工藝要求高，使用，制造工藝要求高，使用較少。較少。 金屬絲金屬絲常用的材料有康銅、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金常用的材料有康銅、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金以及貴金屬（鉑、鉑鎢合金）等。以及貴金屬（鉑、鉑鎢合金）等。 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器2、

8、金屬箔式應(yīng)變、金屬箔式應(yīng)變片片制作工藝：箔式應(yīng)變片是在絕緣基底上，將厚度為制作工藝：箔式應(yīng)變片是在絕緣基底上，將厚度為0.0030.01mm電電阻箔材阻箔材，利用，利用照相制板照相制板或或光刻腐蝕光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀。的方法，制成適用于各種需要的形狀。 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器圖圖2-3 箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片 優(yōu)優(yōu)點(diǎn)：點(diǎn)：1.可制成可制成多種復(fù)雜形狀尺寸多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵，柵長(zhǎng)準(zhǔn)確的敏感柵，柵長(zhǎng)l最小可做到最小可做到0.2mm，以適應(yīng)不同的測(cè)量要求。以適應(yīng)不同的測(cè)量要求。2.與被測(cè)試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。散熱條件好，允許電流大，與被測(cè)試件接觸面積

9、大，粘結(jié)性能好。散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度。提高了輸出靈敏度。3.橫向效應(yīng)可以忽略。橫向效應(yīng)可以忽略。4.蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)。蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)。 缺缺點(diǎn)點(diǎn)：電電阻值的阻值的分散性大分散性大，有的能相差幾十歐坶，故需要作阻值調(diào)整。，有的能相差幾十歐坶，故需要作阻值調(diào)整。 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 3、金屬薄膜應(yīng)變片、金屬薄膜應(yīng)變片 制作工藝：采用制作工藝：采用真空蒸發(fā)真空蒸發(fā)或或真空沉積真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在成厚度在0.1m以下的金屬電阻材料以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵薄膜敏感柵，最后再加上保護(hù)層，最后再

10、加上保護(hù)層，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。 特點(diǎn)：電阻值高于箔式，形狀和尺寸更精確；散熱性好，適于較特點(diǎn)：電阻值高于箔式，形狀和尺寸更精確；散熱性好，適于較寬溫度范圍，應(yīng)達(dá)寬溫度范圍，應(yīng)達(dá)197317；電阻值精度高，達(dá)；電阻值精度高，達(dá)0.01%；無膠結(jié)，；無膠結(jié)，避免了分選和粘貼避免了分選和粘貼。第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器粘結(jié)劑和粘貼技術(shù)粘結(jié)劑和粘貼技術(shù)1、粘合劑、粘合劑合理選擇粘合劑：合理選擇粘合劑： 粘合劑必須適合應(yīng)變片材料和被測(cè)試件材料及環(huán)境，例如工作溫粘合劑必須適合應(yīng)變片材料和被測(cè)試件材料及環(huán)境，例如工作溫度、濕度、化學(xué)腐蝕等。度、濕度、化學(xué)腐蝕等。對(duì)粘合劑

11、要求：對(duì)粘合劑要求：（1）有一定的粘結(jié)強(qiáng)度；）有一定的粘結(jié)強(qiáng)度；（2）能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變，有足夠的剪切彈性模量；）能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變，有足夠的剪切彈性模量；（3）蠕變、機(jī)械滯后?。唬┤渥?、機(jī)械滯后小；（4）有足夠的穩(wěn)定性能；）有足夠的穩(wěn)定性能；（5）耐濕、耐油、耐老化、耐疲勞等。）耐濕、耐油、耐老化、耐疲勞等。常用的粘合劑類型有硝化纖維素粘合劑、氰基丙烯酸脂粘合劑、有常用的粘合劑類型有硝化纖維素粘合劑、氰基丙烯酸脂粘合劑、有機(jī)硅粘合劑等。機(jī)硅粘合劑等。第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 2、粘貼工藝、粘貼工藝（1）應(yīng)變片的檢查和阻值檢查；）應(yīng)變片的檢查和阻值檢查；（2）試件表面處理，為了使應(yīng)變片牢

12、固地粘貼在試件表面上，必須將要）試件表面處理，為了使應(yīng)變片牢固地粘貼在試件表面上，必須將要貼片處的表面部分打磨，使之平整光潔。清洗使之無油污、氧化層、銹貼片處的表面部分打磨，使之平整光潔。清洗使之無油污、氧化層、銹斑等；斑等；（3）定位劃線；）定位劃線；（4）粘貼應(yīng)變片，并壓合，使粘合劑的厚度盡量減薄；）粘貼應(yīng)變片，并壓合，使粘合劑的厚度盡量減??；（5）粘合劑固化處理）粘合劑固化處理；（6）引線的焊接處固定以及防護(hù)與屏蔽處理等。）引線的焊接處固定以及防護(hù)與屏蔽處理等。 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 三三、金屬應(yīng)變片的主要特性、金屬應(yīng)變片的主要特性 1、靈敏系數(shù)、靈敏系數(shù)定定義：應(yīng)變片

13、安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下，義：應(yīng)變片安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變片的阻值相對(duì)變化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比。應(yīng)變片的阻值相對(duì)變化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比。 公公式：式：第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器/R Rk 說說明：明：應(yīng)變片的電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變特性與應(yīng)變特性與金屬單絲金屬單絲時(shí)不同，因此須用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)時(shí)不同，因此須用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k進(jìn)行測(cè)定。進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定時(shí)必須按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，例如受軸向單向力（拉或壓），試件材測(cè)定時(shí)必須按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，例如受軸向單向力（拉或壓），試件材料為泊松系數(shù)料為

14、泊松系數(shù)=0.285的鋼等。的鋼等。一批產(chǎn)品中只能抽樣一批產(chǎn)品中只能抽樣5的產(chǎn)品來測(cè)定，取平均值及允許公差值作的產(chǎn)品來測(cè)定，取平均值及允許公差值作為該批產(chǎn)品的靈敏系數(shù)，又稱為該批產(chǎn)品的靈敏系數(shù)，又稱“標(biāo)稱靈敏系數(shù)標(biāo)稱靈敏系數(shù)”。實(shí)驗(yàn)表明，電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)實(shí)驗(yàn)表明，電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k恒小于電阻絲的靈敏系數(shù)恒小于電阻絲的靈敏系數(shù)k0，其原因除了粘結(jié)層傳遞變形失真外，還存在有其原因除了粘結(jié)層傳遞變形失真外，還存在有橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)。 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器圖圖2-4 橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器l敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成。敏感柵是由多條直線和

15、圓弧部分組成。l直線段：金屬絲只感受沿軸向拉應(yīng)變直線段：金屬絲只感受沿軸向拉應(yīng)變x，電阻值將增加；電阻值將增加；l圓弧段：沿各微段軸向（即微段圓弧的圓弧段：沿各微段軸向（即微段圓弧的切向）的應(yīng)變卻并非是切向）的應(yīng)變卻并非是x，因此與直線段，因此與直線段上同樣長(zhǎng)度的微段所產(chǎn)生的電阻變化就不上同樣長(zhǎng)度的微段所產(chǎn)生的電阻變化就不相同，最明顯的在相同，最明顯的在=/2處微圓弧段上，處微圓弧段上，按泊松關(guān)系，在垂直方向上產(chǎn)生負(fù)的壓應(yīng)按泊松關(guān)系，在垂直方向上產(chǎn)生負(fù)的壓應(yīng)度度y，因此該段的電阻是減小的。而在圓，因此該段的電阻是減小的。而在圓弧的其它各段上，其軸向感受的應(yīng)變由弧的其它各段上，其軸向感受的應(yīng)變由

16、+x 變化到變化到-y。2、橫向效應(yīng)、橫向效應(yīng) 結(jié)結(jié)論：論： 1、將直的電阻絲繞成敏感柵之后，雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不、將直的電阻絲繞成敏感柵之后，雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，其靈敏系數(shù)降低了。這種現(xiàn)象稱橫向效應(yīng)。同，其靈敏系數(shù)降低了。這種現(xiàn)象稱橫向效應(yīng)。 2、當(dāng)實(shí)際使用應(yīng)變片時(shí)，使用條件與標(biāo)定靈敏系數(shù)、當(dāng)實(shí)際使用應(yīng)變片時(shí)，使用條件與標(biāo)定靈敏系數(shù)k時(shí)的標(biāo)定規(guī)則時(shí)的標(biāo)定規(guī)則不同時(shí)，實(shí)際不同時(shí)，實(shí)際k值要改變，由此可能產(chǎn)生較大測(cè)量誤差。值要改變，由此可能產(chǎn)生較大測(cè)量誤差。 3、為了減少橫向效應(yīng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差，一般多采用箔式應(yīng)變片，、為了減少橫向效應(yīng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差，一般多采用箔式應(yīng)變片，其圓弧部

17、分尺寸較柵絲尺寸大得多，電阻值較小，因而電阻變化量也就其圓弧部分尺寸較柵絲尺寸大得多，電阻值較小，因而電阻變化量也就小得多。小得多。 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器3、機(jī)械滯后、機(jī)械滯后 應(yīng)變片安裝在試件上應(yīng)變片安裝在試件上以后，在一定溫度下，其以后，在一定溫度下，其（R/R）的加載特性與的加載特性與卸載特性不重合，在同一機(jī)卸載特性不重合，在同一機(jī)械應(yīng)變值械應(yīng)變值g下，其對(duì)應(yīng)的下，其對(duì)應(yīng)的R/R值（相對(duì)應(yīng)的指示應(yīng)值（相對(duì)應(yīng)的指示應(yīng)變變i）不一致。加載特性曲）不一致。加載特性曲線與卸載特性曲線的最大差線與卸載特性曲線的最大差值值m稱應(yīng)變片的滯后。稱應(yīng)變片的滯后。 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感

18、器應(yīng)變式傳感器圖圖2-5 機(jī)械滯后機(jī)械滯后 機(jī)械滯后產(chǎn)生的原因：機(jī)械滯后產(chǎn)生的原因： 敏感柵、基底和粘合劑在承受機(jī)械應(yīng)變后所留下的殘余變形所造成的。敏感柵、基底和粘合劑在承受機(jī)械應(yīng)變后所留下的殘余變形所造成的。 減小措施：減小措施： 選用合適的粘合劑；在新安裝應(yīng)變片后，做三次以上的加卸載循環(huán)后選用合適的粘合劑；在新安裝應(yīng)變片后，做三次以上的加卸載循環(huán)后再正式測(cè)量。再正式測(cè)量。 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器4、零漂和蠕變、零漂和蠕變零漂：零漂： 粘貼在試件上的應(yīng)變片，在溫度保持恒定、不承受機(jī)械應(yīng)變時(shí)，其電阻粘貼在試件上的應(yīng)變片，在溫度保持恒定、不承受機(jī)械應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間而變化的特

19、性，稱為應(yīng)變片的零漂。值隨時(shí)間而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零漂。蠕變：蠕變： 如果在一定溫度下，使其承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間而變化的如果在一定溫度下，使其承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間而變化的特性，稱為應(yīng)變片的蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量變化的方向相反。特性，稱為應(yīng)變片的蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量變化的方向相反。說明：說明： 這兩項(xiàng)指標(biāo)都是用來衡量這兩項(xiàng)指標(biāo)都是用來衡量應(yīng)變片特性對(duì)時(shí)間的穩(wěn)定性應(yīng)變片特性對(duì)時(shí)間的穩(wěn)定性，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量中，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量中其意義更為突出。實(shí)際上，蠕變中即包含零漂，因?yàn)榱闫遣患虞d的情況，其意義更為突出。實(shí)際上，蠕變中即包含零漂，因?yàn)榱闫遣患虞d的情況

20、，它是加載情況的特例。它是加載情況的特例。 應(yīng)變片在制造過程中所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力、絲材、粘合劑、基底等的變化是應(yīng)變片在制造過程中所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力、絲材、粘合劑、基底等的變化是造成應(yīng)變片零漂和蠕變的因素。造成應(yīng)變片零漂和蠕變的因素。第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器5、應(yīng)變極限和疲勞壽命、應(yīng)變極限和疲勞壽命應(yīng)變極限：是指在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變應(yīng)變極限：是指在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變i對(duì)測(cè)試值的真對(duì)測(cè)試值的真實(shí)應(yīng)變實(shí)應(yīng)變g的相對(duì)誤差不超過規(guī)定范圍（一般為的相對(duì)誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10）時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變）時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變值值j。 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器圖圖2-6 應(yīng)變

21、極限應(yīng)變極限疲勞壽命：對(duì)于已安裝好的應(yīng)變片，在恒定幅值的交變力作用下，疲勞壽命：對(duì)于已安裝好的應(yīng)變片，在恒定幅值的交變力作用下，可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)N稱為應(yīng)變片的疲勞壽命。稱為應(yīng)變片的疲勞壽命。當(dāng)出現(xiàn)以下三種情況之一時(shí)，都認(rèn)為是疲勞損壞：當(dāng)出現(xiàn)以下三種情況之一時(shí)，都認(rèn)為是疲勞損壞：（1）應(yīng)變片的敏感柵或引線發(fā)生斷路；）應(yīng)變片的敏感柵或引線發(fā)生斷路；（2）應(yīng)變片輸出指示應(yīng)變的幅值變化）應(yīng)變片輸出指示應(yīng)變的幅值變化10；（3）應(yīng)變片輸出信號(hào)波形上出現(xiàn)穗狀尖峰。）應(yīng)變片輸出信號(hào)波形上出現(xiàn)穗狀尖峰。疲勞壽命反映了應(yīng)變片對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量的適應(yīng)性。疲勞

22、壽命反映了應(yīng)變片對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量的適應(yīng)性。 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器6、最大工作電流和絕緣電、最大工作電流和絕緣電阻阻最最大工作電流：是指允許通過應(yīng)變片而不影響其工作的最大電流值。大工作電流：是指允許通過應(yīng)變片而不影響其工作的最大電流值。選選擇時(shí)要考慮的因素：擇時(shí)要考慮的因素： 工工作電流大，應(yīng)變片輸出信號(hào)大，靈敏度高；作電流大，應(yīng)變片輸出信號(hào)大，靈敏度高； 但但過大的工作電流會(huì)使應(yīng)變片本身過熱，使靈敏系數(shù)變化，零漂、過大的工作電流會(huì)使應(yīng)變片本身過熱，使靈敏系數(shù)變化，零漂、蠕變?cè)黾樱踔涟褢?yīng)變片燒毀蠕變?cè)黾?，甚至把?yīng)變片燒毀。選選擇依據(jù)：擇依據(jù)：要要根據(jù)散熱條件而定，主要取決于敏感

23、柵的幾何形狀和尺寸、截面根據(jù)散熱條件而定，主要取決于敏感柵的幾何形狀和尺寸、截面的形狀和大小、基底的尺寸和材料、粘合劑的材料和厚度以及試件的散的形狀和大小、基底的尺寸和材料、粘合劑的材料和厚度以及試件的散熱性能等熱性能等。實(shí)實(shí)際選擇情況際選擇情況：通通常允許電流值在靜態(tài)測(cè)量時(shí)約取常允許電流值在靜態(tài)測(cè)量時(shí)約取25mA左右，動(dòng)態(tài)時(shí)可高一些，箔左右，動(dòng)態(tài)時(shí)可高一些，箔式應(yīng)變片可取更大一些。對(duì)于導(dǎo)熱性能差的試件，例如塑料、陶瓷、玻式應(yīng)變片可取更大一些。對(duì)于導(dǎo)熱性能差的試件，例如塑料、陶瓷、玻璃等，工作電流要取小些。璃等，工作電流要取小些。 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器絕緣電阻：絕緣電阻：是指

24、應(yīng)變片的引線與被測(cè)試件之間的電阻值。通常要求是指應(yīng)變片的引線與被測(cè)試件之間的電阻值。通常要求50M100M以上。以上。 幾點(diǎn)說明：幾點(diǎn)說明：絕緣電阻過低，會(huì)造成應(yīng)變片與試件之間漏電而產(chǎn)生測(cè)量誤差；絕緣電阻過低，會(huì)造成應(yīng)變片與試件之間漏電而產(chǎn)生測(cè)量誤差；如果應(yīng)變片受潮，絕緣電阻大大降低；如果應(yīng)變片受潮，絕緣電阻大大降低；應(yīng)變片絕緣電阻取決于粘合劑及基底材料的種類以及它們的固化工應(yīng)變片絕緣電阻取決于粘合劑及基底材料的種類以及它們的固化工藝；藝；基底與膠層愈厚，絕緣電阻愈大，但會(huì)使應(yīng)變片靈敏系數(shù)減小，蠕基底與膠層愈厚，絕緣電阻愈大，但會(huì)使應(yīng)變片靈敏系數(shù)減小，蠕變和滯后增加，因此基底與膠層不可太厚。變

25、和滯后增加，因此基底與膠層不可太厚。 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器7、應(yīng)變片的電阻值、應(yīng)變片的電阻值R 概念：應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力情況下，于室溫下測(cè)得的電概念：應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力情況下，于室溫下測(cè)得的電阻值，是使用應(yīng)變片時(shí)需知道的一個(gè)特性參數(shù)。阻值，是使用應(yīng)變片時(shí)需知道的一個(gè)特性參數(shù)。 目前常用的電阻系列，習(xí)慣上為目前常用的電阻系列，習(xí)慣上為60、120、200、350、500、1000，其中以其中以120最常用。最常用。第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器8、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性研究動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性時(shí)應(yīng)變片的測(cè)量對(duì)象：變化頻率較高的動(dòng)態(tài)應(yīng)研究動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性時(shí)應(yīng)變片的

26、測(cè)量對(duì)象：變化頻率較高的動(dòng)態(tài)應(yīng)變變 ，即應(yīng)變波。傳播速度與聲波相同，對(duì)于鋼材，即應(yīng)變波。傳播速度與聲波相同，對(duì)于鋼材v5000m/s 。應(yīng)變片反映的是應(yīng)變片敏感柵長(zhǎng)度各相應(yīng)點(diǎn)應(yīng)變量的平均值。應(yīng)變片反映的是應(yīng)變片敏感柵長(zhǎng)度各相應(yīng)點(diǎn)應(yīng)變量的平均值。第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器圖圖2-7 應(yīng)變波的響應(yīng)特性曲線應(yīng)變波的響應(yīng)特性曲線（1）平均應(yīng)變的最大值為：）平均應(yīng)變的最大值為：（2）應(yīng)變波幅測(cè)量的相對(duì)誤差為：）應(yīng)變波幅測(cè)量的相對(duì)誤差為：llxxlxxdxxxxpsin)2cos2(cos2)2sin(0120120211sin00llp第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器表表21給出了對(duì)于

27、鋼材給出了對(duì)于鋼材v5000m/s，取不同基長(zhǎng)，取不同基長(zhǎng)/l20時(shí)，不同基時(shí)，不同基長(zhǎng)應(yīng)變片的最高工作頻率。長(zhǎng)應(yīng)變片的最高工作頻率。 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器應(yīng)變片基長(zhǎng)應(yīng)變片基長(zhǎng)l(mm)1235101520最高工作頻率最高工作頻率f(kHz)25012583.3502516.612.5表表2-1某種鋼材不同基長(zhǎng)應(yīng)變片的最高工作頻率某種鋼材不同基長(zhǎng)應(yīng)變片的最高工作頻率 四、轉(zhuǎn)換電路四、轉(zhuǎn)換電路 電阻應(yīng)變片把機(jī)械應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化電阻應(yīng)變片把機(jī)械應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化R/R后，還要把后，還要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，便于電測(cè)儀表的測(cè)量。通常采用電電阻的變化轉(zhuǎn)換

28、成電壓或電流變化，便于電測(cè)儀表的測(cè)量。通常采用電橋電路實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。根據(jù)電源的不同，電橋分橋電路實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。根據(jù)電源的不同，電橋分直流電橋直流電橋和和交流電橋交流電橋。 （一）直流電橋（一）直流電橋1、工作原理、工作原理 四臂電橋如四臂電橋如a圖，應(yīng)變片阻值變化較小，可假定電源為電壓源，圖，應(yīng)變片阻值變化較小，可假定電源為電壓源，內(nèi)阻為零，流過負(fù)載內(nèi)阻為零，流過負(fù)載RL的電流如下：的電流如下：URRRRRRRRRRRRRRRRRILL)()()(2143432143214231第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器電橋平衡條件電橋平衡條件： 或或第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器1423

29、R RR R1234/RRRR圖圖2-8 直流電橋直流電橋應(yīng)變片阻值變化的獲取方法：應(yīng)變片阻值變化的獲取方法：偏轉(zhuǎn)法偏轉(zhuǎn)法用檢流計(jì)轉(zhuǎn)換為電流用檢流計(jì)轉(zhuǎn)換為電流IL的大小表示；的大小表示；零讀法零讀法用改變相鄰橋臂阻值的方法，使用改變相鄰橋臂阻值的方法，使IL恢復(fù)到零，然后根據(jù)相恢復(fù)到零，然后根據(jù)相鄰橋臂阻值的變化來確定應(yīng)變片的阻值變化。鄰橋臂阻值的變化來確定應(yīng)變片的阻值變化。 2、不平衡直流電橋的工作原理及靈敏度、不平衡直流電橋的工作原理及靈敏度當(dāng)電橋后面接放大器時(shí)，可以把電橋輸出端看成開路。電橋的輸出當(dāng)電橋后面接放大器時(shí)，可以把電橋輸出端看成開路。電橋的輸出式為：式為： 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式

30、傳感器應(yīng)變式傳感器14231234()()oR RR RUURRRR應(yīng)變片工作，電阻變化應(yīng)變片工作，電阻變化R ，不平衡電壓輸出值：，不平衡電壓輸出值： 設(shè)橋臂比設(shè)橋臂比nR2/R1,由于電橋初始平衡時(shí)有由于電橋初始平衡時(shí)有R2/R1R4/R3，略去分母中，略去分母中的的 R1/R1?？傻?。可得 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器4131214113(1)(1)oRRRRUURRRRRR121(1)oRnUUnR電橋靈敏度電橋靈敏度定義為定義為 ，可得單臂工作應(yīng)變片的電橋電壓靈敏度為，可得單臂工作應(yīng)變片的電橋電壓靈敏度為 討論：討論：ku與電橋電源電壓成正比，電源電壓的提高，受應(yīng)變片允許功

31、耗的限與電橋電源電壓成正比，電源電壓的提高，受應(yīng)變片允許功耗的限制。制。ku與橋臂比與橋臂比n有關(guān)。當(dāng)電橋電源電壓有關(guān)。當(dāng)電橋電源電壓U一定時(shí)，一定時(shí)，n應(yīng)取何值時(shí)，電橋靈應(yīng)取何值時(shí)，電橋靈敏度最高。敏度最高。取取dku/dn0時(shí)，時(shí)，ku為最大，得為最大，得(1-n)2/(1+n)40，所以，所以n1時(shí)，即時(shí)，即R1R2，R3R4時(shí)時(shí)ku為最大。為最大。當(dāng)當(dāng)n1時(shí)，得時(shí)，得第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器11/ouUkRR2(1)unkUn結(jié)論：結(jié)論：u當(dāng)電源電壓當(dāng)電源電壓U及電阻相對(duì)值一定時(shí)，電橋的輸出電壓及電壓靈敏度將及電阻相對(duì)值一定時(shí)，電橋的輸出電壓及電壓靈敏度將與各臂阻值的大小

32、無關(guān)。與各臂阻值的大小無關(guān)。n1時(shí)的電橋，稱時(shí)的電橋，稱對(duì)稱電橋?qū)ΨQ電橋，常采用這種電橋，常采用這種電橋的形式。的形式。u直流電橋的優(yōu)點(diǎn)是高穩(wěn)定度直流電源易于獲得，電橋調(diào)節(jié)平衡電路簡(jiǎn)直流電橋的優(yōu)點(diǎn)是高穩(wěn)定度直流電源易于獲得，電橋調(diào)節(jié)平衡電路簡(jiǎn)單，傳感器及測(cè)量電路分布參數(shù)影響小，在測(cè)量中常用直流電橋。單，傳感器及測(cè)量電路分布參數(shù)影響小，在測(cè)量中常用直流電橋。第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器4uUk 114oRUUR（二）電橋的非線性誤差（二）電橋的非線性誤差 實(shí)實(shí)際表達(dá)式如下際表達(dá)式如下： 則則非線性誤差為：非線性誤差為：第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器1111(1)(1)oRnRU

33、URnnR11111ooLoRUURRUnR對(duì)于對(duì)稱電橋，對(duì)于對(duì)稱電橋，n=1，則非線性誤差為，則非線性誤差為略去高階量，得略去高階量，得第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器1111212LRRRR112LRR結(jié)論：結(jié)論：非線性誤差非線性誤差L與與R1/R1成正比；成正比；對(duì)金屬電阻絲應(yīng)變片，因?yàn)閷?duì)金屬電阻絲應(yīng)變片，因?yàn)镽非常小，電橋非線性誤差可以忽略；非常小，電橋非線性誤差可以忽略；對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)變片，因?yàn)殪`敏度比金屬絲式大得多，受應(yīng)變時(shí)對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)變片，因?yàn)殪`敏度比金屬絲式大得多，受應(yīng)變時(shí)R很大，很大，非線性誤差將不可忽略。非線性誤差將不可忽略。減小非線性誤差的措施：減小非線性誤差的措施：（1

34、）差動(dòng)電橋）差動(dòng)電橋 （圖（圖2-9）圖圖2-9a為雙臂差動(dòng)電橋，其輸出電壓：為雙臂差動(dòng)電橋，其輸出電壓：第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器311112234oRRRUURRRRRR設(shè)初始時(shí)為設(shè)初始時(shí)為R1R2R3R4=R，R1R2=R，則上式可簡(jiǎn)化為，則上式可簡(jiǎn)化為 結(jié)論：結(jié)論：輸出電壓輸出電壓U0與與R/R成嚴(yán)格的線性關(guān)系；成嚴(yán)格的線性關(guān)系；電橋靈敏度比單臂時(shí)提高一倍；電橋靈敏度比單臂時(shí)提高一倍；此外還具有溫度補(bǔ)償作用。此外還具有溫度補(bǔ)償作用。 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器2oURUR圖圖2-9b為四臂差動(dòng)電橋，其輸出電壓：為四臂差動(dòng)電橋，其輸出電壓：oRUUR第一節(jié)第一節(jié)

35、應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器a) b)圖圖2-9 差動(dòng)電橋差動(dòng)電橋（2）恒流源電橋）恒流源電橋 供電電流為供電電流為I，通過各臂的電流為，通過各臂的電流為I1和和I2，R1=0時(shí)：時(shí)： 1221234RRIIRRRR3411234RRIIRRRR142311231234oR RR RUI RI RIRRRR第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器若電橋初始處于平衡狀態(tài)，而且若電橋初始處于平衡狀態(tài)，而且R1R2R3R4=R當(dāng)?shù)谝槐垭娮璁?dāng)?shù)谝槐垭娮鑂1變?yōu)樽優(yōu)?RR時(shí)，電橋輸出電壓為時(shí)，電橋輸出電壓為結(jié)結(jié)論：與恒流源相比，非線性誤差減小論：與恒流源相比，非線性誤差減小1/2。 144 1 (/ 4 )o

36、R RRUIIRRRR 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器（二）交流電橋（二）交流電橋1、交流電橋平衡條件、交流電橋平衡條件 交交流電橋的一般形式如圖流電橋的一般形式如圖2-11（a）,Z1、Z2、Z3、Z4為復(fù)阻抗，為復(fù)阻抗，U為為交流電壓源，開路輸出電壓為交流電壓源，開路輸出電壓為U0。其電壓輸出為。其電壓輸出為平平衡條件：衡條件： 或或 14231234()()oZ ZZ ZUUZZZZ14230Z ZZ Z1234/ZZZZ第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器a) b)圖圖2-11 交流電橋交流電橋設(shè)各臂阻抗為設(shè)各臂阻抗為 代入式得交流電橋平

37、衡條件代入式得交流電橋平衡條件 ： 12341111222233334444jjjjZrjxZ eZrjxZ eZrjxZ eZrjxZ e14231423ZZZZ第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器2、交流電橋的輸出特性及預(yù)平衡調(diào)節(jié)、交流電橋的輸出特性及預(yù)平衡調(diào)節(jié)l單臂電橋的情況：設(shè)交流電橋的初始狀態(tài)是平衡的，當(dāng)工作應(yīng)變片單臂電橋的情況：設(shè)交流電橋的初始狀態(tài)是平衡的，當(dāng)工作應(yīng)變片R1改變改變R1后，使后，使Z1變化了變化了Z1，根可根可得得略略去分母中去分母中Z1項(xiàng)得項(xiàng)得4131214113(1)(1)oZZZZUUZZZZZZ114oZUUZ第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器考慮導(dǎo)線

38、寄生電容考慮導(dǎo)線寄生電容C1的存在的存在討論討論 ：當(dāng)導(dǎo)線電容很小，電源頻率不高時(shí)，當(dāng)導(dǎo)線電容很小，電源頻率不高時(shí)， Z1=R1，Z1= R1交流電橋仍可交流電橋仍可看作純電阻電橋看作純電阻電橋。11111RZj RC11111211111111()1(1)RRRRZjRR Cj RCj RC第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器l雙臂電橋的情況雙臂電橋的情況：C2亦為應(yīng)變片導(dǎo)線或電纜分布電容。亦為應(yīng)變片導(dǎo)線或電纜分布電容。Z3R3，Z4R4，Z1R1/(1+jR1C1), Z2=R2/(1+jR2C2)，可，可求出求出 ： 整理可得該交流電橋的平衡條件為整理可得該交流電橋的平衡條件為 此種交

39、流電橋，既要滿足電阻平衡條件，還要滿足電容平衡條件。此種交流電橋，既要滿足電阻平衡條件，還要滿足電容平衡條件。實(shí)際上，由于應(yīng)變片粘貼、引線等引起初始阻抗的不相等，為此，一般實(shí)際上，由于應(yīng)變片粘貼、引線等引起初始阻抗的不相等，為此，一般要設(shè)置預(yù)調(diào)平衡線要設(shè)置預(yù)調(diào)平衡線路。路。 及及 或或 34314212RRj R Cj R CRR2143/RRRR2112/RRCC1122RCR C第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器五、溫度誤差及其補(bǔ)償五、溫度誤差及其補(bǔ)償溫度變化溫度變化電阻變化電阻變化測(cè)量誤差測(cè)量誤差（一）溫度誤差（一）溫度誤差 1、敏感柵電阻隨溫度變化引起的誤差。、敏感柵電阻隨溫度變化

40、引起的誤差。t敏感柵材料電阻溫度系數(shù)。敏感柵材料電阻溫度系數(shù)。1()ttRtR第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器2、試件材料的線膨脹引起的誤差、試件材料的線膨脹引起的誤差g試件材料的膨脹系數(shù)；試件材料的膨脹系數(shù)；s敏感柵材料的膨脹系數(shù)。敏感柵材料的膨脹系數(shù)。溫度變化形成的總電阻相對(duì)變化：溫度變化形成的總電阻相對(duì)變化：熱輸出：熱輸出：2()()tgsRktR()tgsRtktR ()/()ttgsRkttRk 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器（一）溫度補(bǔ)償（一）溫度補(bǔ)償1、自補(bǔ)償法、自補(bǔ)償法n單絲自補(bǔ)償單絲自補(bǔ)償實(shí)際操作：對(duì)于給定的試件材料和選定的錳白銅或鎳鉻鋁合金柵絲實(shí)際操作：對(duì)于給

41、定的試件材料和選定的錳白銅或鎳鉻鋁合金柵絲（g、s 及及k均已給定），適當(dāng)?shù)倪x擇或控制、調(diào)整柵絲溫度系數(shù)均已給定），適當(dāng)?shù)倪x擇或控制、調(diào)整柵絲溫度系數(shù)t，如，如以不同的熱處理規(guī)范控制柵絲溫度系數(shù)。以不同的熱處理規(guī)范控制柵絲溫度系數(shù)。錳白銅溫度系數(shù)與退火溫度的關(guān)系如下圖。錳白銅溫度系數(shù)與退火溫度的關(guān)系如下圖。()tgsk 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 計(jì)算實(shí)例：計(jì)算實(shí)例： 試件為不銹鋼，其試件為不銹鋼，其 g 14106； 敏感柵選用錳白銅絲，敏感柵選用錳白銅絲， s 15106，k2，要滿足溫度自補(bǔ)償條件，要滿足溫度自補(bǔ)償條件，按上式可求出按上式可求出t 2106，錳白銅絲退火溫度應(yīng)

42、為，錳白銅絲退火溫度應(yīng)為380。 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器圖圖2-11 錳白銅絲溫度系數(shù)與退火溫度的關(guān)系曲線錳白銅絲溫度系數(shù)與退火溫度的關(guān)系曲線n組合式自補(bǔ)償組合式自補(bǔ)償方式一：兩種敏感絲的電阻溫度系數(shù)符號(hào)不同；方式一：兩種敏感絲的電阻溫度系數(shù)符號(hào)不同；方式二：兩種敏感絲的電阻溫度系數(shù)符號(hào)相同，引出后接于相鄰橋臂。方式二：兩種敏感絲的電阻溫度系數(shù)符號(hào)相同，引出后接于相鄰橋臂。 12221211()()(/)/(/)ttRRRRRRRR 11222121() /() /()()()ttBtBtRRRRRRRRRR 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變

43、式傳感器圖圖2-13 組合式自補(bǔ)償法之一組合式自補(bǔ)償法之一 圖圖2-14 組合式自補(bǔ)償法之二組合式自補(bǔ)償法之二2、電橋補(bǔ)償法、電橋補(bǔ)償法方式一：圖方式一：圖2-15，工作應(yīng)變片，工作應(yīng)變片R1安裝在被測(cè)試件上，另選一個(gè)其特安裝在被測(cè)試件上，另選一個(gè)其特性與性與R1相同的補(bǔ)償片相同的補(bǔ)償片RB，安裝在材料與試件相同的某補(bǔ)償件上，溫度與，安裝在材料與試件相同的某補(bǔ)償件上，溫度與試件相同，但不承受應(yīng)變。試件相同，但不承受應(yīng)變。R1與與RB接入電橋相鄰臂上，造成接入電橋相鄰臂上，造成R1t與與RBt相同，根據(jù)電橋理論可知，其輸出電壓相同，根據(jù)電橋理論可知，其輸出電壓U0與溫度變化無關(guān)。與溫度變化無關(guān)。

44、方式二：圖方式二：圖2-16，測(cè)量梁的彎曲應(yīng)變時(shí)，將兩個(gè)應(yīng)變片分貼于上下，測(cè)量梁的彎曲應(yīng)變時(shí)，將兩個(gè)應(yīng)變片分貼于上下兩面對(duì)稱位置，兩面對(duì)稱位置，R1與與RB特性相同，所以二電阻變化值相同而符號(hào)相反。特性相同，所以二電阻變化值相同而符號(hào)相反。當(dāng)梁上下面溫度一致，當(dāng)梁上下面溫度一致，RB與與R1可起溫度補(bǔ)償作用?？善饻囟妊a(bǔ)償作用。方式三：熱敏電阻補(bǔ)償法。方式三：熱敏電阻補(bǔ)償法。第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器圖圖2-16 差動(dòng)電橋補(bǔ)償法差動(dòng)電橋補(bǔ)償法第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器圖圖2-15 電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法圖圖2-17 熱敏電阻補(bǔ)償法熱敏電阻補(bǔ)償法六、應(yīng)變式傳感器舉例六、應(yīng)變式

45、傳感器舉例（一）應(yīng)變式力傳感器（一）應(yīng)變式力傳感器1、柱式力傳感器、柱式力傳感器圓柱式力傳感器的彈性元件分實(shí)心和空心。應(yīng)變片粘貼在彈性體外壁圓柱式力傳感器的彈性元件分實(shí)心和空心。應(yīng)變片粘貼在彈性體外壁應(yīng)力均勻的中間部分，并均勻?qū)ΨQ地粘貼多片。應(yīng)力均勻的中間部分，并均勻?qū)ΨQ地粘貼多片。高度要求：實(shí)心圓柱，一般取高度要求：實(shí)心圓柱，一般取H2Dl；空心圓柱一般??；空心圓柱一般取HDdl。貼片在圓柱面上的展開位置及其在橋路中的連接，如圖貼片在圓柱面上的展開位置及其在橋路中的連接，如圖220所示，其所示，其特點(diǎn)是特點(diǎn)是R1、R3串聯(lián)，串聯(lián)，R2、R4串聯(lián)并置于相對(duì)位置的臂上，以減少彎矩的串聯(lián)并置于相對(duì)

46、位置的臂上，以減少彎矩的影響。橫向貼片作溫度補(bǔ)償用。影響。橫向貼片作溫度補(bǔ)償用。柱式力傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以測(cè)量大的拉壓力，最大可達(dá)柱式力傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以測(cè)量大的拉壓力，最大可達(dá)107N。在。在測(cè)測(cè)103105N時(shí)，為了提高變換靈敏度和抗橫向干擾，一般采用空心圓柱時(shí)，為了提高變換靈敏度和抗橫向干擾，一般采用空心圓柱式結(jié)構(gòu)。式結(jié)構(gòu)。第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器圖圖2-18 圓柱式力傳感器圓柱式力傳感器 圖圖2-19 圓柱面展開及電橋圓柱面展開及電橋2、薄臂圓環(huán)式力傳感器、薄臂圓環(huán)式力傳感器特特點(diǎn)：施加外力后，各點(diǎn)點(diǎn)：施加外力后，各點(diǎn)的應(yīng)力差別

47、較大，彎矩分布圖見的應(yīng)力差別較大，彎矩分布圖見圖圖220。 薄薄壁的厚度為壁的厚度為h，外徑為，外徑為r，寬度為寬度為b，對(duì)于，對(duì)于r/h5的曲率圓環(huán)，的曲率圓環(huán)，在載荷在載荷F作用下，作用下， A、B兩點(diǎn)的應(yīng)兩點(diǎn)的應(yīng)變可用下式計(jì)算變可用下式計(jì)算 :221.09/()1.91/()ABFrbh EFrbh E 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 a) b)圖圖2-20 薄壁圓環(huán)式力傳感器原理薄壁圓環(huán)式力傳感器原理3、梁式力傳感器、梁式力傳感器l 等強(qiáng)度梁：等強(qiáng)度梁：力力F作用于梁端三角形頂點(diǎn)上，梁內(nèi)各斷面產(chǎn)生的應(yīng)力相作用于梁端三角形頂點(diǎn)上，梁內(nèi)各斷面產(chǎn)生的應(yīng)力相等，表面上的應(yīng)變也相等，故對(duì)

48、在等，表面上的應(yīng)變也相等，故對(duì)在l方向上粘貼應(yīng)變片位置要求不嚴(yán)。方向上粘貼應(yīng)變片位置要求不嚴(yán)。l等截面梁：等截面梁：其特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工，靈敏度高。適合于測(cè)其特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工，靈敏度高。適合于測(cè)5000N以以下的載荷，也可以測(cè)量小的壓力。但是因表面沿下的載荷，也可以測(cè)量小的壓力。但是因表面沿l方向各點(diǎn)的力分布不等，方向各點(diǎn)的力分布不等，對(duì)四個(gè)（或兩個(gè)）貼片的位置要對(duì)稱。對(duì)四個(gè)（或兩個(gè)）貼片的位置要對(duì)稱。 l雙孔梁：雙孔梁：多用于小量程，如工業(yè)電子稱和商業(yè)電子稱。多用于小量程，如工業(yè)電子稱和商業(yè)電子稱。 l“S”形彈性元件：形彈性元件：適用于較小載荷。適用于較小載荷。 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)

49、變式傳感器應(yīng)變式傳感器第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器圖圖2-21 梁式力傳感器梁式力傳感器4、輪輻式剪切力傳感器、輪輻式剪切力傳感器 外外加載荷作用在輪的頂部和輪圈底部加載荷作用在輪的頂部和輪圈底部,輪輻上受到純剪切力輪輻上受到純剪切力。每條。每條輪輻上的剪切力和外加力輪輻上的剪切力和外加力P成正比。成正比。 當(dāng)當(dāng)外加力作用點(diǎn)發(fā)生偏移時(shí)，外加力作用點(diǎn)發(fā)生偏移時(shí)，一面的剪切力減小，一面增加一面的剪切力減小，一面增加，其絕，其絕對(duì)值之和仍然是不變的常數(shù)。對(duì)值之和仍然是不變的常數(shù)。 應(yīng)應(yīng)變片（變片（8片）的貼法和連接電橋如圖所示?？梢韵┑馁N法和連接電橋如圖所示?？梢韵d荷偏心載荷偏心

50、和和側(cè)向力側(cè)向力對(duì)輸出對(duì)輸出的影響。的影響。 這這是一種較新型的力傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是是一種較新型的力傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是精度高、滯后小、重復(fù)性及精度高、滯后小、重復(fù)性及線性度好、抗偏載能力強(qiáng)、尺寸小、重量輕線性度好、抗偏載能力強(qiáng)、尺寸小、重量輕。第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器圖圖2-22 輪輻式力傳感器輪輻式力傳感器（二）應(yīng)變式壓力傳感器（二）應(yīng)變式壓力傳感器1、膜片式壓力傳感器、膜片式壓力傳感器 彈性元件為周邊固定的彈性元件為周邊固定的圓薄膜片圓薄膜片，在，在壓力壓力P作用下，膜片上各點(diǎn)的徑向應(yīng)變作用下，膜片上各點(diǎn)的徑向應(yīng)變r(jià)和和切向應(yīng)變切向應(yīng)變t的表

51、示式：的表示式：；222222311833183xrhpxrhptr第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器圖圖2-23 膜片式壓力傳感器膜片式壓力傳感器討論：討論：適當(dāng)粘貼應(yīng)變片，如圖所示，使粘貼在適當(dāng)粘貼應(yīng)變片，如圖所示，使粘貼在 r 0.635r區(qū)域的徑向應(yīng)變區(qū)域的徑向應(yīng)變片片R1 、 R4 感受的應(yīng)變與粘貼在感受的應(yīng)變與粘貼在r 0.635r內(nèi)的切向應(yīng)變片內(nèi)的切向應(yīng)變片R2 、R3 感感受的應(yīng)變相等，它們的極性相反，這樣便于接成差動(dòng)電橋。受的應(yīng)變相等，它們的極性相反，這樣便于接成差動(dòng)電橋。 R1、R4測(cè)量徑向應(yīng)變測(cè)量徑向應(yīng)變r(jià)（負(fù)），（負(fù)），R2、R3測(cè)量切向應(yīng)變測(cè)量切向應(yīng)變t（正），（

52、正），四個(gè)應(yīng)變片組成全橋，即可增大傳感器的靈敏度，又起到溫度補(bǔ)償四個(gè)應(yīng)變片組成全橋，即可增大傳感器的靈敏度，又起到溫度補(bǔ)償作用。作用。 這類傳感器一般可測(cè)量這類傳感器一般可測(cè)量105106 Pa的壓力。的壓力。第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器2、筒式壓力傳感器、筒式壓力傳感器l工作原理：工作原理：圖圖2-24(a)所示所示, 圓柱體內(nèi)圓柱體內(nèi)有一盲孔，一端有法蘭盤與被測(cè)系統(tǒng)有一盲孔，一端有法蘭盤與被測(cè)系統(tǒng)連接。被測(cè)壓力連接。被測(cè)壓力P作用于筒內(nèi)壁時(shí)，筒作用于筒內(nèi)壁時(shí)，筒體的空心部分的外表面產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)變體的空心部分的外表面產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)變 ；l應(yīng)變片的粘貼：應(yīng)變片的粘貼：圖圖2-24(b)表示

53、貼片表示貼片方向，方向，R2不產(chǎn)生應(yīng)變，只作溫度補(bǔ)償不產(chǎn)生應(yīng)變，只作溫度補(bǔ)償用。圖用。圖2-24(c)是沒有端部的形式，則是沒有端部的形式，則R1和和R2垂直粘貼，垂直粘貼，R2作溫度補(bǔ)償用。作溫度補(bǔ)償用。l主要應(yīng)用：主要應(yīng)用：這類傳感器可用來測(cè)量這類傳感器可用來測(cè)量機(jī)床液壓系統(tǒng)的壓力（機(jī)床液壓系統(tǒng)的壓力（106107Pa），），也 可 用 來 測(cè) 量 槍 炮 的 膛 內(nèi) 壓 力也 可 用 來 測(cè) 量 槍 炮 的 膛 內(nèi) 壓 力（108Pa）。）。第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器圖圖2-24 筒式壓力傳感器筒式壓力傳感器（三）應(yīng)變式加速度傳感器（三）應(yīng)變式加速度傳感器第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式

54、傳感器應(yīng)變式傳感器圖圖2-25 應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器1質(zhì)量塊質(zhì)量塊 2應(yīng)變梁應(yīng)變梁 3硅油阻尼液硅油阻尼液 4應(yīng)變片應(yīng)變片 5溫度補(bǔ)償電阻溫度補(bǔ)償電阻6絕緣套管絕緣套管 7接線柱接線柱 8電纜電纜 9壓線柱壓線柱 10殼體殼體 11限位塊限位塊（三）應(yīng)變式加速度傳感器（三）應(yīng)變式加速度傳感器第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器圖圖2-26 應(yīng)變式扭力傳感器應(yīng)變式扭力傳感器受拉應(yīng)變片受拉應(yīng)變片受壓應(yīng)變片受壓應(yīng)變片4545扭力軸扭力軸壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)：固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱：固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)。為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材

55、料的壓阻效應(yīng)特別強(qiáng)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別強(qiáng)。壓阻式傳感器的類型：壓阻式傳感器的類型：利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成的利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成的粘貼式應(yīng)變片傳感器粘貼式應(yīng)變片傳感器；擴(kuò)散型壓阻傳感器。擴(kuò)散型壓阻傳感器。壓阻式傳感器的特點(diǎn)及用途：壓阻式傳感器的特點(diǎn)及用途： 靈敏系數(shù)大，分辨率高。頻率響應(yīng)高，體積小。它主要用于測(cè)量靈敏系數(shù)大，分辨率高。頻率響應(yīng)高，體積小。它主要用于測(cè)量壓力、加速度和載荷壓力、加速度和載荷參數(shù)。參數(shù)。第二節(jié)第二節(jié) 壓阻式傳感器壓阻式傳感器第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器一、基本工作原理一、基本工作原理llRR21llRR21llEell對(duì)半導(dǎo)體材料對(duì)半導(dǎo)體材料對(duì)

56、金屬材料對(duì)金屬材料電阻相對(duì)變化量電阻相對(duì)變化量第二節(jié)第二節(jié) 壓阻式傳感器壓阻式傳感器式中式中 l沿某晶向的壓阻系數(shù)；沿某晶向的壓阻系數(shù)； Ee半導(dǎo)體材料的彈性模量；半導(dǎo)體材料的彈性模量； 應(yīng)力；應(yīng)力；二、溫度誤差及其補(bǔ)償二、溫度誤差及其補(bǔ)償n 半導(dǎo)體材料對(duì)溫度比較敏感半導(dǎo)體材料對(duì)溫度比較敏感，壓，壓阻式傳感器的阻式傳感器的電阻值電阻值及及靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)隨溫度變化而變化，將引起零漂隨溫度變化而變化，將引起零漂和靈敏度漂移。和靈敏度漂移。n 圖圖2-27表示不同雜質(zhì)濃度，表示不同雜質(zhì)濃度，P型硅型硅的壓阻系數(shù)的壓阻系數(shù)44與溫度的關(guān)系。與溫度的關(guān)系。n 結(jié)論：結(jié)論：摻雜濃度高，溫度系數(shù)很摻雜濃度

57、高，溫度系數(shù)很小，但壓阻系數(shù)過低，故不采用小，但壓阻系數(shù)過低，故不采用高摻雜辦法降低溫度誤差。高摻雜辦法降低溫度誤差。第二節(jié)第二節(jié) 壓阻式傳感器壓阻式傳感器圖圖2-27 不同摻雜濃度不同摻雜濃度PSi 44與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系n壓阻式傳感器一般壓阻式傳感器一般擴(kuò)散四個(gè)電阻擴(kuò)散四個(gè)電阻，并接入電橋。當(dāng)四個(gè)擴(kuò)散電阻，并接入電橋。當(dāng)四個(gè)擴(kuò)散電阻阻阻值值相等或相差不大，溫度系數(shù)也一樣，則電橋零漂和靈敏度漂移會(huì)很小，相等或相差不大，溫度系數(shù)也一樣，則電橋零漂和靈敏度漂移會(huì)很小，但工藝上很難實(shí)現(xiàn)。故常采用補(bǔ)償措施：但工藝上很難實(shí)現(xiàn)。故常采用補(bǔ)償措施：（1）零位溫漂補(bǔ)償：）零位溫漂補(bǔ)償：串并聯(lián)電阻。如圖

58、所示。其中，串并聯(lián)電阻。如圖所示。其中，RS是串聯(lián)電阻；是串聯(lián)電阻；RP是并聯(lián)電阻。串聯(lián)電阻主要起調(diào)零作用；并聯(lián)電阻主要起補(bǔ)償作用。是并聯(lián)電阻。串聯(lián)電阻主要起調(diào)零作用；并聯(lián)電阻主要起補(bǔ)償作用。 補(bǔ)補(bǔ)償原理如下：償原理如下： 由于零點(diǎn)漂移，導(dǎo)致由于零點(diǎn)漂移，導(dǎo)致B、D兩點(diǎn)電位不等，譬如，兩點(diǎn)電位不等，譬如，當(dāng)溫度升高時(shí)，當(dāng)溫度升高時(shí)，R2的增加比較大，的增加比較大，使使D點(diǎn)電位低于點(diǎn)電位低于B點(diǎn)，點(diǎn)，B、D兩點(diǎn)的電位差即為零位漂兩點(diǎn)的電位差即為零位漂移。要消除移。要消除B、D兩點(diǎn)的電位差，最簡(jiǎn)單的辦法是在兩點(diǎn)的電位差，最簡(jiǎn)單的辦法是在R2上上并聯(lián)一個(gè)溫度系并聯(lián)一個(gè)溫度系數(shù)為負(fù)、阻值較大的電阻數(shù)為

59、負(fù)、阻值較大的電阻RP，用來約束，用來約束R2的變化。這樣，當(dāng)溫度變化時(shí)，的變化。這樣，當(dāng)溫度變化時(shí)，可減小可減小B、D點(diǎn)之間的電位差，以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。點(diǎn)之間的電位差，以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。第二?jié)第二節(jié) 壓阻式傳感器壓阻式傳感器第二節(jié)第二節(jié) 壓阻式傳感器壓阻式傳感器圖圖2-28 溫度誤差補(bǔ)償溫度誤差補(bǔ)償（2）靈敏度溫漂補(bǔ)償：）靈敏度溫漂補(bǔ)償： 采用在電源回路中串聯(lián)二極管的方法。采用在電源回路中串聯(lián)二極管的方法。溫度升高時(shí)，因?yàn)殪`敏度降溫度升高時(shí)，因?yàn)殪`敏度降低，這時(shí)如果提高電橋的電源電壓，使電橋的輸出適當(dāng)增大，便可以達(dá)低，這時(shí)如果提高電橋的電源電壓，使電橋的輸出適當(dāng)增大，便可以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。?/p>

60、補(bǔ)償?shù)哪康摹?因?yàn)槎O管因?yàn)槎O管PN結(jié)的溫度特性為負(fù)值，溫度每升高結(jié)的溫度特性為負(fù)值，溫度每升高1時(shí)，正向壓降時(shí)，正向壓降約減小約減小(1.92.4)mV。將適當(dāng)數(shù)量的二極管串聯(lián)在電橋的電源回路中，。將適當(dāng)數(shù)量的二極管串聯(lián)在電橋的電源回路中，見圖。電源采用恒壓源，當(dāng)溫度升高時(shí)，二極管的正向壓降減小，于是見圖。電源采用恒壓源，當(dāng)溫度升高時(shí)，二極管的正向壓降減小，于是電橋的橋壓增加，使其輸出增大。只要計(jì)算出所需二極管的個(gè)數(shù)，將其電橋的橋壓增加，使其輸出增大。只要計(jì)算出所需二極管的個(gè)數(shù)，將其串入電橋電源回路，便可以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。串入電橋電源回路，便可以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?第二節(jié)第二節(jié) 壓阻式傳感器