檢測(cè)技術(shù)—第二章 電阻式傳感器

1、 第二章第二章 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器本章講解兩部分內(nèi)容：2.2 應(yīng)變式傳感器（金屬應(yīng)變片式）2.3 固態(tài)壓阻式傳感器（半導(dǎo)體應(yīng)變片式）電子秤電子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)距離顯示顯示人體秤人體秤 + +- - DCDC + +6V6V + +R R A A 實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)一 金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻與其電阻率及體的電阻與其電阻率及幾何尺寸（長(zhǎng)度、面積）幾何尺寸（長(zhǎng)度、面積）有關(guān)，當(dāng)其受到外力作有關(guān)，當(dāng)其受到外力作用時(shí)，這些參數(shù)發(fā)生變用時(shí)，這些參數(shù)發(fā)生變化，因而引起其的電阻化，因而引起其的電阻的變化，進(jìn)而引起電流的變化，進(jìn)而引起電流的變化。的變化。 金屬導(dǎo)體或半

2、導(dǎo)體在受金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，其電阻也將隨之發(fā)生變應(yīng)變，其電阻也將隨之發(fā)生變化。化。K電流電流: : 大大小小施加力施加力F F?RK K接通時(shí)接通時(shí)安培表指示安培表指示安培表變化安培表變化電阻：小電阻：小 大大讓我們來(lái)做個(gè)應(yīng)變效讓我們來(lái)做個(gè)應(yīng)變效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)Go!Go!2.2 2.2 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片將將應(yīng)變應(yīng)變轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電阻電阻變化的傳感器。傳感器由在彈性元件變化的傳感器。傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。 當(dāng)被測(cè)物

3、理量作用在當(dāng)被測(cè)物理量作用在彈性元件彈性元件上時(shí)上時(shí), , 彈性元彈性元件的件的變形變形引起應(yīng)變引起應(yīng)變敏感元件敏感元件的的阻值阻值變化變化, , 通過(guò)通過(guò)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換電路換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出將其轉(zhuǎn)變成電量輸出, , 電量變化的大小反電量變化的大小反映了被測(cè)物理量的大小。映了被測(cè)物理量的大小。 應(yīng)變式電阻傳感器是目前測(cè)量力、力矩、應(yīng)變式電阻傳感器是目前測(cè)量力、力矩、 壓壓力、加速度、重量等參數(shù)應(yīng)用最廣泛的傳感器。力、加速度、重量等參數(shù)應(yīng)用最廣泛的傳感器。應(yīng)力和應(yīng)變 應(yīng)力：截面積為A的物體收到外力F的作用并處于平衡態(tài)時(shí)，物體在單位面積上引起的內(nèi)力，其值為AF 應(yīng)變：物體受外力作用是產(chǎn)生的相對(duì)變形，

4、是一個(gè)無(wú)量綱的物理量 設(shè)物體原長(zhǎng)度為l，受力后產(chǎn)生l，則其軸向應(yīng)變?yōu)閘l若物體原半徑為r，受力后產(chǎn)生r的變形，其徑向應(yīng)變?yōu)閞rr軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系為：r2.2.1 2.2.1 工作原理工作原理 電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)。即在導(dǎo)體。即在導(dǎo)體產(chǎn)生產(chǎn)生機(jī)械變形機(jī)械變形時(shí)時(shí), 它的它的電阻值電阻值相應(yīng)發(fā)生相應(yīng)發(fā)生變化變化。 一、一、 應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)一根金屬電阻絲一根金屬電阻絲, 在其未受力時(shí)在其未受力時(shí), 原始電阻值為原始電阻值為ALR.FlrrlF 當(dāng)電阻絲受到拉力當(dāng)電阻絲受到拉力F F作用時(shí)，將伸長(zhǎng)作用時(shí)，將伸長(zhǎng)l，橫截面積相，橫截面積相應(yīng)減小應(yīng)

5、減小A A，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了變了d d，從而引起電阻值相對(duì)變化量為，從而引起電阻值相對(duì)變化量為dAdAldlRdR式中：式中：dl/l長(zhǎng)度相對(duì)變化量，用應(yīng)變長(zhǎng)度相對(duì)變化量，用應(yīng)變表示為表示為 ldl dA/A圓形電阻絲的截面積相對(duì)變化量，圓形電阻絲的截面積相對(duì)變化量， 設(shè)設(shè) r為電阻絲的半徑，微分后可得為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2r dr， 由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時(shí)，沿軸向伸長(zhǎng)，時(shí)，沿軸向伸長(zhǎng)， 沿徑向縮短，沿徑向縮短， 令令dl/l=為金屬電阻為金屬電阻絲的軸

6、向應(yīng)變，那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表絲的軸向應(yīng)變，那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為示為ldlrdr式中式中, 為電阻絲材料的泊松比，為電阻絲材料的泊松比， 負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。 因此電阻的相對(duì)變化量為：因此電阻的相對(duì)變化量為：)21 (RR 通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱(chēng)為電阻絲的通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱(chēng)為電阻絲的靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)。 其物理意義是其物理意義是單位應(yīng)變單位應(yīng)變所引起的所引起的電阻相對(duì)電阻相對(duì)變化量變化量，其表達(dá)式為，其表達(dá)式為二、二、 靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)dRdRK21 靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)K受兩個(gè)因素影響：受兩個(gè)因素影響： 一個(gè)是應(yīng)變片

7、受力后材料一個(gè)是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸幾何尺寸的變化，的變化， 即（即（1+2）； 另一個(gè)是應(yīng)變片受力后材料的另一個(gè)是應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化電阻率發(fā)生的變化， 即（即（d/）/。 2.2.2 2.2.2 應(yīng)變片的種類(lèi)、材料及粘貼應(yīng)變片的種類(lèi)、材料及粘貼一一 金屬電阻應(yīng)變片的種類(lèi)金屬電阻應(yīng)變片的種類(lèi) 金屬應(yīng)變片由敏感柵、金屬應(yīng)變片由敏感柵、 基片、基片、 覆蓋層和引線等部分組成。覆蓋層和引線等部分組成。引 線覆 蓋 層基 片電 阻 絲 式 敏 感 柵lb金屬電阻絲式應(yīng)變片實(shí)物圖金屬電阻絲式應(yīng)變片實(shí)物圖金屬箔式應(yīng)變片實(shí)物圖金屬箔式應(yīng)變片實(shí)物圖二、二、 金屬電阻應(yīng)變片的材料金屬電阻應(yīng)變

8、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；中具有較大的電阻值； 電阻溫度系數(shù)小；電阻溫度系數(shù)??； 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)??； 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。2.2.3 2.2.3 電阻應(yīng)變片的特性電阻應(yīng)變片的特性 1.靈敏系數(shù)靈敏系數(shù) 當(dāng)具有初始電阻值當(dāng)具有初始電阻值R的應(yīng)變片

9、粘貼于試件表面，試件的應(yīng)變片粘貼于試件表面，試件受力引起的表面應(yīng)變，將傳遞給應(yīng)變片的敏感柵，使其產(chǎn)受力引起的表面應(yīng)變，將傳遞給應(yīng)變片的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對(duì)變化生電阻相對(duì)變化R/R。在一定應(yīng)變范圍內(nèi)。在一定應(yīng)變范圍內(nèi)tKRR式中，式中， t為應(yīng)變片的軸向應(yīng)變。為應(yīng)變片的軸向應(yīng)變。 定義定義K=(R/R)/t為應(yīng)變片的為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)。它表示應(yīng)變片。它表示應(yīng)變片在其軸向受到單向應(yīng)力時(shí)，引起的電阻相對(duì)變化在其軸向受到單向應(yīng)力時(shí)，引起的電阻相對(duì)變化(R/R)與與其單向應(yīng)力引起的試件表面軸向應(yīng)變其單向應(yīng)力引起的試件表面軸向應(yīng)變(t)之比。之比。 2.橫向效應(yīng)橫向效應(yīng) 當(dāng)將應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試

10、件上時(shí)當(dāng)將應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上時(shí), 由于其敏感柵是由由于其敏感柵是由n條條長(zhǎng)度為長(zhǎng)度為l1的直線段和的直線段和（n-1）個(gè)半徑為個(gè)半徑為r的半圓組成。的半圓組成。 若該應(yīng)變片承受軸向應(yīng)力而產(chǎn)生縱向拉應(yīng)變時(shí)，則各直若該應(yīng)變片承受軸向應(yīng)力而產(chǎn)生縱向拉應(yīng)變時(shí)，則各直線段電阻絲將變長(zhǎng)變細(xì)，電阻將增加，但在半圓弧段則受到線段電阻絲將變長(zhǎng)變細(xì)，電阻將增加，但在半圓弧段則受到壓力的作用，半圓弧段電阻絲將變短變粗，電阻將減小。使壓力的作用，半圓弧段電阻絲將變短變粗，電阻將減小。使得敏感柵的總電阻增量小于沿軸向安放的通用長(zhǎng)度電阻絲電得敏感柵的總電阻增量小于沿軸向安放的通用長(zhǎng)度電阻絲電阻增加量。阻增加量。 因此

11、將直的電阻絲繞成敏感柵后因此將直的電阻絲繞成敏感柵后, 長(zhǎng)度不變長(zhǎng)度不變, 應(yīng)變狀態(tài)相應(yīng)變狀態(tài)相同同, 但由于敏感柵的電阻變化較小但由于敏感柵的電阻變化較小, 因而其靈敏系數(shù)因而其靈敏系數(shù)K較電阻較電阻絲的靈敏系數(shù)絲的靈敏系數(shù)K0小小, 這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變片的這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。橫向效應(yīng)。 為了減小橫向效應(yīng)的影響，現(xiàn)多采用箔式應(yīng)變片。為了減小橫向效應(yīng)的影響，現(xiàn)多采用箔式應(yīng)變片。應(yīng)變片軸向受力及橫向效應(yīng)應(yīng)變片軸向受力及橫向效應(yīng)（a） 應(yīng)變片及軸向受力圖；應(yīng)變片及軸向受力圖； （b） 應(yīng)變片的橫向效應(yīng)圖應(yīng)變片的橫向效應(yīng)圖 Fll1Frxyar(a)(b)應(yīng)變片主要性能指標(biāo)舉例應(yīng)變片主要性能

12、指標(biāo)舉例 應(yīng)變片沒(méi)有粘貼也不受力時(shí)，初始電阻一般為應(yīng)變片沒(méi)有粘貼也不受力時(shí)，初始電阻一般為60，120，600和和1000等。等。2.2.4 2.2.4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 一、一、 直流電橋直流電橋 1. 直流電橋平衡條件直流電橋平衡條件 電橋電路如圖所示，電橋電路如圖所示，圖中圖中E為電源電壓，為電源電壓，R1、R2、R3及及R4為橋臂電阻，為橋臂電阻，RL為負(fù)載電阻。為負(fù)載電阻。R1R2R4R3ACBEDIoRLUo當(dāng)當(dāng)RL時(shí)，電橋輸出電壓為時(shí)，電橋輸出電壓為 433211RRRRRREUo當(dāng)電橋平衡時(shí)，當(dāng)電橋平衡時(shí)，Uo=0，則，則 R1R4=R2R34321RR

13、RR 該式為電橋平衡條件。該式為電橋平衡條件。 這說(shuō)明欲使電橋平衡，這說(shuō)明欲使電橋平衡， 其相鄰其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，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?；蛳鄬?duì)兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。 2. 電壓靈敏度電壓靈敏度 若將應(yīng)變片接入電橋一臂，即若將應(yīng)變片接入電橋一臂，即R1為電阻應(yīng)變片，為電阻應(yīng)變片，R2, R3, R4為電橋固定電阻，這就構(gòu)成了為電橋固定電阻，這就構(gòu)成了單臂電橋單臂電橋。 當(dāng)受應(yīng)變時(shí)，若應(yīng)變片電阻變化為當(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，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓電橋輸出電壓Uo0，則，則電橋不平衡電橋不平衡，輸出電壓為，輸出電壓為 341

14、21111344332111111RRRRRRRRRRERRRRRRRREUo 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， 則式可寫(xiě)為則式可寫(xiě)為 ERRnnUo112)1 (故電橋電壓靈敏度定義為故電橋電壓靈敏度定義為 EnnRRUKoU211)1 ( 從上式分析發(fā)現(xiàn)：從上式分析發(fā)現(xiàn)： 電橋電壓靈敏度電橋電壓靈敏度正比正比于電橋供電電壓，于電橋供電電壓， 供電電供電電壓越高，壓越高， 電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓的提高受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

15、適當(dāng)選擇；到應(yīng)變片允許功耗的限制，所以要作適當(dāng)選擇； 電橋電壓靈敏度是電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。 當(dāng)當(dāng)E值確定后，值確定后，n取何值時(shí)才能使取何值時(shí)才能使KU最高？最高？由由dKU/dn = 0求求KU的最大值，得的最大值，得 0)1 (132nndndKU求得求得n=1時(shí)，時(shí)，KU為最大值。這就是說(shuō)，在供橋電壓確定后，當(dāng)為最大值。這就是說(shuō)，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)有時(shí)，電橋電壓靈敏度最高，此時(shí)有 4411EKR

16、REUUo從上述可知，當(dāng)電源電壓從上述可知，當(dāng)電源電壓E和電阻相對(duì)變化量和電阻相對(duì)變化量R1/R1一定時(shí)，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(wú)關(guān)。小無(wú)關(guān)。 3. 非線性誤差及其補(bǔ)償方法非線性誤差及其補(bǔ)償方法 實(shí)際的輸出電壓應(yīng)按下式計(jì)算，實(shí)際的輸出電壓應(yīng)按下式計(jì)算， 即即 )1 (11111nRRnRRnEUo 與與R1/R1的關(guān)系的關(guān)系是非線性是非線性的，的，非線性誤差非線性誤差為為 oU11111RRnRRUUUoooL如果是四等臂電橋，如果是四等臂電橋，R1=R2=R3=R4，即，即n=1， 則則 111

17、1212RRRRL 對(duì)于一般應(yīng)變片來(lái)說(shuō)，所受應(yīng)變對(duì)于一般應(yīng)變片來(lái)說(shuō)，所受應(yīng)變通常在通常在5000以下，以下，若取若取K=2，則，則R1/R1=K=0.01，代入計(jì)算得非線性誤差為，代入計(jì)算得非線性誤差為0.5%；若；若K=130，=1000時(shí)，時(shí)，R1/R1=0.130，則得到非線，則得到非線性誤差為性誤差為6%，故當(dāng)非線性誤差不能滿足測(cè)量要求時(shí)，必，故當(dāng)非線性誤差不能滿足測(cè)量要求時(shí)，必須予以消除。須予以消除。 為了減小和克服非線性誤差，常采用差動(dòng)電橋。在試件上為了減小和克服非線性誤差，常采用差動(dòng)電橋。在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，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)變一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)

18、受壓應(yīng)變， 接入電接入電橋相鄰橋臂，稱(chēng)為橋相鄰橋臂，稱(chēng)為半橋差動(dòng)電路半橋差動(dòng)電路， 如圖所示。如圖所示。R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b)R3 R3R4 R4半橋輸出電壓為半橋輸出電壓為 433221111RRRRRRRRREUo若若R1=R2，R1=R2，R3=R4，則得，則得 112 RREUo 由式可知，由式可知，Uo與與R1/R1成線性關(guān)系成線性關(guān)系，差動(dòng)電橋無(wú)非，差動(dòng)電橋無(wú)非線性誤差，而且線性誤差，而且電橋電壓靈敏度電橋電壓靈敏度KU=E/2，是單臂工作時(shí)，是單臂工作時(shí)的的兩倍兩倍，同時(shí)還具有，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償作用。作用

19、。 若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片，如圖所示，即若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片，如圖所示，即兩個(gè)受兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變拉應(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，將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)相對(duì)橋臂橋臂上，構(gòu)成上，構(gòu)成全橋差動(dòng)電路全橋差動(dòng)電路。R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b)R3 R3R4 R4若若R1=R2=R3=R4，且，且R1=R2=R3=R4，則，則 EKRREUUo11 全橋差動(dòng)電路不僅全橋差動(dòng)電路不僅沒(méi)有非線性誤沒(méi)有非線性誤差差，而且電壓靈敏度為單片工作時(shí)，而且電壓靈敏度為單片工作時(shí)的的4倍倍，同時(shí)仍具有，同時(shí)仍具有溫度補(bǔ)償

20、作用溫度補(bǔ)償作用。 二、二、 交流電橋交流電橋 根據(jù)直流電橋分析可知，由于應(yīng)變電橋輸出電壓很根據(jù)直流電橋分析可知，由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都要加小，一般都要加放大器放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂零漂，因此應(yīng)變電橋多采用因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋交流電橋。 1.1.電橋平衡：電橋平衡： 開(kāi)路輸出電壓為開(kāi)路輸出電壓為U0為：為：)()(43213241ZZZZZZZZUU電橋平衡條件為電橋平衡條件為 Z1 Z4 = Z2 Z33241即兩臂復(fù)阻抗的模之積相等，幅角之和相等即兩臂復(fù)阻抗的模之積相等，幅角之和相等Z1UoU(a)Z2Z3Z4R1R2R4R3oUC1C2U(

21、b) 圖為半橋差動(dòng)交流電橋的一般形式，圖為半橋差動(dòng)交流電橋的一般形式，U為為交流電壓源交流電壓源， 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)片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性復(fù)阻抗特性，即相當(dāng)于兩只應(yīng)變片各，即相當(dāng)于兩只應(yīng)變片各并聯(lián)并聯(lián)了一個(gè)電了一個(gè)電容，則每一橋臂上復(fù)阻抗分別為容，則每一橋臂上復(fù)阻抗分別為11111CjwRRZ22221CjwRRZ33RZ 44RZ 2.輸出特性及預(yù)平衡調(diào)節(jié)輸出特性及預(yù)平衡調(diào)節(jié)Z1UoU(a)Z2Z3Z4R1R2R4R3oUC1C2U(b)整理得：整理得：24241313CjwRRRCjwRRR 其其實(shí)部、實(shí)部

22、、 虛部虛部分別相等分別相等, 交流電橋的平衡條件為交流電橋的平衡條件為:3412RRRR2112CCRR 對(duì)這種交流電橋?qū)@種交流電橋, 除要滿足除要滿足電阻平衡電阻平衡條件外條件外, 還必須滿還必須滿足足電容平衡電容平衡條件。為此在橋路上除設(shè)有電阻平衡調(diào)節(jié)外還條件。為此在橋路上除設(shè)有電阻平衡調(diào)節(jié)外還設(shè)有電容平衡調(diào)節(jié)。設(shè)有電容平衡調(diào)節(jié)。根據(jù)平衡條件可得：根據(jù)平衡條件可得：3222411111RCjwRRRCjwRR2.2.5 2.2.5 應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償一、一、 應(yīng)變片的溫度誤差應(yīng)變片的溫度誤差 由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的改變而給測(cè)量帶來(lái)的由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的改變而

23、給測(cè)量帶來(lái)的附附加誤差加誤差，稱(chēng)為應(yīng)變片的，稱(chēng)為應(yīng)變片的溫度誤差溫度誤差。 產(chǎn)生應(yīng)變片溫度產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要因素有下述兩個(gè)方面。誤差的主要因素有下述兩個(gè)方面。 電阻溫度系數(shù)的影響電阻溫度系數(shù)的影響 試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響二、二、 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 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有線路補(bǔ)償線路補(bǔ)償和和應(yīng)變應(yīng)變片自補(bǔ)償片自補(bǔ)償兩大類(lèi)。兩大類(lèi)。1) 線路補(bǔ)償法線路補(bǔ)償法 電橋補(bǔ)償是最常用且效果較好的線路補(bǔ)償。電橋補(bǔ)償是最常用且效果較好的線路補(bǔ)償。R2R3R1R4UoR2R1(a)(

24、b)FFU12111222222413211234122222244ttftftOfttfttfRRRRRRRRRRRRRRR RR RRRUUURRRRRRRRRRRURRRRRRUUKR設(shè) 為補(bǔ)償應(yīng)變片，為工作應(yīng)變片工作時(shí)，有對(duì)半等臂電橋（臥式電橋,即R1=R2, R3=R4） 2) 應(yīng)變片的自補(bǔ)償法應(yīng)變片的自補(bǔ)償法 這種溫度補(bǔ)償法是利用這種溫度補(bǔ)償法是利用自身自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片(稱(chēng)稱(chēng)之為之為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片)來(lái)補(bǔ)償?shù)?。根?jù)溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片的工來(lái)補(bǔ)償?shù)摹８鶕?jù)溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片的工作原理，要實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償，必須有作原理，要實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償，必須有

25、 )(00sgK 上式表明，當(dāng)被測(cè)試件的線膨脹系數(shù)上式表明，當(dāng)被測(cè)試件的線膨脹系數(shù)g已知時(shí)，如果合理已知時(shí)，如果合理選擇敏感柵材料，選擇敏感柵材料， 即其電阻溫度系數(shù)即其電阻溫度系數(shù)0、靈敏系數(shù)、靈敏系數(shù)K以及線膨以及線膨脹系數(shù)脹系數(shù)s，滿足上式，則不論溫度如何變化，均有，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?。從而達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?2.2.6 2.2.6 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 一、一、 應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式力傳感器 被測(cè)物理量為被測(cè)物理量為荷重或力荷重或力的應(yīng)變式傳感器時(shí)，統(tǒng)稱(chēng)為應(yīng)變的應(yīng)變式傳感器時(shí)，統(tǒng)稱(chēng)為應(yīng)變式力傳感器。其主要用途是

26、作為各種電子稱(chēng)與材料試驗(yàn)機(jī)的式力傳感器。其主要用途是作為各種電子稱(chēng)與材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力元件、測(cè)力元件、 發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試、發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試、 水壩壩體承載狀況監(jiān)測(cè)等。水壩壩體承載狀況監(jiān)測(cè)等。 彈性元件把被測(cè)彈性元件把被測(cè)力的變化力的變化轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變量應(yīng)變量的變化，粘貼在的變化，粘貼在上面的應(yīng)變片也感受到同樣大小的應(yīng)變，因而應(yīng)變片把應(yīng)變上面的應(yīng)變片也感受到同樣大小的應(yīng)變，因而應(yīng)變片把應(yīng)變量的變化變換成量的變化變換成電阻電阻的變化。只要把所貼的應(yīng)變片接入電橋的變化。只要把所貼的應(yīng)變片接入電橋線路中，則線路中，則電橋的輸出變化就正比于被測(cè)力的變化電橋的輸出變化就正比于被測(cè)力的變化。在彈性元件上合理

27、布片與組橋的基本原則：在彈性元件上合理布片與組橋的基本原則： 1、應(yīng)變片布置在彈性元件上具有正、負(fù)極性的應(yīng)變區(qū)；、應(yīng)變片布置在彈性元件上具有正、負(fù)極性的應(yīng)變區(qū)；2、應(yīng)變片布置在彈性元件上應(yīng)力最大的位置，同時(shí)注意、應(yīng)變片布置在彈性元件上應(yīng)力最大的位置，同時(shí)注意該處不受非待測(cè)力的干擾和影響；該處不受非待測(cè)力的干擾和影響； 3、根據(jù)測(cè)量目的和要求，利用電橋和差特性選擇適當(dāng)?shù)慕印⒏鶕?jù)測(cè)量目的和要求，利用電橋和差特性選擇適當(dāng)?shù)慕訕蚍绞?，使電橋輸出最大或具有溫度補(bǔ)償能力，還能排除非橋方式，使電橋輸出最大或具有溫度補(bǔ)償能力，還能排除非待測(cè)力的干擾和影響，而且輸出是與應(yīng)變成正比的單值函數(shù)。待測(cè)力的干擾和影響，

28、而且輸出是與應(yīng)變成正比的單值函數(shù)。彈性元件有的結(jié)構(gòu)通常有柱式、梁式、環(huán)式。彈性元件有的結(jié)構(gòu)通常有柱式、梁式、環(huán)式。（a） 柱式；（b） 筒式；（c） 圓柱面展開(kāi)圖；（d） 橋路連線圖 (a)(b)(c)R1R5R2R6R3R7R4R8R1R3R5R7R6R8R2R4(d)UoU1. 柱（筒）式力傳感器柱（筒）式力傳感器2. 梁式力傳感器梁式力傳感器a.等截面梁等截面梁 b. 等強(qiáng)度梁等強(qiáng)度梁 c. 雙孔梁雙孔梁 d.S型梁型梁 圖圖a是等截面梁，圖是等截面梁，圖b是等強(qiáng)度懸臂梁，在是等強(qiáng)度懸臂梁，在上下表面各貼兩片上下表面各貼兩片。當(dāng)梁受力。當(dāng)梁受力作用時(shí)，作用時(shí)，上表面上表面的應(yīng)變片為的應(yīng)變

29、片為壓應(yīng)變壓應(yīng)變，下表面下表面的應(yīng)變片為的應(yīng)變片為拉應(yīng)變拉應(yīng)變，四個(gè)應(yīng)變片，四個(gè)應(yīng)變片組成全橋差動(dòng)結(jié)構(gòu)。這種彈性元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，貼片容易，尤其適用于測(cè)量小組成全橋差動(dòng)結(jié)構(gòu)。這種彈性元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，貼片容易，尤其適用于測(cè)量小量程載荷。量程載荷。 2 2 . .梁式荷重傳感器梁式荷重傳感器 等截面梁式荷重傳感器等截面梁式荷重傳感器L LL L0 0F Fb bh hR1R2R3R4一端固定，一端自由，厚度為一端固定，一端自由，厚度為h h, ,長(zhǎng)度長(zhǎng)度L L0 0 ，自由端力，自由端力F F 的作用點(diǎn)到應(yīng)變片的距離的作用點(diǎn)到應(yīng)變片的距離為為L(zhǎng) L ，該點(diǎn)的協(xié)強(qiáng)：，該點(diǎn)的協(xié)強(qiáng)：截面積:66應(yīng)變：622b

30、hAEhAFLEbhFLEbhFL4 4只應(yīng)變片只應(yīng)變片 此位置上下兩側(cè)分別粘有此位置上下兩側(cè)分別粘有4 4只應(yīng)變片，只應(yīng)變片，R R1 1、R R4 4同側(cè)；同側(cè)；R R3 3 、R R2 2同側(cè)，同側(cè)，這兩側(cè)的應(yīng)變方向剛好相反，且大小相等，可構(gòu)成全差動(dòng)電橋。這兩側(cè)的應(yīng)變方向剛好相反，且大小相等，可構(gòu)成全差動(dòng)電橋。RRLKEhAFEhAFLKKRRSSS 66 EURR0 由于全差動(dòng)電橋由于全差動(dòng)電橋EULKEhAFS06 ，所以，所以供橋電壓供橋電壓輸出電壓輸出電壓軸向應(yīng)變LLx協(xié)強(qiáng)xEAFE為楊氏模量2022-3-1742各種懸臂梁各種懸臂梁 2022-3-1743各種懸臂梁各種懸臂梁

31、FF固定點(diǎn)固定點(diǎn)固定點(diǎn)固定點(diǎn)電纜2022-3-1744應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形 應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手 可用于汽車(chē)、摩托車(chē)、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械可用于汽車(chē)、摩托車(chē)、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程裝配扭矩。量程2500N.m，耗電量，耗電量10mA，有公制有公制/英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動(dòng)斷電英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動(dòng)斷電等功能。等功能。3. 環(huán)式力傳感器環(huán)式力傳感器 如圖所示為環(huán)式力傳感器結(jié)構(gòu)圖。如圖所示為環(huán)式力傳感器結(jié)構(gòu)圖。 與柱式相比，應(yīng)力分布與柱式相比，應(yīng)力分

32、布變化較大，且有正有負(fù)。變化較大，且有正有負(fù)。 應(yīng)變片貼在彎矩較大處的內(nèi)外表面。當(dāng)圓環(huán)受壓時(shí)，貼片處應(yīng)變片貼在彎矩較大處的內(nèi)外表面。當(dāng)圓環(huán)受壓時(shí)，貼片處的的外表面是正應(yīng)變外表面是正應(yīng)變(拉伸應(yīng)變拉伸應(yīng)變)，內(nèi)表面是負(fù)應(yīng)變內(nèi)表面是負(fù)應(yīng)變(壓縮應(yīng)變壓縮應(yīng)變)，四，四個(gè)應(yīng)變片可連接成差動(dòng)全橋。環(huán)狀彈性元件可做成拉壓力傳感器，個(gè)應(yīng)變片可連接成差動(dòng)全橋。環(huán)狀彈性元件可做成拉壓力傳感器，既可測(cè)拉伸力，又可測(cè)壓縮力，而且量程可很小。既可測(cè)拉伸力，又可測(cè)壓縮力，而且量程可很小。(a) 環(huán)式傳感器結(jié)構(gòu)圖； (b) 應(yīng)力分布 (a)AR1R2Bh(b)MBAFR39.5二、二、 應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器

33、應(yīng)變式壓力傳感器主要用來(lái)測(cè)量應(yīng)變式壓力傳感器主要用來(lái)測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力。的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力。如動(dòng)力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的壓力如動(dòng)力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的壓力變化變化#, 槍管及炮管內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃機(jī)管道壓力等。槍管及炮管內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃機(jī)管道壓力等。 應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。 下圖為膜片式壓力傳感器，應(yīng)變片貼在膜片內(nèi)壁，在壓力下圖為膜片式壓力傳感器，應(yīng)變片貼在膜片內(nèi)壁，在壓力p作作用下，膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變用下，膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變r(jià)和切向應(yīng)變和切向應(yīng)變t。（a） 應(yīng)變變

34、化圖應(yīng)變變化圖; （b） 應(yīng)變片粘貼應(yīng)變片粘貼 trxhRpR2R1R4R3rt(a)(b) 薄板式薄板式( (膜片式膜片式) )壓力傳感器壓力傳感器 當(dāng)流體的壓強(qiáng)作用在薄板上，薄當(dāng)流體的壓強(qiáng)作用在薄板上，薄板就會(huì)產(chǎn)生形變板就會(huì)產(chǎn)生形變( (應(yīng)變應(yīng)變) )，貼在另一側(cè)，貼在另一側(cè)的應(yīng)變片隨之形變的應(yīng)變片隨之形變( (應(yīng)變應(yīng)變) )，通過(guò)橋式，通過(guò)橋式等測(cè)量電路，可以測(cè)出與應(yīng)變相對(duì)應(yīng)等測(cè)量電路，可以測(cè)出與應(yīng)變相對(duì)應(yīng)的輸出電壓，從而得到壓力的大小。的輸出電壓，從而得到壓力的大小。ph0rrtrop薄圓板受均勻壓力后的應(yīng)變分布薄圓板受均勻壓力后的應(yīng)變分布切向應(yīng)變:t徑向應(yīng)變:rtrr0r薄圓板受均勻

35、壓力后的應(yīng)變方向薄圓板受均勻壓力后的應(yīng)變方向 應(yīng)變分析應(yīng)變分析 對(duì)于半徑為對(duì)于半徑為r0沿圓周固定的模片，片內(nèi)任意半沿圓周固定的模片，片內(nèi)任意半徑徑 r 處在壓強(qiáng)處在壓強(qiáng) P 的作用下的應(yīng)變的作用下的應(yīng)變( (膜厚為膜厚為h ) )為為:prrEht)(22022183切向應(yīng)變切向應(yīng)變( (與半徑垂直與半徑垂直) )只有拉伸只有拉伸prrEhr)(220223183徑向應(yīng)變徑向應(yīng)變( (指向圓心指向圓心) )可拉可壓可拉可壓( (可正可負(fù)可正可負(fù)) )h0rrtrop薄圓板受均勻壓力后的應(yīng)變分布薄圓板受均勻壓力后的應(yīng)變分布 特點(diǎn)特點(diǎn)0143122200rtpEhrrrc,)(，處pEhrrar

36、t22201830，處)(正應(yīng)變最大正應(yīng)變最大pEhrrrbrt222001430,)(，處徑向負(fù)應(yīng)變最大徑向負(fù)應(yīng)變最大徑向應(yīng)變片貼片必須避開(kāi)徑向應(yīng)變片貼片必須避開(kāi) 貼片位置貼片位置 在在t =r的的兩個(gè)半徑處分別粘兩個(gè)半徑處分別粘貼個(gè)于檢測(cè)徑向貼個(gè)于檢測(cè)徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變的應(yīng)變和切向應(yīng)變的應(yīng)變片，構(gòu)成全差應(yīng)變片，構(gòu)成全差動(dòng)電橋。動(dòng)電橋。R1R2R3R400707021rrr.r0r等半徑貼片等半徑貼片R1R2R3R4rr0r222032trrrrtr不等半不等半徑貼片徑貼片同等條同等條件應(yīng)變件應(yīng)變較大。較大。亦可選擇亦可選擇r 1 =r 2三、三、 應(yīng)變式容器內(nèi)液體重量傳感器應(yīng)變式容器內(nèi)液體

37、重量傳感器 微壓傳感器電阻應(yīng)變敏感元件傳壓桿感壓膜hRLU1R2R4R0R1R3RtUoLRU22R1R4R0RtR3R32141等強(qiáng)度梁；2質(zhì)量塊；3殼體；4電阻應(yīng)變敏感元體四、四、 應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器 應(yīng)變式加速度傳感器主要用于物體加速度的測(cè)量。其應(yīng)變式加速度傳感器主要用于物體加速度的測(cè)量。其基本工作原理是：物體運(yùn)動(dòng)的加速度與作用在它上面的力基本工作原理是：物體運(yùn)動(dòng)的加速度與作用在它上面的力成正比，成正比， 與物體的質(zhì)量成反比，即與物體的質(zhì)量成反比，即a=F/m。荷重傳感器原理演示荷重傳感器原理演示 荷重傳荷重傳感器上的應(yīng)感器上的應(yīng)變片在重力變片在重力作用下產(chǎn)生作用下產(chǎn)生

38、變形。軸向變形。軸向變短，徑向變短，徑向變長(zhǎng)。變長(zhǎng)。 2.3固態(tài)壓阻式傳感器（半導(dǎo)體應(yīng)變片）固態(tài)壓阻式傳感器（半導(dǎo)體應(yīng)變片） 半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的一種半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的一種 純電阻性元件。純電阻性元件。 壓阻效應(yīng)：壓阻效應(yīng)：對(duì)一塊半導(dǎo)體材料的某一軸向施加一定的載荷對(duì)一塊半導(dǎo)體材料的某一軸向施加一定的載荷而產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，它的而產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，它的電阻率電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)之會(huì)發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)之為壓阻效應(yīng)。（金屬電阻應(yīng)變片工作機(jī)理在于為壓阻效應(yīng)。（金屬電阻應(yīng)變片工作機(jī)理在于幾何尺寸幾何尺寸變化）變化） 根據(jù)制造工藝和安裝方法的不同

39、，可分為體型、薄膜型、擴(kuò)根據(jù)制造工藝和安裝方法的不同，可分為體型、薄膜型、擴(kuò)散型。散型。1、體型半導(dǎo)體應(yīng)變片體型半導(dǎo)體應(yīng)變片 這是一種將半導(dǎo)體材料硅或鍺晶體按一定方向切割成的片狀小條，經(jīng)腐蝕壓焊粘貼在基片上而成的應(yīng)變片，其結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。2、薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片 這種應(yīng)變片是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣層的試件上而制成，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2-3。3、擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片 將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到N型硅單晶基底上，形成一層極薄的P型導(dǎo)電層，再通過(guò)超聲波和熱壓焊法接上引出線就形成了擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。圖2-4為擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片示意圖。這是一種應(yīng)用很廣的半導(dǎo)

40、體應(yīng)變片。4、半導(dǎo)體應(yīng)變片的特性、半導(dǎo)體應(yīng)變片的特性（1）線性度。）線性度。半導(dǎo)體在幾百微應(yīng)變范圍內(nèi)輸出輸入呈線性關(guān)系，半導(dǎo)體在幾百微應(yīng)變范圍內(nèi)輸出輸入呈線性關(guān)系， 超出此范圍即為非線性。超出此范圍即為非線性。（2）電阻溫度特性。）電阻溫度特性。半導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)較金屬應(yīng)變片大半導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)較金屬應(yīng)變片大1-2個(gè)個(gè) 數(shù)量級(jí)，必須用溫度補(bǔ)償。數(shù)量級(jí)，必須用溫度補(bǔ)償。（3）靈敏度溫度特性。）靈敏度溫度特性。半導(dǎo)體靈敏度系數(shù)較金屬應(yīng)變片大許多，半導(dǎo)體靈敏度系數(shù)較金屬應(yīng)變片大許多， 但溫度變化較大時(shí)，其靈敏度系數(shù)變化也相對(duì)較大，必須用但溫度變化較大時(shí)，其靈敏度系數(shù)變化也相對(duì)較大，必須用 溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償。5 5、應(yīng)用、應(yīng)用固態(tài)壓力傳感器固態(tài)壓力傳感器 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 利用半導(dǎo)體擴(kuò)散技術(shù)，在利用半導(dǎo)體擴(kuò)散技術(shù)，在n型硅基底型硅基底( (硅杯的圓形膜片硅杯的圓形膜片) )上上擴(kuò)散出擴(kuò)散出4 4個(gè)個(gè)p型電阻，利用其型電阻，利用其壓壓阻效應(yīng)阻效應(yīng)，構(gòu)成敏感電橋，當(dāng)壓，構(gòu)成敏感電橋，當(dāng)壓力作用在薄片上，通過(guò)橋式等力作用在薄片上，通過(guò)橋式等測(cè)量電路，可以測(cè)出與應(yīng)變相測(cè)量電路，可以測(cè)出與應(yīng)變相對(duì)應(yīng)的輸出電壓，從而得到壓對(duì)應(yīng)的輸出電壓，從而得到壓力的大小。力的大小。擴(kuò)散電阻硅杯式固體壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖擴(kuò)散電阻Si_np擴(kuò)散電阻Si_nph0rrtrop薄圓板受均勻壓力后的應(yīng)力分布薄