第4章應(yīng)變式傳感器

1、 第第4章章 應(yīng)變式電阻傳感器應(yīng)變式電阻傳感器電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理金屬電阻應(yīng)變片主要特性金屬電阻應(yīng)變片主要特性應(yīng)變片式電阻傳感器的測(cè)量電路應(yīng)變片式電阻傳感器的測(cè)量電路溫度誤差及補(bǔ)償溫度誤差及補(bǔ)償應(yīng)變片式電阻傳感器的應(yīng)用舉例應(yīng)變片式電阻傳感器的應(yīng)用舉例下頁下頁電子秤電子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)距離顯示顯示下頁下頁上頁上頁 靜載稱重靜載稱重下頁下頁上頁上頁下頁下頁上頁上頁形狀各異的應(yīng)變式傳感器形狀各異的應(yīng)變式傳感器v彈性體的作用是什么？v哪個(gè)是轉(zhuǎn)換元件？布置位置如何選擇？v轉(zhuǎn)換元件的工作原理是什么？v轉(zhuǎn)換元件測(cè)量的是什么？何參數(shù)變化？v信號(hào)調(diào)理電路如何設(shè)計(jì)？思考

2、：下頁下頁上頁上頁4.1 電阻應(yīng)變片的工作原理金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬導(dǎo)體的電阻值隨其機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象。FFL2rL+dL2(r-dr)slR:電阻系數(shù)l:l:金屬導(dǎo)線長度S:S:金屬導(dǎo)線截面積lnlnlnlnRSl兩邊取對(duì)數(shù)：ldlSdSdRdR兩邊微分：下頁下頁上頁上頁ldlx軸向應(yīng)變：rdry徑向應(yīng)變：ldlrdrdRdR2dRdRxx2泊松比、泊松系數(shù)）泊松關(guān)系：(/ldlrdrxxxkd01)21 (2rS下頁下頁上頁上頁dRdRkxx121/0靈敏系數(shù)：K K0 0的大小與絲的材料有關(guān)，與應(yīng)變數(shù)值有關(guān)。的大小與絲的材料有關(guān)，與應(yīng)變數(shù)值有關(guān)。1xd選材目的：為常數(shù)。即：xCdC

3、k210常用材料常用材料:1)康銅（55%Cu,45%Ni),K=1.92.1;2)鎳鉻（80%Ni,20%Cr),K=2.12.3;實(shí)驗(yàn)證明，電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化量實(shí)驗(yàn)證明，電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化量 R R R R與與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變 x x的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的下頁下頁上頁上頁微應(yīng)變微應(yīng)變()()與測(cè)量力與測(cè)量力F F的計(jì)算關(guān)系：的計(jì)算關(guān)系： 在材料力學(xué)中， x x 稱為電阻絲的軸向應(yīng)變，也稱縱向應(yīng)變。x通常很小，常用10-6表示之。例如，在工程中常表示為110-6或m/m。在應(yīng)變測(cè)量中，也常將之稱為微應(yīng)變()。 由材料力

4、學(xué)可知，x=F /（AE），所以R /R又可表示為對(duì)于不同的金屬材料，K0 略微不同，一般為2左右。如果應(yīng)變片的靈敏度K0 和試件的橫截面積A以及彈性模量均為已知，則只要設(shè)法測(cè)出R /R的數(shù)值，即可獲知試件受力的大小，例如可用于電子秤的稱重。 0 RFKRAE下頁下頁上頁上頁總結(jié)總結(jié)4.2 電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片4.2.1 結(jié)構(gòu)及材料1、敏感柵；2、基底；3、蓋層；4、引線；L、應(yīng)變片柵長；A、應(yīng)變片基寬；4312al下頁下頁上頁上頁（一）應(yīng)變片基本結(jié)構(gòu)組成（一）應(yīng)變片基本結(jié)構(gòu)組成 敏感柵：敏感柵：高電阻率金屬細(xì)絲做成柵狀。要求靈敏系數(shù)大、溫度系數(shù)小，如：康銅、鎳鉻絲等。 基底：基底：紙質(zhì)或膠質(zhì)

5、。要求機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性好、抗潮、耐熱。薄(厚度0.030.06mm). 引線引線：低阻鍍錫銅線 蓋層蓋層：保護(hù)層，保持位置固定 粘結(jié)劑粘結(jié)劑：粘接力強(qiáng)、機(jī)械性能可靠。如：環(huán)氧樹脂、聚脂樹脂、酚醛樹脂類。下頁下頁上頁上頁 （二）應(yīng)變片的類型（二）應(yīng)變片的類型 金屬絲式應(yīng)變片：金屬絲式應(yīng)變片：制作簡單、性能穩(wěn)定。 金屬箔式應(yīng)變片：金屬箔式應(yīng)變片：現(xiàn)代工藝、大量使用。 薄膜應(yīng)變片薄膜應(yīng)變片 半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片下頁下頁上頁上頁金屬箔式應(yīng)變片：金屬箔式應(yīng)變片：箔式應(yīng)變計(jì)的線柵是通過光刻、腐蝕等工藝制成很薄的金屬薄柵（厚度一般在0.0010.01mm）。 工藝上能保證線柵的尺寸正確、 線條均勻,

6、大批量生產(chǎn)時(shí), 阻值離散程度小。 可根據(jù)需要制成任意形狀的箔式應(yīng)變計(jì)和微型小基長（如基長為0.1 mm）的應(yīng)變計(jì)。 敏感柵截面積為矩形, 表面積大, 散熱好, 在相同截面情況下能通過較大電流。 橫向靈敏度小 疲勞壽命長 生產(chǎn)效率高應(yīng)變片粘應(yīng)變片粘貼過程貼過程下頁下頁上頁上頁基于半導(dǎo)體的基于半導(dǎo)體的“壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)”體積小、靈敏度高、機(jī)械滯后小體積小、靈敏度高、機(jī)械滯后小溫度穩(wěn)定性差、非線性嚴(yán)重溫度穩(wěn)定性差、非線性嚴(yán)重半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片外形下頁下頁上頁上頁例：例： 將100的一個(gè)應(yīng)變片粘貼在低碳鋼制的拉伸試件上，若試件的等截面積為0.5*10-4m2 低碳鋼的彈性模量E=20

7、0*109N/m2，由50kN的拉力引起的應(yīng)變電阻變化為1，求該應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)。4.3 4.3 電阻應(yīng)變片主要特性電阻應(yīng)變片主要特性（1 1）橫向效應(yīng) (4.2.2)lxyv最明顯的是在=/2 垂直方向的微段, 按泊松比關(guān)系產(chǎn)生壓應(yīng)變-y。該微段電阻不僅不增加, 反而減少。在圓弧的其他各微段上, 感受的應(yīng)變是由+x變化到- y的。這樣, 圓弧段的電阻變化, 顯然將小于同樣長度沿x方向的直線段的電阻變化。下頁下頁上頁上頁返回返回橫向效應(yīng)分析：橫向效應(yīng)分析：dxyyrdl rdxO平面應(yīng)變場(chǎng)任意方向的線應(yīng)變?yōu)槠矫鎽?yīng)變場(chǎng)任意方向的線應(yīng)變?yōu)椋簩?duì)圓弧部分：對(duì)圓弧部分：2cos22yxyxdlll)(

8、drlsyxyxlr22ls為半圓弧長, r為圓半徑下頁下頁上頁上頁設(shè)應(yīng)變計(jì)一個(gè)直線段的伸長為l l1 1=x xl l1 1 (l1為直線段長度) 若有n 個(gè)直線段, 而半圓弧共有(n-1)個(gè), 那么全長為 L L=n =n l l1 1+(n-1)+(n-1) l ls s整個(gè)應(yīng)變計(jì)電阻絲受作用后的總伸長為11(1)(1)2xysxsLnlnlnlnl因電阻的變化與電阻絲伸長有如下關(guān)系：LLkRR02) 1(010yxsxLlnkLlnkRR 則得yxkLrnkLrnnlRR002) 1(2) 1(2下頁下頁上頁上頁yyxxKKRR定義橫向效應(yīng)系數(shù)定義橫向效應(yīng)系數(shù)C：xyKKC/)(yxx

9、CKRR在單向應(yīng)力狀態(tài)下在單向應(yīng)力狀態(tài)下：xyxxCKRR)1 ( )1 (CKKx應(yīng)變片的靈敏系數(shù)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)：令：令：021KrLnLnlKx021KrLnKy下頁下頁上頁上頁所以，橫向效應(yīng)總是起著抵消縱所以，橫向效應(yīng)總是起著抵消縱向應(yīng)變的作用。向應(yīng)變的作用。 減小橫向效應(yīng)的措施：減小橫向效應(yīng)的措施： r、lC橫向效應(yīng)小減小Ky采用短接式、直角式橫柵采用箔式應(yīng)變片(a)(b)(c)（2 2）應(yīng)變片靈敏系數(shù)）應(yīng)變片靈敏系數(shù)k k/ )(RRk原因：v存在橫向效應(yīng)；v基底傳遞衰減；下頁下頁上頁上頁敏感柵應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)）(0kk 應(yīng)變片的應(yīng)變片的“標(biāo)稱靈敏度系數(shù)標(biāo)稱靈敏度系數(shù)” 實(shí)驗(yàn)是按規(guī)

10、定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的：電阻應(yīng)變計(jì)貼在一維力作用下的試件上, 例如受軸向拉壓的直桿、純彎梁等。試件材料用泊松系數(shù) =0.285的鋼。 實(shí)驗(yàn)證明, 電阻應(yīng)變計(jì)的電阻相對(duì)變化R/R與應(yīng)變l/l=之間在很大范圍內(nèi)是線性的, 即：KRR 因一般應(yīng)變計(jì)粘貼到試件上后不能取下再用, 只能在每批產(chǎn)品中提取一定百分比（如 5%）的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)定, 取其平均值作為這一批產(chǎn)品的靈敏度系數(shù)。這就是產(chǎn)品包裝盒上注明的靈敏度系數(shù), 或稱“標(biāo)稱靈敏度系數(shù)標(biāo)稱靈敏度系數(shù)”。下頁下頁上頁上頁（3）機(jī)械滯后，零漂及蠕變）機(jī)械滯后，零漂及蠕變?cè)颍簹堄嘧冃?。原因：殘余變形。下頁下頁上頁上頁圖221 機(jī)械滯后試件機(jī)械應(yīng)變應(yīng)變片電阻變化零

11、漂和蠕變零漂和蠕變v零漂零漂：指示指示隨時(shí)間的隨時(shí)間的漂移（未加載、溫度恒漂移（未加載、溫度恒定）。定）。v蠕變?nèi)渥儯涸谀骋缓愣囟仍谀骋缓愣囟认拢瑢?duì)試件加一恒定應(yīng)變，下，對(duì)試件加一恒定應(yīng)變，這時(shí)指示應(yīng)變隨時(shí)間變化的這時(shí)指示應(yīng)變隨時(shí)間變化的特性。特性。500指示指示t0原因：原因：敏感柵通電流后的敏感柵通電流后的溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力固化不充分固化不充分下頁下頁上頁上頁 粘貼在試件上的電阻應(yīng)變片，除了感受機(jī)械應(yīng)變而粘貼在試件上的電阻應(yīng)變片，除了感受機(jī)械應(yīng)變而產(chǎn)生電阻相對(duì)變化外（產(chǎn)生電阻相對(duì)變化外（ ），在），在環(huán)境溫度變環(huán)境溫度變化化時(shí)，也會(huì)引起電阻的相對(duì)變化，時(shí)，也會(huì)

12、引起電阻的相對(duì)變化，產(chǎn)生虛假應(yīng)變產(chǎn)生虛假應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變片的溫度效應(yīng)。這種現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變片的溫度效應(yīng)。（4）溫度效應(yīng)）溫度效應(yīng)kRdR下頁下頁上頁上頁真實(shí)應(yīng)變指示應(yīng)變（5 5）應(yīng)變極限、疲勞壽命應(yīng)變極限、疲勞壽命 在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變下降到真實(shí)應(yīng)變的90%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變。原因：膠層太厚、原因：膠層太厚、膠不完全固化。膠不完全固化。下頁下頁上頁上頁實(shí)際標(biāo)識(shí)：例如實(shí)際標(biāo)識(shí)：例如8000lim疲勞壽命疲勞壽命 對(duì)于已安裝的應(yīng)變片，在恒定極值的交變應(yīng)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)N，稱為應(yīng)變片的疲勞壽命。 疲勞壽命反映了應(yīng)變片動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)量的適應(yīng)性。下頁下頁上頁上頁

13、實(shí)際標(biāo)識(shí)：例如N=105107次（6）應(yīng)變片電阻值、最大工作電流應(yīng)變片電阻值、最大工作電流v標(biāo)準(zhǔn)化的阻值：標(biāo)準(zhǔn)化的阻值：60 、120 、350 、600 、1000等阻值大，承載的電壓大，輸出信號(hào)大，尺寸大v最大工作電流：最大工作電流：通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流。靜態(tài)測(cè)量時(shí)：25mA 。動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)：75mA100mA 。下頁下頁上頁上頁（7 7）應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 (4.4)(4.4)垂直方向傳播：試件粘合劑基底敏感柵。薄，可忽略。1000m/s 0.05mm在敏感柵長度方向傳播：應(yīng)變片反映應(yīng)變片長度內(nèi)應(yīng)變量的平均值。一、應(yīng)變波的傳播過程一、應(yīng)變波的傳播過程

14、v機(jī)械應(yīng)變以相同于聲波速度的應(yīng)變波形式在材料機(jī)械應(yīng)變以相同于聲波速度的應(yīng)變波形式在材料中傳播。中傳播。討論：應(yīng)變是一個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變，應(yīng)變片測(cè)量到的是 柵長內(nèi)的平均應(yīng)變。大應(yīng)變梯度情況用小柵長應(yīng)變片大應(yīng)變梯度情況用小柵長應(yīng)變片。下頁下頁上頁上頁二、應(yīng)變片可測(cè)頻率的估算二、應(yīng)變片可測(cè)頻率的估算1、正弦應(yīng)變波：、正弦應(yīng)變波：)2sin(0ftfvtvx)2sin(0 x設(shè)某點(diǎn)的應(yīng)變振動(dòng)方程：設(shè)某點(diǎn)的應(yīng)變振動(dòng)方程：位置、速度、頻率的關(guān)系：位置、速度、頻率的關(guān)系：代入振動(dòng)方程，得到：代入振動(dòng)方程，得到：下頁下頁上頁上頁Lx1x20 x0sin2x應(yīng)變波波長L 應(yīng)變片長度2/2/0)2sin(1LxLxptt

15、dxxL:為內(nèi)測(cè)得的平均應(yīng)變應(yīng)變片在基長pL)2/(Lx0一般情況下：)2sin()sin(00 xLL下頁下頁上頁上頁相應(yīng)x0點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)變 為：0 x)2sin(000 xx下頁下頁上頁上頁動(dòng)態(tài)應(yīng)變相對(duì)測(cè)量誤差1sinx0LLx0pnL /設(shè)：fv/Lnvf/應(yīng)變片可測(cè)頻率：總結(jié)：基長越短，頻響越高?？偨Y(jié)：基長越短，頻響越高。下頁下頁上頁上頁表表4-4-2 不同基長應(yīng)變片最高工作頻率不同基長應(yīng)變片最高工作頻率應(yīng)變片可測(cè)頻率的估算應(yīng)變片可測(cè)頻率的估算 一、電阻電橋原理：一、電阻電橋原理：1、直流電橋R1R2R3R4USCUsr1423121234() ()scsrRRR RUUUURRRR0s

16、cU初始平衡時(shí)：03241RRRR24.54.5 應(yīng)變測(cè)量電橋應(yīng)變測(cè)量電橋電路電路下頁下頁上頁上頁11142311234()()()scsrRRRR RUURRRRR 變化：產(chǎn)生承受應(yīng)變后，11RR4131124113(1)(1)srRRRRURRRRRR小項(xiàng)，忽略分母中設(shè)：113412RRnRRRR11211()(1)scsrRRnUUknRR下頁下頁上頁上頁2(1)srnkUn電橋電壓靈敏度 Ku愈大, 說明應(yīng)變計(jì)電阻相對(duì)變化相同的情況下, 電橋輸出電壓愈大, 電橋愈靈敏。由上式知, 欲提高Ku, 必須提高電源電壓, 但它受應(yīng)變計(jì)允許功耗的限制。另外就是選擇適當(dāng)?shù)臉虮郾萵。)(4111RR

17、UUsckRR)(11kUUsc41下頁下頁上頁上頁k電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)UkkRRRRn4114321最大，時(shí)，即當(dāng)下頁下頁上頁上頁R1+R1R2 - R2R3R4USCUsr差動(dòng)電橋：差動(dòng)電橋：v相鄰橋臂，電阻一個(gè)增加、一個(gè)減少1122scsrsrRUUUR則 ：RRRRRR2121，若：一般地：下頁下頁上頁上頁)(41)(41212211kURRRRUUsrsrscUku21R1+ R1R2 - R2USCUsrR3- R3R4+ R4全橋：全橋：四臂都是應(yīng)變片，且相鄰電阻變化相反RRRRRRRRRR43214321，若：RRUUsc一般地：312412341()4scRRRRUURR

18、RR12341()4U k 下頁下頁上頁上頁Uku有關(guān)差動(dòng)電橋的說明：有關(guān)差動(dòng)電橋的說明： 若相鄰橋臂的極性不同，即一為拉應(yīng)變，另一為壓應(yīng)變（構(gòu)成差動(dòng)關(guān)系），輸出電壓為兩者之和。 反之，若相鄰橋臂的極性相同，即同為拉應(yīng)變或?yàn)閴簯?yīng)變，輸出電壓為兩者之差。 利用上述特性可以： 提高輸出靈敏度。增大輸入電壓可提高靈敏度，但受傳感元件功耗限制。 減小非線性誤差，輸出與傳感元件電阻變化呈線性關(guān)系。 具有溫度補(bǔ)償作用。(*)下頁下頁上頁上頁典型組橋方式典型組橋方式圖2-29 直流電橋下頁下頁上頁上頁組橋方式輸出電壓電橋電壓靈敏度溫度補(bǔ)償單臂測(cè)量1需接補(bǔ)償片半橋測(cè)量2(12）溫度自補(bǔ)償不需接補(bǔ)償片全橋測(cè)量4

19、 (1-2-34 ）溫度自補(bǔ)償不需接補(bǔ)償片 4srU 124srU 12344srU 典型組橋方式典型組橋方式下頁下頁上頁上頁2、交流電橋、交流電橋圖2-30 交流電橋下頁下頁上頁上頁交流電橋的平衡條件：交流電橋的平衡條件： 1 423z zz zijiizZ e14231423Z ZZ Z 式中，zi各橋臂的復(fù)數(shù)阻抗(i=1,2,3,4）；Zi復(fù)數(shù)阻抗的模（i=1,2,3,4）；i復(fù)數(shù)阻抗的阻抗角（i=1,2,3,4）。下頁下頁上頁上頁相對(duì)兩臂復(fù)阻抗的模之積相等；相對(duì)兩臂復(fù)阻抗的模之積相等；相對(duì)兩臂復(fù)阻抗的幅角之和相等。相對(duì)兩臂復(fù)阻抗的幅角之和相等。(a)(b)(c)(d)BR1R2R5R6

20、R4R3ACDuBR5R6ACACR5BR6R6ACBR1R2RAC二、電橋平衡調(diào)節(jié)二、電橋平衡調(diào)節(jié)616RnR 626RnR 121 nn662166)(RRnnRR 設(shè)：， 下頁下頁上頁上頁6665651165621R RR RR RRn RRRn5162656566621RnRnRRRRRRRR同理:等效電阻:并聯(lián)后的阻值變化為 221111111111116521R RRRRRRRRRRn RRn516222221RnRnRRR下頁下頁上頁上頁三、電橋的非線性誤差及其補(bǔ)償三、電橋的非線性誤差及其補(bǔ)償對(duì)于單臂電橋：對(duì)于單臂電橋：111RRR有：有：)1)(1(3412111134srRR

21、RRRRRRRRUUscRRRRR4321設(shè)：下頁下頁上頁上頁)21(4111srRRRRUUsc非線性項(xiàng)非線性項(xiàng)理想特性：理想特性：RRUUsc1sr41非線性誤差為：非線性誤差為：SCSCSCfUUUe下頁下頁上頁上頁RRURRURRRRUef1sr1sr11sr4141)21(411)21(11RR33212221211121RRRRRRRR）（按二項(xiàng)式展開：下頁下頁上頁上頁略去高階小量，非線性誤差簡化為：略去高階小量，非線性誤差簡化為：KRRfe2121舉例：舉例：對(duì)于電阻應(yīng)變片：設(shè)對(duì)于電阻應(yīng)變片：設(shè)maxmax 50005000，K K2 2，則：，則：%5 . 0610500022

22、121Kfe下頁下頁上頁上頁減小非線性誤差的措施：減小非線性誤差的措施： 采用差動(dòng)半橋USCR1R2R3R4USRRRRRR4321設(shè)：111RRR222RRR021RR下頁下頁上頁上頁RRURRRRRUUsc22sr211sr)(21412121srRRRRRURRR21KURRUUscsrsr2121下頁下頁上頁上頁 采用差動(dòng)半橋特殊情況：特殊情況：結(jié)論：非線性度比單臂小。結(jié)論：非線性度比單臂小。對(duì)于全橋，有對(duì)于全橋，有432143212141KKUUsrSC)(414321KUUsrsc理想2341KUUscsr理論上無非線性誤差。理論上無非線性誤差。下頁下頁上頁上頁特殊情況：特殊情況：

23、采用恒流源采用恒流源4321431RRRRRRIIUSCR1R2R3R4II1I24321212RRRRRRII432132413211RRRRRRRRIRIRIUsc下頁下頁上頁上頁1432114RRRRRRRIUsc實(shí)際143211441RIRRRRRRIUsc理想1113121111RRRRRRRRUUUeSCSCSCf理想理想實(shí)際1141RR結(jié)論：非線性誤差為恒壓源的一半。結(jié)論：非線性誤差為恒壓源的一半。下頁下頁上頁上頁一、產(chǎn)生原因：一、產(chǎn)生原因：敏感柵的金屬電阻本身隨溫度發(fā)生變化： Rt=R0（1+tt) R t =R0ttvRt：應(yīng)變絲溫度為t時(shí)的電阻值；vR0：應(yīng)變絲溫度為t0時(shí)

24、的電阻值；vt：應(yīng)變絲電阻溫度系數(shù)4.6 4.6 溫度誤差及補(bǔ)償溫度誤差及補(bǔ)償下頁下頁上頁上頁試件材料與應(yīng)變材料的線膨脹系數(shù)不同引試件材料與應(yīng)變材料的線膨脹系數(shù)不同引起應(yīng)變片附加形變：起應(yīng)變片附加形變：v應(yīng)變片形變：ls=sl0t s :應(yīng)變片線膨脹系數(shù)v試件形變： lg=gl0t g :試件線膨脹系數(shù)l0lslgv附加形變：l=lg- ls =( g - s) l0tv附加應(yīng)變：=l/l0=( g - s) tv附加電阻變化： R t =R 0 =R 0 ( g - s)t下頁下頁上頁上頁v總的附加電阻隨溫度的變化： R t = R t + R t =R 0 t t +R 0 ( g - s

25、)t R t /R 0 =t t + ( g - s)t 溫度變化引起的電阻變化溫度變化引起的電阻變化下頁下頁上頁上頁相應(yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)椋簍tkkRRsgtti)()(/ )(0應(yīng)變式傳感器的電阻變化很小，所以溫度引起的應(yīng)變式傳感器的電阻變化很小，所以溫度引起的虛假應(yīng)變不可忽略。虛假應(yīng)變不可忽略。RRUR1UscRBR1FFRB22二、溫度補(bǔ)償方法二、溫度補(bǔ)償方法1、橋路補(bǔ)償法：橋路補(bǔ)償法：工作應(yīng)變片貼在試件上，補(bǔ)償片貼在補(bǔ)償件上，補(bǔ)償件不受力，并接入電橋相鄰臂。下頁下頁上頁上頁橋路補(bǔ)償法、溫度自補(bǔ)償法、熱敏電阻補(bǔ)償法URRRRRRRRUUtSC412)1(4ttRRRRRRR21受力后： 設(shè)：

26、設(shè)：R1=R2=R3=R4 R1t=R2tFFR1R2下頁下頁上頁上頁工作片、補(bǔ)償片貼在同一試件上，但兩者感受的應(yīng)變符號(hào)相反。 工作片、補(bǔ)償片貼在同一試件上，但補(bǔ)償片不受力作用。PR2R1R1R2下頁下頁上頁上頁2 2、應(yīng)變片自補(bǔ)償法、應(yīng)變片自補(bǔ)償法適用于某一種試件材料的自補(bǔ)償應(yīng)變片：要使：R t =0 需要：t+（ g - s ）=0 則： t= -（ g - s ）v特點(diǎn)：制作簡單、成本低v缺點(diǎn):只能在某種材料的試件上才能得到補(bǔ)償效果。 ：t隨溫度變化為非線性時(shí)，引起輸出非線性。v采用溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片：當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?。下頁下頁上頁上頁組合式自補(bǔ)償法（雙金屬絲

27、柵法）組合式自補(bǔ)償法（雙金屬絲柵法）212211RRRRRRttRRt溫度變化時(shí)：v（1）兩種不同溫度系數(shù)）兩種不同溫度系數(shù)（一正一負(fù)）的金屬絲串聯(lián)繞制成敏感柵。21RRR使得總電阻：ttRR21:其中v特點(diǎn)：補(bǔ)償精度高、靈敏度不受損失。 焊點(diǎn)R1R2下頁下頁上頁上頁v敏感柵由同符號(hào)同符號(hào)電阻溫度系數(shù)的兩種合金絲串接而成。v敏感柵的兩部分電阻R1和R2分別接入電橋的相鄰兩臂上。（2）雙金屬半橋片）雙金屬半橋片R1R2abcR1R2 R3R4USCRB Us下頁下頁上頁上頁組合式自補(bǔ)償法（雙金屬絲柵法）組合式自補(bǔ)償法（雙金屬絲柵法）v可使兩橋臂由于溫度引起的電阻變化相等或接近, 實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。

28、v優(yōu)點(diǎn)：適合于不同線膨脹系數(shù)的試件，調(diào)整R B，可使熱補(bǔ)償效果達(dá)到最佳。v缺點(diǎn)：v補(bǔ)償同時(shí)抵消有效應(yīng)變，使輸出靈敏度降低；v對(duì)R B要求高。BttRRRRR2211使得：下頁下頁上頁上頁3、熱敏電阻補(bǔ)償法、熱敏電阻補(bǔ)償法v溫度變化使應(yīng)變片靈敏度降低輸出USCvT并聯(lián)熱敏電阻Rt阻值下降輸出USC適當(dāng)選擇電阻R5可起到補(bǔ)償作用。R1R2 USCUsrR3R4R5 Rt 下頁下頁上頁上頁4.7 4.7 應(yīng)變式傳感器應(yīng)用應(yīng)變式傳感器應(yīng)用F F（力力）（應(yīng)力應(yīng)力F/SF/S）（應(yīng)變應(yīng)變 /E /E） R/R (R/R (）UUSCSC應(yīng)變式傳感器 = 彈性敏感元件+應(yīng)變片常用彈性敏感元件常用彈性敏感元

29、件 彈性梁、柱、筒 膜片與膜盒 彈簧管與波紋管 彈簧等下頁下頁上頁上頁測(cè)力彈性敏感元件柱式彈性敏感元件:特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、可承受很大載荷特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、可承受很大載荷多種截面形狀：實(shí)心截面、空心截面多種截面形狀：實(shí)心截面、空心截面下頁下頁上頁上頁軸向產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變（=0）橫向產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變（=90）SFESFSFESF下頁下頁上頁上頁梁式彈性敏感元件梁式彈性敏感元件 等截面梁等截面梁 等強(qiáng)度梁等強(qiáng)度梁 其他其他26EbhFlEoR1R4l0lFbhblR4R1Fh(a)(b)下頁下頁上頁上頁26EbhFlE雙端固定梁式雙端固定梁式下頁下頁上頁上頁下頁下頁上頁上頁環(huán)環(huán)特點(diǎn)：應(yīng)力分布變化大,且有

30、正有負(fù),便于接成差動(dòng)電橋下頁下頁上頁上頁各種壓力彈性敏感元件各種壓力彈性敏感元件 彈簧管。彈簧管是一個(gè)彈性很好的金屬管子，自由端在流體壓力作用下可產(chǎn)生位移。 波紋膜片和膜盒。膜片是具有同心波紋的圓形金屬片。膜盒是由兩片波紋膜片焊合而成。 平膜片 薄壁圓筒下頁下頁上頁上頁膜片和膜盒實(shí)物圖膜片和膜盒實(shí)物圖 下頁下頁上頁上頁周邊固支圓形平膜片周邊固支圓形平膜片222222)31()1(83)3()1(83rRhprRhptr膜片在均勻壓力膜片在均勻壓力P的的作用下，徑向應(yīng)力作用下，徑向應(yīng)力 r和切向應(yīng)力和切向應(yīng)力 t為：為：下頁下頁上頁上頁下頁下頁上頁上頁薄壁圓筒薄壁圓筒下頁下頁上頁上頁用途：槍炮等

31、的高壓測(cè)量。一、應(yīng)變式力傳感器1 1、圓柱式力傳感器、圓柱式力傳感器下頁下頁上頁上頁減小橫向力的措施減小橫向力的措施采用空心圓柱型彈性元件：采用空心圓柱型彈性元件：在載荷作用的端部附加承在載荷作用的端部附加承彎膜片：彎膜片：采用扁平式采用扁平式彈性元件彈性元件：應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置FR1R2 R3下頁下頁上頁上頁橫向貼片作溫度補(bǔ)償。橫向貼片作溫度補(bǔ)償。相對(duì)兩片串聯(lián)并置于對(duì)臂，消除偏心、彎矩干擾。相對(duì)兩片串聯(lián)并置于對(duì)臂，消除偏心、彎矩干擾。WtWtRRRRRRRRRR0301F一種實(shí)際布一種實(shí)際布片方式：片方式：下頁下頁上頁上頁汽車衡下頁下頁上頁上頁汽車靜載稱重汽車靜載稱重應(yīng)

32、變式荷重傳感器外形及受力位置FF下頁下頁上頁上頁2、梁式力傳感器、梁式力傳感器它適于測(cè)量它適于測(cè)量500Kg500Kg以下的載以下的載荷，最小為測(cè)幾十克重的力，荷，最小為測(cè)幾十克重的力，這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、加工容易、應(yīng)變片易粘貼、加工容易、應(yīng)變片易粘貼、靈敏度高等特點(diǎn)。靈敏度高等特點(diǎn)。下頁下頁上頁上頁下頁下頁上頁上頁各種懸臂梁 FF固定點(diǎn)固定點(diǎn)固定點(diǎn)固定點(diǎn)電纜下頁下頁上頁上頁應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形 下頁下頁上頁上頁人體秤 便攜式便攜式吊鉤秤 下頁下頁上頁上頁二、應(yīng)變式壓力傳感器1 1、膜片式壓力傳感器、膜片式壓力傳感器膜膜片片外外殼殼插插座座它適用于測(cè)量液體或

33、氣體的壓力。其線性度、靈敏度、它適用于測(cè)量液體或氣體的壓力。其線性度、靈敏度、固有頻率等參數(shù)受圓板的周邊的固定情況影響大。固有頻率等參數(shù)受圓板的周邊的固定情況影響大。R1R2R3R4r00.58r0(a)(b)prt下頁下頁上頁上頁式中，式中，R為膜片半徑，為膜片半徑，r為位置參量，為位置參量，h為膜片為膜片厚度，厚度，為材料泊松比。為材料泊松比。 E為材料的彈性模量為材料的彈性模量利用胡克定律求徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變?yōu)槔煤硕汕髲较驊?yīng)變和切向應(yīng)變?yōu)椋河纱说玫降膽?yīng)變分布曲線為：由此得到的應(yīng)變分布曲線為：22223183rREhPr2222183rREhPt下頁下頁上頁上頁應(yīng)變分布特點(diǎn)：應(yīng)變分布特點(diǎn)：最大正應(yīng)變?cè)趫A心，方向沿徑向或切向；最大正應(yīng)變?cè)趫A心，方向沿徑向或切向；最大負(fù)應(yīng)變?cè)谄侥て墓潭ㄌ?，方向沿直徑方向。最大?fù)應(yīng)變?cè)谄侥て墓潭?/p>