第2章電阻應(yīng)變式傳感器

1、傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第1頁(yè)第二章 電阻應(yīng)變式傳感器傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第2頁(yè)2.1 概述各種電子秤各種電子秤傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第3頁(yè)2.1 概述應(yīng)用領(lǐng)域廣泛?？蓽y(cè)量力、扭矩、壓力、加速度等。應(yīng)用領(lǐng)域廣泛?？蓽y(cè)量力、扭矩、壓力、加速度等。l 測(cè)量范圍廣測(cè)量范圍廣: 4910 10

2、Pa壓力壓力70.1 10 N力力l 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，質(zhì)量輕。應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，質(zhì)量輕。應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上對(duì)其工作狀態(tài)和應(yīng)力分布的影響很小。同時(shí)使用件上對(duì)其工作狀態(tài)和應(yīng)力分布的影響很小。同時(shí)使用維修方便。維修方便。l 靈敏度高、慣性很小、頻率響應(yīng)特性好?？蓽y(cè)量靈敏度高、慣性很小、頻率響應(yīng)特性好?？蓽y(cè)量050KHz的振動(dòng)。的振動(dòng)。傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第4頁(yè) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器是將是將應(yīng)變片粘貼于彈性體表面應(yīng)變片粘貼于彈性體表面或者或者直直接將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)試件

3、上接將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)試件上。彈性體或試件的變形。彈性體或試件的變形通過(guò)通過(guò)基底和粘結(jié)劑基底和粘結(jié)劑傳遞給傳遞給敏感柵敏感柵，其電阻值發(fā)生相應(yīng)，其電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，即的變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，即可測(cè)量應(yīng)變。可測(cè)量應(yīng)變。 若通過(guò)彈性體或試件把位移、力、若通過(guò)彈性體或試件把位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變，則可測(cè)量上述各量，而做成應(yīng)變，則可測(cè)量上述各量，而做成各種應(yīng)變式傳感器。成各種應(yīng)變式傳感器。 2.1 概述傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原

4、理傳感器原理6/26/2022第二章 第5頁(yè)絲式應(yīng)變片絲式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片膜式應(yīng)變片膜式應(yīng)變片2.1 概述傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第6頁(yè)絲式應(yīng)變片絲式應(yīng)變片2.1 概述金屬絲式應(yīng)變片是用金屬絲式應(yīng)變片是用0.010.05mm的金屬絲的金屬絲做成敏感柵做成敏感柵 傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第7頁(yè)箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片2.1 概述箔式應(yīng)變片是利用照相箔式應(yīng)變片是利用照相制版或光刻技術(shù)，將厚制

5、版或光刻技術(shù)，將厚約為約為0.0030.01mm的金的金屬箔片屬箔片制成敏感柵制成敏感柵 傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第8頁(yè)膜式應(yīng)變片膜式應(yīng)變片2.1 概述金屬薄膜應(yīng)變片是是采用金屬薄膜應(yīng)變片是是采用真空蒸真空蒸發(fā)或真空沉積發(fā)或真空沉積等方法，在等方法，在薄的絕薄的絕緣基片緣基片上上形成厚度在形成厚度在0.1m以下以下的金屬電阻材料薄膜的金屬電阻材料薄膜的敏感柵，的敏感柵，最后再加上保護(hù)層最后再加上保護(hù)層 傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳

6、感器原理6/26/2022第二章 第9頁(yè)（即壓阻式傳感器也叫固態(tài)（即壓阻式傳感器也叫固態(tài)壓阻式傳感器）壓阻式傳感器）2.1 概述半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為象稱(chēng)為壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)。 利用半導(dǎo)體的這種壓組效應(yīng)制利用半導(dǎo)體的這種壓組效應(yīng)制成粘貼式的應(yīng)變片成粘貼式的應(yīng)變片傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第10頁(yè) 金屬絲受拉時(shí)，金屬絲受拉時(shí)，l變長(zhǎng)、變長(zhǎng)、r變小，導(dǎo)致變小，導(dǎo)致R變大變大 。2.2 金屬應(yīng)變片簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)傳感

7、器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第11頁(yè)一根金屬絲長(zhǎng)度為一根金屬絲長(zhǎng)度為 ，截面積為，截面積為 ，電阻率為，電阻率為 ，其電阻，其電阻一、應(yīng)變效應(yīng)一、應(yīng)變效應(yīng) lRs2srls兩邊取對(duì)數(shù)、微分：兩邊取對(duì)數(shù)、微分：2dsrdr整理得整理得 2dRddldrRlr2.2 金屬應(yīng)變片lnlnlnlnRls傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第12頁(yè)2.2金屬應(yīng)變片由材料力學(xué)可知由材料力學(xué)可知 ()dll軸 向 應(yīng) 變 量且

8、且 ()rdrr徑 向 應(yīng) 變 量()r 金 屬 材 料 泊 松 系 數(shù)2(12)(2)(2)dVdSdldrdlVSlVSlrlrdVCVCdCC C為金屬材料的某個(gè)常數(shù)?？点~絲為金屬材料的某個(gè)常數(shù)。康銅絲C=1傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第13頁(yè)2.2金屬應(yīng)變片所以整理可得所以整理可得 (12)(12)(12)(12)sdRccRK 其中其中 成為金屬絲的靈敏度系數(shù)（一般在成為金屬絲的靈敏度系數(shù)（一般在1.83.6）sK用增量形式用增量形式：ssRlKKRl應(yīng)變靈敏度系數(shù)的物理意義為應(yīng)變靈敏度

9、系數(shù)的物理意義為單位應(yīng)變引起的電阻相對(duì)變化單位應(yīng)變引起的電阻相對(duì)變化傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第14頁(yè)二、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、材料 均由均由敏感柵敏感柵1、基底基底2、蓋片蓋片3、引線(xiàn)引線(xiàn)4和和粘接劑粘接劑等組成等組成 2.2 金屬應(yīng)變片1、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第15頁(yè)l 敏感柵敏感柵應(yīng)變片中實(shí)現(xiàn)應(yīng)變片中實(shí)現(xiàn)應(yīng)變應(yīng)變電阻轉(zhuǎn)換的電阻轉(zhuǎn)換的敏敏感元件。通常由直徑感元件。通常由直徑為為0.0

10、150.05mm的金屬絲的金屬絲繞成柵狀繞成柵狀，或用，或用金屬箔腐蝕成柵狀金屬箔腐蝕成柵狀。2.2 金屬應(yīng)變片圖中圖中l(wèi)表示柵長(zhǎng)，表示柵長(zhǎng)，b表示柵寬。柵長(zhǎng)大小關(guān)系到所測(cè)應(yīng)變表示柵寬。柵長(zhǎng)大小關(guān)系到所測(cè)應(yīng)變的準(zhǔn)確度。（應(yīng)變片測(cè)得的大小實(shí)際上是的準(zhǔn)確度。（應(yīng)變片測(cè)得的大小實(shí)際上是應(yīng)變片柵長(zhǎng)和應(yīng)變片柵長(zhǎng)和柵寬所在面積的平均軸向應(yīng)變量柵寬所在面積的平均軸向應(yīng)變量）傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第16頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片l 基底、蓋片基底、蓋片基底基底用于用于保持敏感柵、引線(xiàn)的幾保持敏感柵、引線(xiàn)的幾何形狀

11、和相對(duì)位置何形狀和相對(duì)位置；蓋片蓋片既能保持敏感柵、引線(xiàn)的幾既能保持敏感柵、引線(xiàn)的幾何形狀和相對(duì)位置，何形狀和相對(duì)位置，還可以保護(hù)敏感柵還可以保護(hù)敏感柵，起著防潮、，起著防潮、防蝕、防損等作用。防蝕、防損等作用。應(yīng)變片工作時(shí)應(yīng)變片工作時(shí)，基底起著，基底起著把試件應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞給敏感柵把試件應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞給敏感柵的作用的作用。為此，基底必須很薄，一般為。為此，基底必須很薄，一般為0.020.04mm。有用專(zhuān)門(mén)的薄紙制成的基片有用專(zhuān)門(mén)的薄紙制成的基片稱(chēng)為稱(chēng)為紙基紙基。有用粘結(jié)劑和有。有用粘結(jié)劑和有機(jī)樹(shù)脂薄膜制成的機(jī)樹(shù)脂薄膜制成的膠基膠基。 傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖

12、南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第17頁(yè)l 引線(xiàn)引線(xiàn)它起著它起著敏感柵與測(cè)量電路敏感柵與測(cè)量電路之間的過(guò)之間的過(guò)渡連接和引導(dǎo)作用。通常取直徑約渡連接和引導(dǎo)作用。通常取直徑約0.10.15mm的低阻鍍錫銅線(xiàn)，并用釬焊與敏感柵端連接。的低阻鍍錫銅線(xiàn)，并用釬焊與敏感柵端連接。 2.2 金屬應(yīng)變片l 粘結(jié)劑粘結(jié)劑在制造應(yīng)變片時(shí)在制造應(yīng)變片時(shí)，用它分別把蓋片和，用它分別把蓋片和敏感柵固結(jié)于基底；敏感柵固結(jié)于基底；在使用應(yīng)變片時(shí)在使用應(yīng)變片時(shí)，用它把應(yīng)變，用它把應(yīng)變片基底再粘貼在試件表面的被測(cè)部位。因此它也起片基底再粘貼在試件表面的被測(cè)部位。因此它也起著傳遞應(yīng)變的作用。

13、著傳遞應(yīng)變的作用。有有無(wú)機(jī)和有機(jī)無(wú)機(jī)和有機(jī)兩大類(lèi)，分兩大類(lèi)，分別適合于不同溫度的，別適合于不同溫度的，無(wú)無(wú)機(jī)的適合高溫機(jī)的適合高溫，有機(jī)的適有機(jī)的適合于中低溫和常溫合于中低溫和常溫對(duì)引線(xiàn)材料的要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)對(duì)引線(xiàn)材料的要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。小、抗氧化性能好、易于焊接。傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第18頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片l 絲狀直徑絲狀直徑0.010.05mm 金屬絲金屬絲 箔狀厚約為箔狀厚約為0.0030.01mm 薄狀箔片薄狀箔片l 同樣的截面積

14、，箔狀應(yīng)變片可以做的表面積很大同樣的截面積，箔狀應(yīng)變片可以做的表面積很大。 那么電流通過(guò)應(yīng)變片時(shí)那么電流通過(guò)應(yīng)變片時(shí)散熱性要比絲狀的好散熱性要比絲狀的好；對(duì)于箔狀應(yīng)變片和絲狀應(yīng)變片，有什么不同的呢？對(duì)于箔狀應(yīng)變片和絲狀應(yīng)變片，有什么不同的呢？另外箔狀應(yīng)變片可以另外箔狀應(yīng)變片可以通過(guò)比較大的電流通過(guò)比較大的電流，輸出電流或，輸出電流或電壓可以增大，電壓可以增大，通過(guò)比較大的電流通過(guò)比較大的電流。l 應(yīng)變片的應(yīng)變片的應(yīng)力分布狀態(tài)和試件所產(chǎn)生的應(yīng)力非常接應(yīng)力分布狀態(tài)和試件所產(chǎn)生的應(yīng)力非常接近近，即它比絲狀應(yīng)變片更接近于試件應(yīng)變片，帶來(lái)，即它比絲狀應(yīng)變片更接近于試件應(yīng)變片，帶來(lái)很很高的測(cè)量精度高的測(cè)量

15、精度。傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第19頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片l 絲狀有彎曲絲狀有彎曲柵寬、柵長(zhǎng)。箔狀在柵寬、柵長(zhǎng)。箔狀在橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)方面比絲狀的帶來(lái)的誤差要小方面比絲狀的帶來(lái)的誤差要小l 箔狀應(yīng)變片的兩個(gè)端線(xiàn)（引線(xiàn)）是通過(guò)焊接引出的，箔狀應(yīng)變片的兩個(gè)端線(xiàn)（引線(xiàn)）是通過(guò)焊接引出的，而絲狀是直接引出的。因?yàn)楹附佑泻更c(diǎn)的問(wèn)題，所以而絲狀是直接引出的。因?yàn)楹附佑泻更c(diǎn)的問(wèn)題，所以箔狀應(yīng)變片容易受到溫度的影響箔狀應(yīng)變片容易受到溫度的影響，不適合高溫，不適合高溫l 箔狀的成本比絲狀的高，所以?xún)r(jià)格高些。箔狀的

16、成本比絲狀的高，所以?xún)r(jià)格高些。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第20頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片2、應(yīng)變片的材料傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第21頁(yè) 去污去污：采用：采用手持砂輪手持砂輪工具工具除去構(gòu)件表面的除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，油污、漆、銹斑等，并用并用細(xì)紗布交叉打磨細(xì)紗布交叉打磨出細(xì)紋以增加粘貼力出細(xì)紋以增加粘貼力 ，用浸有酒精或丙酮的用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦紗布片或脫脂棉球

17、擦洗。洗。 3、應(yīng)變片的粘貼、應(yīng)變片的粘貼2.2 金屬應(yīng)變片傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第22頁(yè) 貼片貼片：在應(yīng)變片的：在應(yīng)變片的表表面和處理過(guò)的粘貼表面和處理過(guò)的粘貼表面上面上，各涂一層均勻，各涂一層均勻的粘貼膠的粘貼膠 ，用鑷子將，用鑷子將應(yīng)變片放上去，并調(diào)應(yīng)變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣滾壓，排出下面的氣泡泡 。2.2 金屬應(yīng)變片傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原

18、理傳感器原理6/26/2022第二章 第23頁(yè) 測(cè)量測(cè)量 ：從分開(kāi)的端子：從分開(kāi)的端子處，預(yù)先用萬(wàn)用表測(cè)量處，預(yù)先用萬(wàn)用表測(cè)量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。子折斷和壞的應(yīng)變片。2.2 金屬應(yīng)變片傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第24頁(yè) 焊接：焊接：將引線(xiàn)和端將引線(xiàn)和端子用烙鐵焊接起來(lái)，子用烙鐵焊接起來(lái)，注意不要把端子扯斷。注意不要把端子扯斷。 2.2 金屬應(yīng)變片傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2

19、022第二章 第25頁(yè) 固定固定：焊接后：焊接后用膠布將引線(xiàn)和用膠布將引線(xiàn)和被測(cè)對(duì)象固定在被測(cè)對(duì)象固定在一起，防止損壞一起，防止損壞引線(xiàn)和應(yīng)變片。引線(xiàn)和應(yīng)變片。 2.2 金屬應(yīng)變片傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第26頁(yè)三、主要特性三、主要特性金屬應(yīng)變片金屬應(yīng)變片 2.2 金屬應(yīng)變片1、靈敏度系數(shù)和橫向效應(yīng)、靈敏度系數(shù)和橫向效應(yīng)l 靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)K實(shí)驗(yàn)測(cè)定實(shí)驗(yàn)測(cè)定 （原因在于橫向效應(yīng)、膠層傳遞變?cè)蛟谟跈M向效應(yīng)、膠層傳遞變形失真形失真）RKRRRK線(xiàn)性范圍寬線(xiàn)性范圍寬 金屬應(yīng)變絲金屬應(yīng)變絲的電阻

20、相對(duì)變化與它所感受的應(yīng)變的電阻相對(duì)變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線(xiàn)性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)之間具有線(xiàn)性關(guān)系，用靈敏度系數(shù) 表示。表示。sKsKK傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第27頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片l 橫向效應(yīng)橫向效應(yīng) 敏感柵的兩端為敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵半圓弧形的橫柵，測(cè)量應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件的，測(cè)量應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件的軸向應(yīng)變軸向應(yīng)變 使敏感柵電阻發(fā)生變化，其使敏感柵電阻發(fā)生變化，其橫向應(yīng)變橫向應(yīng)變 也將也將使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化，應(yīng)變片的這種使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化，應(yīng)變片的這種既受既受

21、軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象的現(xiàn)象稱(chēng)為橫向效應(yīng)。稱(chēng)為橫向效應(yīng)。r橫向效應(yīng)導(dǎo)致橫向效應(yīng)導(dǎo)致sKK為了克服橫向效應(yīng)所帶來(lái)的放大為了克服橫向效應(yīng)所帶來(lái)的放大系數(shù)的下降，一般將系數(shù)的下降，一般將靈敏柵的形靈敏柵的形狀做的即窄又長(zhǎng)狀做的即窄又長(zhǎng)。傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第28頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片2、機(jī)械滯后、應(yīng)變極限和零漂、機(jī)械滯后、應(yīng)變極限和零漂l 機(jī)械滯后機(jī)械滯后如圖所示，應(yīng)變片粘貼在試件上如圖所示，應(yīng)變片粘貼在試件上 試件在試件在加

22、載、卸載過(guò)程加載、卸載過(guò)程中，對(duì)同一個(gè)機(jī)械應(yīng)變中，對(duì)同一個(gè)機(jī)械應(yīng)變 ，應(yīng)變，應(yīng)變片的片的指示應(yīng)變值發(fā)生變化指示應(yīng)變值發(fā)生變化，其，其差值差值 稱(chēng)為機(jī)械滯后稱(chēng)為機(jī)械滯后機(jī)械滯后的原因：機(jī)械滯后的原因：加載和卸載過(guò)程中有殘余應(yīng)力加載和卸載過(guò)程中有殘余應(yīng)力粘結(jié)劑固化不充分。粘結(jié)劑固化不充分。傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第29頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片 其滯后的大小與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量大小有關(guān)。其滯后的大小與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量大小有關(guān)。加載時(shí)的加載時(shí)的機(jī)械應(yīng)變機(jī)械應(yīng)變 ，卸載時(shí)的，卸載時(shí)的滯后滯后 在實(shí)驗(yàn)之

23、前應(yīng)將試件預(yù)先加、在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載若干次，以減小機(jī)械滯后卸載若干次，以減小機(jī)械滯后所產(chǎn)生的誤差所產(chǎn)生的誤差傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第30頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片l 應(yīng)變極限應(yīng)變極限理想情況下理想情況下，應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化與所承受的軸向應(yīng)，應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化與所承受的軸向應(yīng)變成正比，即變成正比，即靈敏系數(shù)為常數(shù)靈敏系數(shù)為常數(shù)，這種情況只能在一定的，這種情況只能在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)才能保持，當(dāng)試件表面的應(yīng)變超過(guò)某一數(shù)值應(yīng)變范圍內(nèi)才能保持，當(dāng)試件表面的應(yīng)變超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，它們之間的比例關(guān)

24、系不再成立。時(shí)，它們之間的比例關(guān)系不再成立。當(dāng)應(yīng)變量不大時(shí)當(dāng)應(yīng)變量不大時(shí)，應(yīng)變片的指示應(yīng)變值，應(yīng)變片的指示應(yīng)變值隨試件表面的真實(shí)應(yīng)變的增加而線(xiàn)性增隨試件表面的真實(shí)應(yīng)變的增加而線(xiàn)性增加。加。當(dāng)不斷增加時(shí)當(dāng)不斷增加時(shí)，曲線(xiàn)，曲線(xiàn)1由直線(xiàn)逐漸變由直線(xiàn)逐漸變彎，產(chǎn)生非線(xiàn)性誤差。彎，產(chǎn)生非線(xiàn)性誤差。當(dāng)曲線(xiàn)當(dāng)曲線(xiàn)1與其中的一條相對(duì)誤差相交時(shí)，與其中的一條相對(duì)誤差相交時(shí)，對(duì)應(yīng)該點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)變值即為對(duì)應(yīng)該點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)變值即為應(yīng)變極限應(yīng)變極限。傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第31頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片影響應(yīng)變極限大小的主要

25、因索影響應(yīng)變極限大小的主要因索：粘結(jié)劑和基底材：粘結(jié)劑和基底材料傳遞變形的性能及應(yīng)變片的安裝質(zhì)量。料傳遞變形的性能及應(yīng)變片的安裝質(zhì)量。制造與安裝應(yīng)變片時(shí)，應(yīng)選用抗剪強(qiáng)度制造與安裝應(yīng)變片時(shí)，應(yīng)選用抗剪強(qiáng)度較高的粘結(jié)劑和基底材料。基底相粘結(jié)較高的粘結(jié)劑和基底材料。基底相粘結(jié)劑的厚度不宜過(guò)大并應(yīng)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)墓虅┑暮穸炔灰诉^(guò)大并應(yīng)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)墓袒幚?，才能獲得較高的應(yīng)變極限?；幚恚拍塬@得較高的應(yīng)變極限。傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第32頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片l 零漂和蠕變零漂和蠕變 當(dāng)試件未受力或在受恒定機(jī)

26、械應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片當(dāng)試件未受力或在受恒定機(jī)械應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片指示應(yīng)變隨時(shí)間發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)之為指示應(yīng)變隨時(shí)間發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)之為零漂或蠕零漂或蠕變變 。造成。造成零點(diǎn)誤差和漂移誤差零點(diǎn)誤差和漂移誤差造成原因造成原因：敏感柵通以工作電流后的溫度效應(yīng)，：敏感柵通以工作電流后的溫度效應(yīng)，應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化，粘結(jié)劑固化不充分；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化，粘結(jié)劑固化不充分；膠層之間發(fā)生膠層之間發(fā)生“滑動(dòng)滑動(dòng)”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第33頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片3、動(dòng)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性 動(dòng)態(tài)特性是指

27、應(yīng)變片對(duì)應(yīng)變波（隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)特性是指應(yīng)變片對(duì)應(yīng)變波（隨時(shí)間變化的應(yīng)變值）的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。應(yīng)變值）的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。 當(dāng)頻率很高的被測(cè)應(yīng)變值傳遞給應(yīng)變片時(shí)，只考當(dāng)頻率很高的被測(cè)應(yīng)變值傳遞給應(yīng)變片時(shí)，只考慮柵長(zhǎng)方向傳播時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慮柵長(zhǎng)方向傳播時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 設(shè)應(yīng)變波波長(zhǎng)設(shè)應(yīng)變波波長(zhǎng) ，柵長(zhǎng)為，柵長(zhǎng)為 為傳播速度，為傳播速度， 為頻率為頻率 vflvf方向上應(yīng)變分布值為：方向上應(yīng)變分布值為： 002()sinsinxxx傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第34頁(yè)2.1 應(yīng)變片的工作原理則應(yīng)變片中點(diǎn)的應(yīng)變值為

28、：則應(yīng)變片中點(diǎn)的應(yīng)變值為： 02sinttx而測(cè)得的應(yīng)變值是柵長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均值而測(cè)得的應(yīng)變值是柵長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均值121002sin122sinsinttxmtxlxdxxllm傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第35頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片兩者之差（相對(duì)誤差）兩者之差（相對(duì)誤差） sin11tmmttll其誤差大小取決于其誤差大小取決于 的大小的大小l110120ll當(dāng)時(shí) ，=1.62%時(shí) ，=0.52%傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/

29、26/2022第二章 第36頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片則則 vfvlvfl10.110lvfl取，則若已知應(yīng)變波在某材料內(nèi)若已知應(yīng)變波在某材料內(nèi)傳播速度傳播速度，由上式可計(jì)，由上式可計(jì)算出算出柵長(zhǎng)為柵長(zhǎng)為的應(yīng)變片粘貼在某種材料上的的應(yīng)變片粘貼在某種材料上的可測(cè)動(dòng)態(tài)可測(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)變最高頻率。應(yīng)變最高頻率。 傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第37頁(yè)四、溫度誤差及其補(bǔ)償四、溫度誤差及其補(bǔ)償2.2 金屬應(yīng)變片1、溫度誤差、溫度誤差22()tegRKKtR應(yīng)變片的應(yīng)變片的電阻絲溫度系數(shù)電阻絲溫度系數(shù) 產(chǎn)生的誤差產(chǎn)生的誤差

30、 金屬應(yīng)變測(cè)量時(shí)，因金屬應(yīng)變測(cè)量時(shí)，因環(huán)境溫度變化環(huán)境溫度變化 而引起的電阻阻值而引起的電阻阻值的變化的變化 主要有兩個(gè)因素：主要有兩個(gè)因素：tRRttRR1tRtRt電阻絲膨脹系數(shù)電阻絲膨脹系數(shù) 與與測(cè)試試件材料的膨脹系數(shù)測(cè)試試件材料的膨脹系數(shù) 之之間不同而產(chǎn)生誤差產(chǎn)生的誤差間不同而產(chǎn)生誤差產(chǎn)生的誤差ge2()tegt附加應(yīng)變值附加應(yīng)變值傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第38頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片 綜合以上兩個(gè)因素，其應(yīng)變片由溫度變化效應(yīng)綜合以上兩個(gè)因素，其應(yīng)變片由溫度變化效應(yīng)而產(chǎn)生的應(yīng)變形式的熱輸出

31、誤差而產(chǎn)生的應(yīng)變形式的熱輸出誤差12()()tegttRRRtKtKRRR 熱輸出誤差其中其中()tttegRRttKK 虛假應(yīng)變傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第39頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片2、溫度補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償()0()tegtgeKK，即若使應(yīng)變片在溫度變化時(shí)的熱輸出值為零，須使若使應(yīng)變片在溫度變化時(shí)的熱輸出值為零，須使在在試件確定的情況試件確定的情況下，選擇相應(yīng)的應(yīng)變片使得應(yīng)變片敏下，選擇相應(yīng)的應(yīng)變片使得應(yīng)變片敏感柵金屬絲感柵金屬絲 滿(mǎn)足上述關(guān)系滿(mǎn)足上述關(guān)系,tg 單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片

32、傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第40頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片()()atbtRR 由由兩種不同電阻溫度系數(shù)兩種不同電阻溫度系數(shù)的材料的材料串聯(lián)串聯(lián)組成敏感柵，兩種材料的溫度系數(shù)（組成敏感柵，兩種材料的溫度系數(shù)（一一正，一負(fù)正，一負(fù)），達(dá)到在一定的溫度范圍內(nèi)、），達(dá)到在一定的溫度范圍內(nèi)、一定材料的試件上實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。一定材料的試件上實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。要求兩段材料組成的敏感柵在一定的溫度范圍內(nèi)滿(mǎn)足：要求兩段材料組成的敏感柵在一定的溫度范圍內(nèi)滿(mǎn)足： 雙絲組合自補(bǔ)償應(yīng)變片雙絲組合自補(bǔ)償應(yīng)變片則熱輸出變化值則熱輸出變

33、化值()()()0tatbtRRR 以上兩種方法，均從敏感柵材料上加以選擇處理實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)償。以上兩種方法，均從敏感柵材料上加以選擇處理實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)償。雖然簡(jiǎn)單，但是范圍窄，有一定的局限性。雖然簡(jiǎn)單，但是范圍窄，有一定的局限性。傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第41頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片實(shí)際中采用電路補(bǔ)償法實(shí)際中采用電路補(bǔ)償法 稱(chēng)為工作應(yīng)變片；稱(chēng)為工作應(yīng)變片； 稱(chēng)為補(bǔ)償應(yīng)變片稱(chēng)為補(bǔ)償應(yīng)變片（不受力，但與（不受力，但與 處于同環(huán)境溫度下）處于同環(huán)境溫度下）1R 電路補(bǔ)償法電路補(bǔ)償法2R1R12RRR34RRR固定

34、電阻固定電阻則橋的初始輸出則橋的初始輸出311234142312341423()()()()0scRRUERRRRR RR RERRRRA R RR RA R RR RA橋壓系數(shù)橋壓系數(shù)傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第42頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片把該值代入上式把該值代入上式 ，則，則11tRRR l 當(dāng)環(huán)境溫度變化當(dāng)環(huán)境溫度變化 時(shí)時(shí),（ 處于同一溫度場(chǎng)）處于同一溫度場(chǎng)） 溫度對(duì)于應(yīng)變片所產(chǎn)生的溫度對(duì)于應(yīng)變片所產(chǎn)生的 通過(guò)橋路輸出相互通過(guò)橋路輸出相互抵消實(shí)現(xiàn)溫度的自補(bǔ)償?shù)窒麑?shí)現(xiàn)溫度的自補(bǔ)償t12R R2

35、2 tRRR 12)tttRRR (其 中 ，1423()()()0scttUA R RR RARRRRRR 12,ttRR傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第43頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片其中，其中，111tRRRR l 當(dāng)當(dāng) 應(yīng)變片（工作應(yīng)變片）受力產(chǎn)生應(yīng)變輸出應(yīng)變片（工作應(yīng)變片）受力產(chǎn)生應(yīng)變輸出,112()()scttUARRRRRRR 即應(yīng)變效應(yīng)即應(yīng)變效應(yīng)1R111RR KRKR為 應(yīng) 變 片 的 變 化 輸 出 量 應(yīng)變片（補(bǔ)償應(yīng)變片）不受力的作用應(yīng)變片（補(bǔ)償應(yīng)變片）不受力的作用2R22tRRR 其

36、中其中12tttRRR （溫度影響引起的變化輸出）（溫度影響引起的變化輸出）則則整理得：整理得：1scUARRAR RK傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第44頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片整理得：整理得：1scUARRAR RK 由此看出橋輸出只與由此看出橋輸出只與 （工作應(yīng)變片）應(yīng)變量（工作應(yīng)變片）應(yīng)變量 有關(guān)；而與溫度引起的誤差無(wú)關(guān)。從而起到了電橋自有關(guān)；而與溫度引起的誤差無(wú)關(guān)。從而起到了電橋自動(dòng)補(bǔ)償效果動(dòng)補(bǔ)償效果1R電路補(bǔ)償方法與之前的補(bǔ)償方法不同，電路補(bǔ)償方法與之前的補(bǔ)償方法不同，可以做到一個(gè)完全的補(bǔ)償

37、。而且還可以可以做到一個(gè)完全的補(bǔ)償。而且還可以通通過(guò)橋路得到一個(gè)輸出和輸入之間的轉(zhuǎn)過(guò)橋路得到一個(gè)輸出和輸入之間的轉(zhuǎn)換換，即，即電阻和電壓之間電阻和電壓之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)溫的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)溫度的自補(bǔ)償度的自補(bǔ)償傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第45頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片l 以上電路補(bǔ)償?shù)臈l件以上電路補(bǔ)償?shù)臈l件1R 和和 均為均為同一型號(hào)的應(yīng)變片同一型號(hào)的應(yīng)變片。即它們的。即它們的電阻溫度電阻溫度系數(shù)系數(shù) 、線(xiàn)膨脹系數(shù)線(xiàn)膨脹系數(shù) 、應(yīng)變靈敏系數(shù)應(yīng)變靈敏系數(shù) 都相同，兩都相同，兩片的初始電阻值也要求相同；片的初始電

38、阻值也要求相同；2RK 粘貼粘貼 的的工作試件工作試件和和 的的構(gòu)件構(gòu)件，兩者，兩者材料相同材料相同，即要，即要求求兩者線(xiàn)膨脹系數(shù)相同兩者線(xiàn)膨脹系數(shù)相同；2R1R 和和 兩片應(yīng)變片處于同一溫度環(huán)境中。兩片應(yīng)變片處于同一溫度環(huán)境中。2R1R傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第46頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片l 采用差動(dòng)測(cè)量。采用差動(dòng)測(cè)量。既能實(shí)現(xiàn)既能實(shí)現(xiàn)電路補(bǔ)償電路補(bǔ)償，又能，又能提提高橋輸出靈敏度高橋輸出靈敏度 如圖所示懸臂梁測(cè)試試件，如圖所示懸臂梁測(cè)試試件， 均為工作應(yīng)變片，在均為工作應(yīng)變片，在力力F的作用下

39、以及環(huán)境溫度的變化下的作用下以及環(huán)境溫度的變化下 。1111tttRRRRRRKRRRR 2222tttRRRRRRKRRRR 1122()()SCttUARRRRRRRR 12R R傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第47頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片1212)2(2SCA RRRRA RRUAR RRKRRAR整理后得：整理后得：2倍原來(lái)的輸出倍原來(lái)的輸出傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第48頁(yè)五、測(cè)量電路五、測(cè)量電

40、路2.2 金屬應(yīng)變片1、測(cè)量電橋形式特點(diǎn)、測(cè)量電橋形式特點(diǎn) 測(cè)量橋路可以是測(cè)量橋路可以是直流電橋直流電橋或者是或者是交流電橋交流電橋。橋的作用是。橋的作用是將應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變值而引起的將應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變值而引起的電阻變化量電阻變化量 轉(zhuǎn)換成電壓轉(zhuǎn)換成電壓變化量變化量 或電流變化量或電流變化量 輸出傳送。輸出傳送。RmvI1234(,)R RR R根據(jù)橋臂電阻根據(jù)橋臂電阻 的的不同配制，可以有幾種形式。不同配制，可以有幾種形式。 傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第49頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片 按電阻不同配制

41、分按電阻不同配制分1234RRRRRl 等臂橋等臂橋 1234,()RRRRRRRRl 輸出對(duì)稱(chēng)橋輸出對(duì)稱(chēng)橋 又稱(chēng)第一對(duì)稱(chēng)橋又稱(chēng)第一對(duì)稱(chēng)橋 1324,()RRRRRRRRl 1 電源對(duì)稱(chēng)橋電源對(duì)稱(chēng)橋 又稱(chēng)第二對(duì)稱(chēng)橋又稱(chēng)第二對(duì)稱(chēng)橋 傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第50頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片 按工作應(yīng)變片分按工作應(yīng)變片分1Rl 為工作應(yīng)變片，為工作應(yīng)變片， 為補(bǔ)償應(yīng)變片為補(bǔ)償應(yīng)變片（ 為固定電阻）為固定電阻）單臂橋單臂橋1234RRRR、l 均為工作應(yīng)變片均為工作應(yīng)變片全全橋，當(dāng)橋，當(dāng) 、 時(shí)稱(chēng)全時(shí)稱(chēng)全橋

42、形式的差動(dòng)測(cè)量橋橋形式的差動(dòng)測(cè)量橋 2R34RR、12RR、l 為工作應(yīng)變片為工作應(yīng)變片,（ 為固定電阻）為固定電阻）雙臂橋，雙臂橋，當(dāng)當(dāng) 時(shí)稱(chēng)半橋形式的差動(dòng)測(cè)量橋時(shí)稱(chēng)半橋形式的差動(dòng)測(cè)量橋34RR、12RRRRRR= +、=14RRRR= +23RRRR=其應(yīng)變片在懸臂橋試件上的粘貼方式其應(yīng)變片在懸臂橋試件上的粘貼方式傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第51頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片2、測(cè)量電路的輸出分析、測(cè)量電路的輸出分析以單個(gè)工作應(yīng)變片以單個(gè)工作應(yīng)變片 組成單臂橋輸出為例，當(dāng)組成單臂橋輸出為例，當(dāng)1R31

43、423112341234()()SCRR RR RRUEERRRRRRRR初始平衡初始平衡 ()gR 0SCU平衡條件平衡條件 311414233242RRR RR RR RRRRR（或）傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第52頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片當(dāng)工作應(yīng)變片當(dāng)工作應(yīng)變片 產(chǎn)生一個(gè)產(chǎn)生一個(gè) ，則，則1R1142311234()()()SCRR RR RUERRRRR 不考慮環(huán)境溫度的影響不考慮環(huán)境溫度的影響 因?yàn)橐驗(yàn)?1R11RR 忽略分母中的忽略分母中的1R1142312344112344111411

44、241222()()()()()()()()(1)SCRR RR RUERRRRRRERRRRRRREER RRRRRRRRR 傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第53頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片下面分別討論各種形式橋的輸下面分別討論各種形式橋的輸出情況（均為單臂工作情況）出情況（均為單臂工作情況）121221121222()()(1)SCRRRREERRRRRRUR111212121()RKRR RRERRR 12212()R REKRR則則傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南

45、長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第54頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片 等臂橋等臂橋1234RRRRR22()(142 )SCREUEKKR線(xiàn)性則：則： 12341,()RRR RRRRRR 11RRR 第一對(duì)稱(chēng)橋第一對(duì)稱(chēng)橋22()(142 )SCREUEKKR線(xiàn)性則：則： 12212()SCR RUEKRR傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第55頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片14231,()RRR RRRRRR 第二對(duì)稱(chēng)橋第二對(duì)稱(chēng)橋2()112SCRREKRRUEKkk則：則： 12212()R

46、REKRRkR R其中：其中： 114SCkUEK時(shí)， 靈敏度不變靈敏度不變 除此之外，靈敏度下降。而且當(dāng)除此之外，靈敏度下降。而且當(dāng) 時(shí)，橋輸出靈敏度下降很快時(shí)，橋輸出靈敏度下降很快 1k 傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第56頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片1234(),()RRRRRR工作應(yīng)變片固定電阻 差動(dòng)形式的半橋和全橋輸出（以等臂橋?yàn)槔┎顒?dòng)形式的半橋和全橋輸出（以等臂橋?yàn)槔?在懸臂梁粘貼形式如圖所示在懸臂梁粘貼形式如圖所示 差動(dòng)半橋輸出差動(dòng)半橋輸出 12,R R12RRRRRR 則則 142312

47、342()()()1()4122SCR RR RERRRRRR RRR RERRERUEK是單臂形式是單臂形式的的2倍關(guān)系倍關(guān)系 傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第57頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片1234RRRRR均工作應(yīng)變片在懸臂梁粘貼形式如圖所示在懸臂梁粘貼形式如圖所示 差動(dòng)全橋輸出差動(dòng)全橋輸出 1423RRRRRRRR 所以所以 221234()()()()SCRRRRERRUEKRRRER是單臂形式的是單臂形式的4倍關(guān)系倍關(guān)系 其中其中 絕對(duì)線(xiàn)性絕對(duì)線(xiàn)性 傳感器原理傳感器原理5513201551320

48、1湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第58頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片六、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用六、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 將將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)構(gòu)件應(yīng)變片粘貼于被測(cè)構(gòu)件上，然后將其接到應(yīng)變儀上，然后將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測(cè)試件的應(yīng)變量。直接上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測(cè)試件的應(yīng)變量。直接用來(lái)測(cè)定構(gòu)件的應(yīng)力或應(yīng)變。用來(lái)測(cè)定構(gòu)件的應(yīng)力或應(yīng)變。例如例如，為了研究或驗(yàn)證，為了研究或驗(yàn)證機(jī)械、橋梁、建筑機(jī)械、橋梁、建筑等某些構(gòu)件等某些構(gòu)件在在工作狀態(tài)下的受力、變形工作狀態(tài)下的受力、變形情況，可利用形狀不同的情況，可利用形狀不同的應(yīng)變片，粘貼在構(gòu)件的預(yù)測(cè)

49、部位，可測(cè)得構(gòu)件的拉、應(yīng)變片，粘貼在構(gòu)件的預(yù)測(cè)部位，可測(cè)得構(gòu)件的拉、壓應(yīng)力、扭矩或彎矩等。壓應(yīng)力、扭矩或彎矩等。傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第59頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片 應(yīng)變片粘貼于彈性元件應(yīng)變片粘貼于彈性元件上，并將其接到測(cè)量轉(zhuǎn)上，并將其接到測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，與彈性元件一起構(gòu)成換電路，與彈性元件一起構(gòu)成專(zhuān)用應(yīng)變式傳感專(zhuān)用應(yīng)變式傳感器。器。 這種傳感器常用來(lái)測(cè)量力、位移、壓力、加速度這種傳感器常用來(lái)測(cè)量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)。在這種情況下，彈性元件將得到與被等物理參數(shù)。在這種情況下，彈性元件將

50、得到與被測(cè)量成正比的應(yīng)變，再通過(guò)應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻的變測(cè)量成正比的應(yīng)變，再通過(guò)應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻的變化后輸出。化后輸出。傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第60頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第61頁(yè)l 當(dāng)力的作用線(xiàn)與軸線(xiàn)不重合時(shí)當(dāng)力的作用線(xiàn)與軸線(xiàn)不重合時(shí)xOAOAOA 彈性等截面軸（實(shí)心和空心）彈性等截面軸（實(shí)心和空心）1、力作用于軸上產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變的原理、力作用于軸上產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變的原理在軸

51、內(nèi)取受力平面在軸內(nèi)取受力平面OACB，受力后錯(cuò)位成，受力后錯(cuò)位成 四四邊形，兩者在邊形，兩者在Oxy平面內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變分別如下：平面內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變分別如下：OA B C軸向（軸向（x）線(xiàn)應(yīng)變）線(xiàn)應(yīng)變徑向（徑向（y）線(xiàn)應(yīng)變）線(xiàn)應(yīng)變yOBOBOB與與x軸成軸成 角方向線(xiàn)應(yīng)變角方向線(xiàn)應(yīng)變OCOCOC傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第62頁(yè)xOAOAOAyOBOBOBOCOCOC(1)(1)(1)xyOAOAOBOBOCOC余旋定理余旋定理2222cosOCOAOBOAOBA OBtansincosxyxyxyA

52、 OB在小變形條件下有在小變形條件下有傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第63頁(yè)xyOAOBOC、將將 代入代入2222cosOCOAOBOAOBA OB然后展開(kāi)、忽略高階小量、簡(jiǎn)化得然后展開(kāi)、忽略高階小量、簡(jiǎn)化得2222xyxyOAOBOAOBOCOCOCOCcossinOAOBOCOC， 2211cos(1sin 2)sin(1cos 2)22，由圖可知由圖可知由三角公式由三角公式上述帶入式中，得上述帶入式中，得傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原

53、理傳感器原理6/26/2022第二章 第64頁(yè)111()() cos 2sin 2222xyxyxy令令 ，則得，則得上述帶入式中，得上述帶入式中，得0 xy11()()cos 222xyxy由泊松比定義有，由泊松比定義有， ，帶入得，帶入得 ,yyxx 則,1(1)(1)cos2 2x任意方向的應(yīng)變?yōu)槿我夥较虻膽?yīng)變?yōu)?傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第65頁(yè)l 軸向應(yīng)變和應(yīng)力軸向應(yīng)變和應(yīng)力（當(dāng)（當(dāng) 時(shí)）時(shí)）0軸向應(yīng)變軸向應(yīng)變0|xFEA軸向應(yīng)力軸向應(yīng)力xFAl 徑向應(yīng)變和應(yīng)力徑向應(yīng)變和應(yīng)力（當(dāng)（當(dāng)

54、時(shí)）時(shí)）90o徑向應(yīng)變徑向應(yīng)變90|yFEA 軸向應(yīng)力軸向應(yīng)力yFA yx 泊 松 比A軸截面積軸截面積E彈性模量彈性模量F軸作用力軸作用力傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第66頁(yè)2.2 金屬應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，基座固定在振動(dòng)體上。測(cè)量時(shí)，基座固定在振動(dòng)體上。振動(dòng)加速度使質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，振動(dòng)加速度使質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，懸臂梁則相當(dāng)于慣性系統(tǒng)中的彈簧，懸臂梁則相當(dāng)于慣性系統(tǒng)中的彈簧，在慣性力的作用下產(chǎn)生彎曲變形。在慣性力的作用下產(chǎn)生彎曲變形。因此，梁的應(yīng)變?cè)谝欢ǖ念l率范圍因此，梁的應(yīng)變?cè)谝欢ǖ念l率范圍內(nèi)與振動(dòng)

55、體的加速度成正比。內(nèi)與振動(dòng)體的加速度成正比。 當(dāng)被測(cè)物體產(chǎn)生位移時(shí)，當(dāng)被測(cè)物體產(chǎn)生位移時(shí)，懸臂梁隨之產(chǎn)生于位移相懸臂梁隨之產(chǎn)生于位移相等的撓度，因而應(yīng)變片產(chǎn)等的撓度，因而應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。在小撓度生相應(yīng)的應(yīng)變。在小撓度情況下，撓度與應(yīng)變情況情況下，撓度與應(yīng)變情況成正比。將應(yīng)變片接入橋成正比。將應(yīng)變片接入橋路，輸出與位移成正比的路，輸出與位移成正比的電壓信號(hào)。電壓信號(hào)。 傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第67頁(yè) 懸臂梁的工作原理懸臂梁的工作原理懸臂梁是懸臂梁是一端固定一端固定、另一端自由另一端自由的

56、彈性敏感元件。的彈性敏感元件。常用于作用力比較小的情況下，根據(jù)截面積不同可常用于作用力比較小的情況下，根據(jù)截面積不同可分為分為等截面梁等截面梁和和變截面（等強(qiáng)度）梁變截面（等強(qiáng)度）梁兩種。兩種。傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第68頁(yè)l 在自由端力（下）作用下梁產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)谧杂啥肆Γㄏ拢┳饔孟铝寒a(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變 等截面梁的工作原理（應(yīng)變?cè)恚┑冉孛媪旱墓ぷ髟恚☉?yīng)變?cè)恚┯闪W(xué)原理有：由力學(xué)原理有：MFl應(yīng)力應(yīng)力6lFEhAE應(yīng)變應(yīng)變l梁的長(zhǎng)度；梁的長(zhǎng)度；A梁的截面積；梁的截面積；h梁的厚度；梁

57、的厚度；b梁的寬度；梁的寬度；解得：解得：MW36bhW 斷面系數(shù)斷面系數(shù)力矩力矩26Flbh應(yīng)力應(yīng)力傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第69頁(yè)l 作用力（作用力（F）與某一位置（）與某一位置（x）處的應(yīng)力和應(yīng)）處的應(yīng)力和應(yīng)變變6()xF lxhAEx某位置到自由端的距離某位置到自由端的距離 當(dāng)當(dāng)x=l時(shí)，時(shí)， 當(dāng)當(dāng)x=0時(shí)，時(shí)，0maxx26()F lxbh應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第7

58、0頁(yè) 等強(qiáng)度（變截面）梁的工作原理等強(qiáng)度（變截面）梁的工作原理 將懸臂梁的將懸臂梁的平面取成梯形平面取成梯形時(shí)，則作用力引起時(shí)，則作用力引起的的應(yīng)力和應(yīng)變就與力的作用點(diǎn)（應(yīng)力和應(yīng)變就與力的作用點(diǎn)（x）無(wú)關(guān)）無(wú)關(guān)，稱(chēng)為，稱(chēng)為等強(qiáng)度梁。等強(qiáng)度梁。0bxbxlmin32 Fbh 材料許用剪應(yīng)力梯形最小寬度為：梯形最小寬度為：傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第71頁(yè)應(yīng)變?cè)響?yīng)變?cè)?bxbxl26lFEbh按等截面梁相同求法，得等強(qiáng)度梁在力按等截面梁相同求法，得等強(qiáng)度梁在力F作用下作用下（自由端）產(chǎn)生的應(yīng)變值

59、為：（自由端）產(chǎn)生的應(yīng)變值為：任意點(diǎn)的應(yīng)力為：任意點(diǎn)的應(yīng)力為：26xxxFlb h6 ()xF lxhAE隨著高度隨著高度 ，而寬度，而寬度 ，二者成比例變化使，二者成比例變化使 常數(shù)。常數(shù)。xl xb x不受作用點(diǎn)的限制，應(yīng)用廣泛。不受作用點(diǎn)的限制，應(yīng)用廣泛。26xxxFlb h E傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第72頁(yè) 懸臂梁應(yīng)變式電子秤懸臂梁應(yīng)變式電子秤2.2 金屬應(yīng)變片當(dāng)力當(dāng)力F（例如蘋(píng)果的重例如蘋(píng)果的重力力）以如圖所示的垂）以如圖所示的垂直方向作用于電子秤直方向作用于電子秤中的鋁質(zhì)懸臂梁的

60、末中的鋁質(zhì)懸臂梁的末端時(shí)，端時(shí)，梁的上表面產(chǎn)梁的上表面產(chǎn)生拉應(yīng)變，下表面產(chǎn)生拉應(yīng)變，下表面產(chǎn)生壓應(yīng)變生壓應(yīng)變，上下表面，上下表面的應(yīng)變大小相等符號(hào)的應(yīng)變大小相等符號(hào)相反，粘貼在上下表相反，粘貼在上下表面的應(yīng)變片也隨之拉面的應(yīng)變片也隨之拉伸和縮短。得到正負(fù)伸和縮短。得到正負(fù)相同的電阻值的變化，相同的電阻值的變化，接入橋路后，就能產(chǎn)接入橋路后，就能產(chǎn)生輸出電壓。生輸出電壓。傳感器原理傳感器原理55132015513201湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙湖南長(zhǎng)沙傳感器原理傳感器原理6/26/2022第二章 第73頁(yè)荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變