應(yīng)變式傳感器的基本知識課件

應(yīng)變式電阻傳感器2.1工作原理

2.2電阻應(yīng)變片的重要特性2.3電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補償2.4電阻應(yīng)變片的測量電路2.5應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式電阻傳感器2.1工作原理1+-DC+6V+RA

實驗一應(yīng)變效應(yīng)

因為：金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻與其電阻率及幾何尺寸（長度、面積）有關(guān)，當(dāng)其受到外力作用時，這些參數(shù)發(fā)生變化，因而引起其的電阻的變化，進而引起電流的變化。

原理：金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受到外力作用時，會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，其電阻也將隨之發(fā)生變化。K電流:小大施加力F?RK接通時安培表指示安培表變化電阻：大—>小讓我們來做個應(yīng)變效應(yīng)的實驗Go!!!+-DC+RA實驗一應(yīng)變效應(yīng)2荷重傳感器原理演示

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，徑向變長?！?.3電阻應(yīng)變式傳感器荷重傳感器原理演示荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)3例2-2梁式力傳感器

例2-2梁式力傳感器42.1工作原理應(yīng)變物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象彈性應(yīng)變當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變彈性元件具有彈性應(yīng)變特性的物體2.1工作原理應(yīng)變5應(yīng)變式傳感器概述是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器工作原理：當(dāng)被測物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過測量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測量的大小。結(jié)構(gòu)：應(yīng)變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)用：廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測量應(yīng)變式傳感器概述是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感6應(yīng)變效應(yīng)分析

電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。

應(yīng)變效應(yīng)分析電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)7一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為：

一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為：8

當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時，將伸長Δl，橫截面積相應(yīng)減小ΔA，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了Δρ，從而引起電阻值變化量為式中：dl/l——長度相對變化量

電阻相對變化量：當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時，將伸長Δl，橫截9

定義：應(yīng)變片的靈敏系數(shù)（物理意義）：單位應(yīng)變ε所引起的電阻相對變化量。其表達式為定義：應(yīng)變片的靈敏系數(shù)（物理意義）：單位應(yīng)變10課堂作業(yè)：

p52第3題課堂作業(yè)：p52第3題11靈敏系數(shù)K受兩個因素影響一是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化二是應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。靈敏系數(shù)K受兩個因素影響一是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化12應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)

電阻應(yīng)變片式傳感器是目前用于測量力、力矩、壓力、加速度、質(zhì)量等參數(shù)最廣泛的傳感器之一。電阻絲(敏感柵)—轉(zhuǎn)換元件基底與面膠—中間介質(zhì)和絕緣作用蓋層引線--連接測量導(dǎo)線之用應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片式傳感器是目前用于測13箔式應(yīng)變片原理：它是利用照相制版或光刻腐蝕法將電阻箔材在絕緣基底上制成各種圖形的應(yīng)變片；優(yōu)點：敏感柵尺寸準(zhǔn)確，線條均勻；其彎頭橫向效應(yīng)可以忽略；可通過較大的電流；散熱性好，壽命長；生產(chǎn)效率高；箔式應(yīng)變片14常用應(yīng)變片一常用應(yīng)變片一15常用應(yīng)變片二常用應(yīng)變片二16常用應(yīng)變片三常用應(yīng)變片三17金屬應(yīng)變計金屬應(yīng)變計182．半導(dǎo)體應(yīng)變片

半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件

。當(dāng)半導(dǎo)體材料某一軸向受外力作用時，其電阻率會發(fā)生變化。當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時，其電阻相對變化為:2．半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓19

半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式高50～80倍，但半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大，應(yīng)變時非線性比較嚴(yán)重，使它的應(yīng)用范圍受到一定的限制。

半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式高50～80倍，但半導(dǎo)20半導(dǎo)體應(yīng)變片的突出優(yōu)點是體積小，靈敏度高，頻率響應(yīng)范圍寬，輸出幅值大，不需要放大器，可直接與記錄儀連接，使測量系統(tǒng)簡單。但其溫度系數(shù)大，應(yīng)變時非線性較嚴(yán)重。半導(dǎo)體應(yīng)變片的突出優(yōu)點是體積小，靈敏度高，頻率響應(yīng)范圍寬，輸21

思考應(yīng)變式力傳感器的工作原理：彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各貼一個應(yīng)變片，在梁的自由端施力F，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應(yīng)變片的電阻變大，下表面的電阻變?。瓼越大，彎曲形變越大，應(yīng)變片的阻值變化就越大．如果讓應(yīng)變片中通過的電流保持恒定，則上面應(yīng)變片兩端的電壓變大，下面應(yīng)變片兩端的電壓變?。虼丝傻?，外力越大，輸出的電壓差值也就越大．思考應(yīng)變式力傳感器的工作原理：彈簧鋼制成的梁形22

思考應(yīng)變力傳感器：它能夠把機械變形轉(zhuǎn)換成電阻變化．思考應(yīng)變力傳感器：它能夠把機械變形轉(zhuǎn)換成電阻變23

靈敏度系數(shù).

物理意義：單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化.

橫向效應(yīng).（圖2-2）

機械滯后.

零點漂移和蠕變.

應(yīng)變極限.

動態(tài)響應(yīng)特性.（圖2-3）2.2電阻應(yīng)變片的重要特性靈敏度系數(shù).2.2電阻應(yīng)變片的重要特性242.2.1

靈敏度系數(shù)金屬應(yīng)變絲的電阻相對變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)KS表示。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻—應(yīng)變特性與金屬單絲情況不同。因此，須用實驗方法對應(yīng)變片的電阻—應(yīng)變特性重新測定。實驗表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對變化與應(yīng)變ε在很寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系。2.2.1靈敏度系數(shù)25K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。測量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)KS。原因主要是膠層傳遞變形失真及橫向效應(yīng)。即:K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。即:262.3.2

橫向效應(yīng)

金屬絲式應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測量應(yīng)變時，構(gòu)件的軸向應(yīng)變ε使敏感柵電阻發(fā)生變化，而其橫向應(yīng)變εr也使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。

bOlεrdldθθε0ε圖2-5敏感柵半圓弧形部分r應(yīng)變片的這種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。2.3.2橫向效應(yīng)bOlεrdldθθε0ε圖2-527應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當(dāng)溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不重合，即為機械滯后。ΔεΔε1機械應(yīng)變εR卸載加載指示應(yīng)變εi圖2-6應(yīng)變片的機械滯后2.2.3機械滯后、零漂及蠕變應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當(dāng)溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不28

機械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時的機械應(yīng)變愈大，卸載時的滯后也愈大。所以，通常在實驗之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機械滯后所產(chǎn)生的實驗誤差。產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機械應(yīng)變后的殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時，敏感柵受到的不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘辰Y(jié)劑固化不充分等。機械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時的機械29對于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時，不承受應(yīng)變時，其電阻值隨時間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零點漂移。產(chǎn)生的原因：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。

如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機械應(yīng)變，其電阻值隨時間增加而變化的特性稱為蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的方向相反。產(chǎn)生的原因：由于膠層之間發(fā)生“滑動”，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。對于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時，不承受應(yīng)變時，其電阻值隨時30在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對測試值的真實應(yīng)變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時的最大真實應(yīng)變值。真實應(yīng)變是由于工作溫度變化或承受機械載荷，在被測試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力時所引起的表面應(yīng)變。2.2.4應(yīng)變極限εj真實應(yīng)變εg指示應(yīng)變εi圖2-7應(yīng)變片的應(yīng)變極限100%190%在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對測試值的真實應(yīng)變的相對誤2.31

用作測量應(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。實際上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測試件的溫度)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，從而產(chǎn)生很大的測量誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差，又稱熱輸出。2.3

溫度誤差及其補償2.3.1溫度誤差用作測量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變變化，而32

因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素：應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。設(shè)環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為Δt（℃）時，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αt，則應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻相對變化為:因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素：設(shè)環(huán)境引33由于敏感柵材料和被測構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)Δt存在時，引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變，相應(yīng)的電阻相對變化為:K——應(yīng)變片靈敏系數(shù);

βe—試件材料線膨脹系數(shù)；βg—敏感柵材料線膨脹系數(shù)。由于敏感柵材料和被測構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)Δt存在34

2.電阻應(yīng)變片的溫度補償方法

電阻應(yīng)變片的溫度補償方法通常有線路補償和應(yīng)變片自補償兩大類。

1)線路補償法電橋補償是最常用且效果較好的線路補償。

2.電阻應(yīng)變片的溫度補償方法35電橋補償法電橋的輸出U0怎么計算？電橋補償法電橋的輸出U0怎么計算？36電橋補償法電橋平衡的條件是什么？電橋補償法37A為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。由上式可知，當(dāng)R3和R4為常數(shù)時，R1和RB對電橋輸出電壓Uo的作用方向相反。利用這一基本關(guān)系可實現(xiàn)對溫度的補償。A為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。由上式可知，當(dāng)R3和R38

測量應(yīng)變時，工作應(yīng)變片R1粘貼在被測試件表面上，補償應(yīng)變片RB粘貼在與被測試件材料完全相同的補償塊上，且僅工作應(yīng)變片承受應(yīng)變。

當(dāng)被測試件不承受應(yīng)變時，R1和RB又處于同一環(huán)境溫度為t的溫度場中，調(diào)整電橋參數(shù)使之達到平衡，此時有工程上，一般按R1=RB=R3=R4

選取橋臂電阻。測量應(yīng)變時，工作應(yīng)變片R1粘貼在被測試件表面39溫度補償?shù)膶崿F(xiàn)：(溫度變化，無應(yīng)變）當(dāng)溫度升高或降低Δt=t-t0時，兩個應(yīng)變片因溫度而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)，即溫度補償?shù)膶崿F(xiàn)：(溫度變化，無應(yīng)變）40應(yīng)變的測量：(溫度變化，無應(yīng)變）被測試件有應(yīng)變ε的作用，則工作應(yīng)變片電阻R1又有新的增量ΔR1=R1Kε，而補償片因不承受應(yīng)變，故不產(chǎn)生新的增量，此時電橋輸出電壓為可見：電橋的輸出電壓Uo僅與被測試件的應(yīng)變ε有關(guān)，而與環(huán)境溫度無關(guān)。

應(yīng)變的測量：(溫度變化，無應(yīng)變）可見：電橋的輸出電壓Uo僅41注意補償條件：在應(yīng)變片工作過程中，保證R3=R4。R1和RB兩個應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)α、線膨脹系數(shù)β、應(yīng)變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值R0。粘貼補償片的補償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料必須一樣，兩者線膨脹系數(shù)相同。兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場。

注意補償條件：42作業(yè)：

p50第1、5題作業(yè)：p50第1、5題432.4電阻應(yīng)變片的測量電路2.4.1直流電橋

1.直流電橋平衡條件圖3-9直流電橋當(dāng)RL→∞時，電橋輸出電壓為2.4電阻應(yīng)變片的測量電路2.4.1直流電橋圖3-44當(dāng)電橋平衡時，Uo=0，則有R1R4=R2R3或電橋平衡條件：欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，或相對兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。

電橋平衡條件當(dāng)電橋平衡時，Uo=0，則有R1R4=R2R3或電橋平衡45

2.電壓靈敏度應(yīng)變片工作時：電阻值變化很小，電橋相應(yīng)輸出電壓也很小，一般需要加入放大器進行放大。由于放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多，所以此時仍視電橋為開路情況。當(dāng)受應(yīng)變時：若應(yīng)變片電阻變化為ΔR，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo≠0，則電橋不平衡，輸出電壓為2.電壓靈敏度46應(yīng)變式傳感器的基本知識課件47

設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于ΔR1<<R1，分母中ΔR1/R1可忽略，并考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3，則上式可寫為電橋電壓靈敏度定義為設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于ΔR1<<R1，分48分析：①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)變片允許功耗的限制，所以要作適當(dāng)選擇；②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。？當(dāng)E值確定后，n取何值時才能使KU最高？分析：？當(dāng)E值確定后，n取何值時才能使KU最高？492.4.2交流電橋

引入原因：由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。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)復(fù)阻抗特性，即相當(dāng)于兩只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個電容。2.4.2交流電橋50圖3-11交流電橋圖3-11交流電橋512.5應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變片能將應(yīng)變直接轉(zhuǎn)換成電阻的變化其他物理量（力、壓力、加速度等），需先將這些量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變－彈性元件應(yīng)變式傳感器的組成：彈性元件、應(yīng)變片、附件（補償元件、保護罩等）2.5應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變片能將應(yīng)變直接轉(zhuǎn)換成電阻的522.5.1應(yīng)變式力傳感器被測物理量：荷重或力主要用途：作為各種電子稱與材料試驗機的測力元件、發(fā)動機的推力測試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測等。力傳感器的彈性元件：柱式、筒式、環(huán)式、懸臂式等2.5.1應(yīng)變式力傳感器53圖3-13圓柱（筒）式力傳感器（a）柱式；（b）筒式；（c）圓柱面展開圖；（d）橋路連線圖

1.柱（筒）式力傳感器圖3-13圓柱（筒）式力傳感器1.柱（54

2.環(huán)式力傳感器圖3-14環(huán)式力傳感器(a)環(huán)式傳感器結(jié)構(gòu)圖；(b)應(yīng)力分布2.環(huán)式力傳感器圖3-14環(huán)式力傳感器55

對R/h>5的小曲率圓環(huán)：A、B兩點的應(yīng)變。這樣，測出A、B處的應(yīng)變，即可得到載荷F。內(nèi)貼取“一”

內(nèi)貼取“＋”

式中：

h——圓環(huán)厚度；b——圓環(huán)寬度；E——材料彈性模量。對R/h>5的小曲率圓環(huán)：A、B兩點的應(yīng)變。562.5.2應(yīng)變式壓力傳感器主要用來測量流動介質(zhì)的動態(tài)或靜態(tài)壓力應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。在壓力p作用下，膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變εr和切向應(yīng)變εt，表達式分別為2.5.2應(yīng)變式壓力傳感器57圖3-15膜片式壓力傳感器（a）應(yīng)變變化圖;（b）應(yīng)變片粘貼圖3-15膜片式壓力傳感器58應(yīng)變變化曲線的特點：當(dāng)x=0時，εrmax=εtmax；當(dāng)x=R時，εt=0，εr=－2εrmax。

特點的應(yīng)用：一般在平膜片圓心處切向粘貼R1、R4兩個應(yīng)變片，在邊緣處沿徑向粘貼R2、R3兩個應(yīng)變片，然后接成全橋測量電路。避開位置。應(yīng)變變化曲線的特點：當(dāng)x=0時，εrmax=εtmax；當(dāng)x593.4.3應(yīng)變式容器內(nèi)液體重量傳感器感壓膜感受上面液體的壓力。當(dāng)容器中溶液增多時，感壓膜感受的壓力就增大。將其上兩個傳感器Rt的電橋接成正向串接的雙電橋電路，此時輸出電壓為Uo=U1＋U2=(K1＋K2)hρg

式中,K1，K2為傳感器傳輸系數(shù)。

結(jié)論：電橋輸出電壓與柱式容器內(nèi)感壓膜上面溶液的重量成線性關(guān)系，因此可以測量容器內(nèi)儲存的溶液重量。3.4.3應(yīng)變式容器內(nèi)液體重量傳感器Uo=U1＋U2=60圖3-16應(yīng)變片容器內(nèi)液體重量傳感器圖3-16應(yīng)變片容器內(nèi)液體重量傳感器612.5.4應(yīng)變式加速度傳感器用于物體加速度的測量。依據(jù)：a=F/m。圖3-17電阻應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖2.5.4應(yīng)變式加速度傳感器圖3-17電阻應(yīng)變62

測量原理：將傳感器殼體與被測對象剛性連接，當(dāng)被測物體以加速度a

運動時，質(zhì)量塊受到一個與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，該變形被粘貼在懸臂梁上的應(yīng)變片感受到并隨之產(chǎn)生應(yīng)變，從而使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化。電阻的變化引起應(yīng)變片組成的橋路出現(xiàn)不平衡，從而輸出電壓，即可得出加速度a值的大小。

適用范圍：不適用于頻率較高的振動和沖擊場合，一般適用頻率為10~60Hz范圍。測量原理：將傳感器殼體與被測對象剛性連接，當(dāng)63應(yīng)變式電阻傳感器2.1工作原理

2.2電阻應(yīng)變片的重要特性2.3電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補償2.4電阻應(yīng)變片的測量電路2.5應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式電阻傳感器2.1工作原理64+-DC+6V+RA

實驗一應(yīng)變效應(yīng)

因為：金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻與其電阻率及幾何尺寸（長度、面積）有關(guān)，當(dāng)其受到外力作用時，這些參數(shù)發(fā)生變化，因而引起其的電阻的變化，進而引起電流的變化。

原理：金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受到外力作用時，會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，其電阻也將隨之發(fā)生變化。K電流:小大施加力F?RK接通時安培表指示安培表變化電阻：大—>小讓我們來做個應(yīng)變效應(yīng)的實驗Go!!!+-DC+RA實驗一應(yīng)變效應(yīng)65荷重傳感器原理演示

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，徑向變長?！?.3電阻應(yīng)變式傳感器荷重傳感器原理演示荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)66例2-2梁式力傳感器

例2-2梁式力傳感器672.1工作原理應(yīng)變物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象彈性應(yīng)變當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變彈性元件具有彈性應(yīng)變特性的物體2.1工作原理應(yīng)變68應(yīng)變式傳感器概述是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器工作原理：當(dāng)被測物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過測量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測量的大小。結(jié)構(gòu)：應(yīng)變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)用：廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測量應(yīng)變式傳感器概述是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感69應(yīng)變效應(yīng)分析

電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。

應(yīng)變效應(yīng)分析電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)70一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為：

一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為：71

當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時，將伸長Δl，橫截面積相應(yīng)減小ΔA，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了Δρ，從而引起電阻值變化量為式中：dl/l——長度相對變化量

電阻相對變化量：當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時，將伸長Δl，橫截72

定義：應(yīng)變片的靈敏系數(shù)（物理意義）：單位應(yīng)變ε所引起的電阻相對變化量。其表達式為定義：應(yīng)變片的靈敏系數(shù)（物理意義）：單位應(yīng)變73課堂作業(yè)：

p52第3題課堂作業(yè)：p52第3題74靈敏系數(shù)K受兩個因素影響一是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化二是應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。靈敏系數(shù)K受兩個因素影響一是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化75應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)

電阻應(yīng)變片式傳感器是目前用于測量力、力矩、壓力、加速度、質(zhì)量等參數(shù)最廣泛的傳感器之一。電阻絲(敏感柵)—轉(zhuǎn)換元件基底與面膠—中間介質(zhì)和絕緣作用蓋層引線--連接測量導(dǎo)線之用應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片式傳感器是目前用于測76箔式應(yīng)變片原理：它是利用照相制版或光刻腐蝕法將電阻箔材在絕緣基底上制成各種圖形的應(yīng)變片；優(yōu)點：敏感柵尺寸準(zhǔn)確，線條均勻；其彎頭橫向效應(yīng)可以忽略；可通過較大的電流；散熱性好，壽命長；生產(chǎn)效率高；箔式應(yīng)變片77常用應(yīng)變片一常用應(yīng)變片一78常用應(yīng)變片二常用應(yīng)變片二79常用應(yīng)變片三常用應(yīng)變片三80金屬應(yīng)變計金屬應(yīng)變計812．半導(dǎo)體應(yīng)變片

半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件

。當(dāng)半導(dǎo)體材料某一軸向受外力作用時，其電阻率會發(fā)生變化。當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時，其電阻相對變化為:2．半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓82

半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式高50～80倍，但半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大，應(yīng)變時非線性比較嚴(yán)重，使它的應(yīng)用范圍受到一定的限制。

半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式高50～80倍，但半導(dǎo)83半導(dǎo)體應(yīng)變片的突出優(yōu)點是體積小，靈敏度高，頻率響應(yīng)范圍寬，輸出幅值大，不需要放大器，可直接與記錄儀連接，使測量系統(tǒng)簡單。但其溫度系數(shù)大，應(yīng)變時非線性較嚴(yán)重。半導(dǎo)體應(yīng)變片的突出優(yōu)點是體積小，靈敏度高，頻率響應(yīng)范圍寬，輸84

思考應(yīng)變式力傳感器的工作原理：彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各貼一個應(yīng)變片，在梁的自由端施力F，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應(yīng)變片的電阻變大，下表面的電阻變?。瓼越大，彎曲形變越大，應(yīng)變片的阻值變化就越大．如果讓應(yīng)變片中通過的電流保持恒定，則上面應(yīng)變片兩端的電壓變大，下面應(yīng)變片兩端的電壓變?。虼丝傻?，外力越大，輸出的電壓差值也就越大．思考應(yīng)變式力傳感器的工作原理：彈簧鋼制成的梁形85

思考應(yīng)變力傳感器：它能夠把機械變形轉(zhuǎn)換成電阻變化．思考應(yīng)變力傳感器：它能夠把機械變形轉(zhuǎn)換成電阻變86

靈敏度系數(shù).

物理意義：單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化.

橫向效應(yīng).（圖2-2）

機械滯后.

零點漂移和蠕變.

應(yīng)變極限.

動態(tài)響應(yīng)特性.（圖2-3）2.2電阻應(yīng)變片的重要特性靈敏度系數(shù).2.2電阻應(yīng)變片的重要特性872.2.1

靈敏度系數(shù)金屬應(yīng)變絲的電阻相對變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)KS表示。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻—應(yīng)變特性與金屬單絲情況不同。因此，須用實驗方法對應(yīng)變片的電阻—應(yīng)變特性重新測定。實驗表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對變化與應(yīng)變ε在很寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系。2.2.1靈敏度系數(shù)88K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。測量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)KS。原因主要是膠層傳遞變形失真及橫向效應(yīng)。即:K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。即:892.3.2

橫向效應(yīng)

金屬絲式應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測量應(yīng)變時，構(gòu)件的軸向應(yīng)變ε使敏感柵電阻發(fā)生變化，而其橫向應(yīng)變εr也使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。

bOlεrdldθθε0ε圖2-5敏感柵半圓弧形部分r應(yīng)變片的這種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。2.3.2橫向效應(yīng)bOlεrdldθθε0ε圖2-590應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當(dāng)溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不重合，即為機械滯后。ΔεΔε1機械應(yīng)變εR卸載加載指示應(yīng)變εi圖2-6應(yīng)變片的機械滯后2.2.3機械滯后、零漂及蠕變應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當(dāng)溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不91

機械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時的機械應(yīng)變愈大，卸載時的滯后也愈大。所以，通常在實驗之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機械滯后所產(chǎn)生的實驗誤差。產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機械應(yīng)變后的殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時，敏感柵受到的不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘辰Y(jié)劑固化不充分等。機械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時的機械92對于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時，不承受應(yīng)變時，其電阻值隨時間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零點漂移。產(chǎn)生的原因：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。

如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機械應(yīng)變，其電阻值隨時間增加而變化的特性稱為蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的方向相反。產(chǎn)生的原因：由于膠層之間發(fā)生“滑動”，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。對于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時，不承受應(yīng)變時，其電阻值隨時93在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對測試值的真實應(yīng)變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時的最大真實應(yīng)變值。真實應(yīng)變是由于工作溫度變化或承受機械載荷，在被測試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力時所引起的表面應(yīng)變。2.2.4應(yīng)變極限εj真實應(yīng)變εg指示應(yīng)變εi圖2-7應(yīng)變片的應(yīng)變極限100%190%在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對測試值的真實應(yīng)變的相對誤2.94

用作測量應(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。實際上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測試件的溫度)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，從而產(chǎn)生很大的測量誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差，又稱熱輸出。2.3

溫度誤差及其補償2.3.1溫度誤差用作測量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變變化，而95

因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素：應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。設(shè)環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為Δt（℃）時，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αt，則應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻相對變化為:因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素：設(shè)環(huán)境引96由于敏感柵材料和被測構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)Δt存在時，引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變，相應(yīng)的電阻相對變化為:K——應(yīng)變片靈敏系數(shù);

βe—試件材料線膨脹系數(shù)；βg—敏感柵材料線膨脹系數(shù)。由于敏感柵材料和被測構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)Δt存在97

2.電阻應(yīng)變片的溫度補償方法

電阻應(yīng)變片的溫度補償方法通常有線路補償和應(yīng)變片自補償兩大類。

1)線路補償法電橋補償是最常用且效果較好的線路補償。

2.電阻應(yīng)變片的溫度補償方法98電橋補償法電橋的輸出U0怎么計算？電橋補償法電橋的輸出U0怎么計算？99電橋補償法電橋平衡的條件是什么？電橋補償法100A為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。由上式可知，當(dāng)R3和R4為常數(shù)時，R1和RB對電橋輸出電壓Uo的作用方向相反。利用這一基本關(guān)系可實現(xiàn)對溫度的補償。A為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。由上式可知，當(dāng)R3和R101

測量應(yīng)變時，工作應(yīng)變片R1粘貼在被測試件表面上，補償應(yīng)變片RB粘貼在與被測試件材料完全相同的補償塊上，且僅工作應(yīng)變片承受應(yīng)變。

當(dāng)被測試件不承受應(yīng)變時，R1和RB又處于同一環(huán)境溫度為t的溫度場中，調(diào)整電橋參數(shù)使之達到平衡，此時有工程上，一般按R1=RB=R3=R4

選取橋臂電阻。測量應(yīng)變時，工作應(yīng)變片R1粘貼在被測試件表面102溫度補償?shù)膶崿F(xiàn)：(溫度變化，無應(yīng)變）當(dāng)溫度升高或降低Δt=t-t0時，兩個應(yīng)變片因溫度而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)，即溫度補償?shù)膶崿F(xiàn)：(溫度變化，無應(yīng)變）103應(yīng)變的測量：(溫度變化，無應(yīng)變）被測試件有應(yīng)變ε的作用，則工作應(yīng)變片電阻R1又有新的增量ΔR1=R1Kε，而補償片因不承受應(yīng)變，故不產(chǎn)生新的增量，此時電橋輸出電壓為可見：電橋的輸出電壓Uo僅與被測試件的應(yīng)變ε有關(guān)，而與環(huán)境溫度無關(guān)。

應(yīng)變的測量：(溫度變化，無應(yīng)變）可見：電橋的輸出電壓Uo僅104注意補償條件：在應(yīng)變片工作過程中，保證R3=R4。R1和RB兩個應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)α、線膨脹系數(shù)β、應(yīng)變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值R0。粘貼補償片的補償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料必須一樣，兩者線膨脹系數(shù)相同。兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場。

注意補償條件：105作業(yè)：

p50第1、5題作業(yè)：p50第1、5題1062.4電阻應(yīng)變片的測量電路2.4.1直流電橋

1.直流電橋平衡條件圖3-9直流電橋當(dāng)RL→∞時，電橋輸出電壓為2.4電阻應(yīng)變片的測量電路2.4.1直流電橋圖3-107當(dāng)電橋平衡時，Uo=0，則有R1R4=R2R3或電橋平衡條件：欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，或相對兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。

電橋平衡條件當(dāng)電橋平衡時，Uo=0，則有R1R4=R2R3或電橋平衡108

2.電壓靈敏度應(yīng)變片工作時：電阻值變化很小，電橋相應(yīng)輸出電壓也很小，一般需要加入放大器進行放大。由于放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多，所以此時仍視電橋為開路情況。當(dāng)受應(yīng)變時：若應(yīng)變片電阻變化為ΔR，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo≠0，則電橋不平衡，輸出電壓為2.電壓靈敏度109應(yīng)變式傳感器的基本知識課件110

設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于ΔR1<<R1，分母中ΔR1/R1可忽略，并考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3，則上式可寫為電橋電壓靈敏度定義為設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于ΔR1<<R1，分111分析：①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)變片允許功耗的限制，所以要作適當(dāng)選擇；②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。？當(dāng)E值確定后，n取何值時才能使KU最高？分析：？當(dāng)E值確定后，n取何值時才能使KU最高？1122.4.2交流電橋

引入原因：由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。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)復(fù)阻抗特性，即相當(dāng)于兩只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個電容。2.4.2交流電橋113圖3-11交流電橋圖3-11交流電橋1142.5應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變片能將應(yīng)變直接轉(zhuǎn)換成電阻的變化其他物理量（力、壓力、加速度等），需先將這些量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變－彈性元件應(yīng)變式傳