測試教案3(第一篇,第二章應變式傳感器、第三章電橋電路)

第二章

應變式傳感器(電阻應變計)§2.1應變式傳感器工作原理返回一.金屬的電阻應變效應電阻應變效應：當金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時 其電阻值將發(fā)生變化F

Δl、ΔA、ΔρΔR上一頁返回下一頁上式取對數(shù)求微分對于半徑為r的圓導體，A=πr2，ΔA/A=2Δr/r又由材料力學可知，在彈性范圍內，

上一頁返回下一頁ε為導體的縱向應變，其數(shù)值一般很小，常以微應變度量；μ為電阻絲材料的泊松比，一般金屬μ=0.3~0.5；λ為壓阻系數(shù)，與材質有關,金屬材料其值很?。沪覟閼χ担籈為材料的彈性模量；

應變式傳感器的靈敏系數(shù)材料的幾何尺寸變化引起的材料的電阻率ρ隨應變引起的（壓阻效應）金屬材料：k0以前者為主，則k0≈1+2μ=1.7~3.6半導體：k0值主要是由電阻率相對變化所決定上一頁返回下一頁應變式傳感器靈敏系數(shù)定義安裝在試件上的應變計,在沿應變計軸線方向的單向應力作用下,應變計的電阻變化率與試件表面軸向應變的比值:

二.應變片的基本結構與種類

1.應變片的類型和材料

金屬絲式

金屬箔式

金屬薄膜式

回線式短接式上一頁返回下一頁1)金屬絲式應變片上一頁返回下一頁金屬電阻絲應變片的基本結構1-基片；2-電阻絲；3-覆蓋層；4-引出線金屬電阻應變片，材料電阻率隨應變產生的變化很小，可忽略應變片電阻的相對變化與應變片縱向應變成正比，并且對同一電阻材料，

K0=1+2μ是常數(shù)。其靈敏度系數(shù)多在1.7～3.6之間。上一頁返回下一頁2)金屬箔式應變片在絕緣基底上，將厚度為0.003～0.01mm電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀箔式應變片上一頁返回下一頁優(yōu)點：（1）尺寸準確，線條均勻，適應不同的測量要求，

（2）可制成多種復雜形狀尺寸準確的敏感柵（3）與被測試件接觸面積大，粘結性能好。散熱條件好，允許電流大，靈敏度提高。（4）橫向效應可以忽略。（5）蠕變、機械滯后小，疲勞壽命長。缺點：電阻值的分散性大阻值調整上一頁返回下一頁采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1μm以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，再加上保護層，易實現(xiàn)工業(yè)化批量生產優(yōu)點：應變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，易實現(xiàn)工業(yè)化生產問題：難控制電阻與溫度和時間的變化關系3)金屬薄膜應變片上一頁返回下一頁§2.2應變金屬應變片的主要特性

上一頁返回下一頁應變片的電阻值R應變片在未經安裝也不受外力情況下，于室溫下測得的電阻值電阻系列：60、120、200、350、500、1000Ω

可以加大應變片承受電壓，電阻值大輸出信號大，敏感柵尺寸也增大一.靈敏系數(shù)或△R/R=Ｋε

“標稱靈敏系數(shù)”：受軸向單向力（拉或壓），試件材料為泊松系數(shù)μ=0.285的鋼等。一批產品中只能抽樣5％的產品來測定，取平均值及允許公差值。上一頁返回下一頁

二.橫向效應敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成直線段：沿軸向拉應變εx，電阻圓弧段：沿軸向壓應度εy

電阻K(箔式應變片)上一頁下一頁返回lεyεxεy橫向效應應變片的橫柵部分將縱向絲柵部分的電阻變化抵消了一部分，從而降低了整個電阻應變片的靈敏度，帶來測量誤差，其大小與敏感柵的構造及尺寸有關。敏感柵的縱柵愈窄、愈長，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應的影響愈小。三.溫度誤差及其補償

上一頁返回下一頁1、敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。當環(huán)境溫度變化△t時，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為α，則引起的電阻相對變化為2、試件材料和敏感柵材料線膨脹引起的誤差。當溫度變化△t時，因試件材料?ｇ和敏感柵材料?ｓ的線膨脹系數(shù)不同，應變片將產生附加拉長（或壓縮），引起的電阻相對變化溫度誤差敏感柵長L0，敏感柵線膨脹系βS，試件線膨脹系數(shù)βg

，當溫度變化△T，敏感柵膨脹至LT1，試件伸長為LT2，他們膨脹量分別為：兩者粘一起，若βS

<βg

，則敏感柵被迫從

LT1拉伸至LT2，使敏感柵產生附加變△LTβ、附加應變εTβ

、附加電阻變化△RTβ：

△LTβ=△LT2-

△LT1=L0（βg-βS

）△T

εTβ=△LTβ/L0=（βg-βS

）△T

相應的虛假應變輸出可得由于溫度變化而引起的總電阻變化為

令ɑｔ=ɑ+ＫＯ(βｇ-βｓ)

（應變計溫度系數(shù)）則εｔ═(ɑｔ△ｔ)/ＫＯ溫度補償單絲自補償法自補償法組合式自補償法線路補償法〔電橋補償法、熱敏電阻〕溫度補償上一頁返回下一頁

①電橋補償法U0R1R4R3URbFFR1RbR1+⊿RRb-⊿RU0R1＋⊿RR4R3URb－⊿R上一頁返回下一頁電橋補償法優(yōu)點：簡單、方便，在常溫下補償效果較好，缺點：在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補償片處于溫度完全一致的情況，因而影響補償效果。②應變片的自補償法粘貼在被測部位上的是一種特殊應變片，當溫度變化時，產生的附加應變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒@種應變片稱為溫度自補償應變片。利用這種應變片來實現(xiàn)溫度補償?shù)姆椒ǚQ為應變片自補償法。a.選擇式自補償應變片b.雙金屬敏感柵自補償應變片a.選擇式自補償應變片優(yōu)點：容易加工，成本低，缺點：只適用特定試件材料，溫度補償范圍也較窄。上一頁返回下一頁由上面公式可知，實現(xiàn)溫度補償?shù)臈l件為當被測試件的線膨脹系數(shù)βg已知時，通過選擇敏感柵材料，使下式成立

(2.1.21)

即可達到溫度自補償?shù)哪康?。R1R2組合自補償法b.雙金屬敏感柵自補償應變片敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成選用兩者具有不同符號的電阻溫度系數(shù)調整R1和R2的比例，使溫度變化時產生的電阻變化滿足上一頁返回下一頁通過調節(jié)兩種敏感柵的長度來控制應變片的溫度自補償，可達±0.45μm/℃的高精度③熱敏電阻補償

TKRtUiR1＋⊿RR4R3U0R2RtR5分流電阻

UURtU=Ui-URtK上一頁返回下一頁四.測試動態(tài)信號誤差

五、應變計的選擇第三章電阻應變測量電路(電橋電路)

§3.1橋式電路

1)RL

很大(如接放大器),

認為輸出開路—電壓

輸出橋

2)RL

較小(如接光線示

波器),認為輸出電流—功率

輸出橋

上一頁返回下一頁R1R2R4R3UILRL一、電壓輸出橋當電橋后面接放大器時,

電橋輸出端看成開路.電橋的輸出式為：電橋平衡條件:UＯ=Ｏ則R1R3=R2R4

R1R2R3R4UU0當平衡狀態(tài)電橋各臂電阻發(fā)生微小變化:⊿R1、⊿R2、⊿R3、⊿R4，電橋失去平衡，有電壓輸出。則有:

U0R1＋⊿R1UR2+⊿R2R3＋⊿R3R4+⊿R4采用等臂電橋，即R1=R2=R3=R4=R

。上式可寫為當ΔRi<<R(i=1,2,3,4)時，略去上式中的高階微量，則

因△R/R=Ｋε上一頁返回下一頁二、功率輸出橋

R1R2R3R4UILUＯRL

RLlg等效電路Rr

為輸出開路

(RL∞)

時的電壓值

從箭頭向里看,顯示等效

電源為,等效電阻為RrRr為電橋合成電阻即短路時的電阻R1R2R4R3Rrdba.c 為使電橋輸出功率最大,必須使負載電阻等于電源等效內阻即 輸出電流為

可見電橋平衡條件Ig=0即為(和電壓輸出橋平衡條件一樣)差2倍則輸出電流為:負載電壓:上式和電壓輸出橋輸出電壓

同時當處于平衡的功率橋(R1R3=R2R4)

的電橋各臂電阻若發(fā)生微小變化△R1△R2.△R3.△R4,電橋失去平衡.若為等臂電橋(R1=R2=R3=R4)則負載電壓變化因△R/R=Ｋε注：交流電橋的

平衡條件

Z1Z3=Z2Z4Ф1+Ф3=Ф2+Ф4

Z1Z2Z3Z4e

ie三、電橋的和差特性

電橋臨臂有增量時,輸出為兩增量之差;對臂有增量時,輸出為兩增量之和和差特性的用途:進行溫度補償;

提高靈敏度;

在復雜的應力狀態(tài)下,測取某一單純應力

非線性補償和差特性的線性關系是略去分母中的ΔR1/R1項,假設ΔR1/R1<<1。單臂電橋，即R1橋臂變化ΔR，理想的線性關系。如應變太大，線性關系不成立。實際輸出電壓上一頁返回下一頁電橋的相對非線性誤差為，且越大，越大四、電橋的非線性誤差及其補償非線性誤差補償（1）采用半橋差動電橋兩個片子，一個拉、一個壓，有|△R1|=|-△R2

|=△R，因等臂電橋，代入下式有R1R2FU0R1＋⊿R1R3R4UR2－⊿R2上一頁返回下一頁R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR單臂：

非線性誤差消除,嚴格的線性關系電橋靈敏度是單臂時的兩倍溫度補償作用上一頁返回下一頁輸出電壓為：

非線性誤差消除,嚴格線性關系電橋靈敏度是單臂時的四倍溫度補償作用U0R1＋⊿R1UR2－⊿R2R3＋⊿R3R4－⊿R4上一頁返回下一頁全橋差動電路§3.2應變電橋的組成形式

為了有效地應用電橋地和差特性，達到溫度補償，提高靈敏度以及在復雜應力狀態(tài)下測取單純應力，必須合理安排應變計在橋路中地位置。全等臂電壓輸出為：一、受拉壓構件，欲測其拉（壓）應變方案一“單臂”PPR1應變計，R2、R3、R4固定電阻R1R1R2R3R4

但不能消除溫度引起誤（上面曾談到應變計溫度引起誤差）其中敏感柵材料的溫度系數(shù)溫度變化引起電阻變化∵

R1、R2應變計溫度系數(shù)相同，又都處于同一溫度場PPR