電阻式傳感器演示文稿

電阻式傳感器演示文稿當前1頁，總共48頁。優(yōu)選電阻式傳感器當前2頁，總共48頁。

缺點:1.在大應(yīng)變狀態(tài)下具有較大非線性;2.輸出信號微弱;3.不適用于高溫（1000℃以上）環(huán)境中;4.實際測出的僅是某一面積上的平均應(yīng)變，不能

完全顯示應(yīng)力場中應(yīng)力梯度的情況。當前3頁，總共48頁。2.1

應(yīng)變效應(yīng)

應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在受到外界力(拉力或壓力)作用時，將產(chǎn)生機械變形，機械變形會導(dǎo)致其電阻值變化。當前4頁，總共48頁。圖2.11金屬絲伸長后幾何尺寸變化設(shè)電阻絲在外力F的作用下被拉伸(或壓縮)，則：當前5頁，總共48頁。用相對變化表示對于半徑為的電阻絲，截面面積則：令電阻絲的軸向(縱向)應(yīng)變?yōu)閺较?橫向)應(yīng)變?yōu)閯t由材料力學(xué)泊松定律可知：當前6頁，總共48頁。經(jīng)整理得如用增量表示，有：進一步整理得設(shè)則：——

電阻絲的靈敏系數(shù)當前7頁，總共48頁。

結(jié)論：

為電阻絲的靈敏系數(shù)，即單位應(yīng)變所引起的電阻的相對變化。它受兩個因素的影響：一是它是由電阻絲幾何尺寸改變引起的，對某種材料來說，它是常數(shù)；另一個是，它是由電阻絲電阻率的改變而引起的，對于金屬材料，其值也是常數(shù)，但往往比小很多，可以忽略，故對于金屬材料，靈敏系數(shù)將保持不變，即值是恒定的。因此：≈

可見，當金屬電阻絲受到外界應(yīng)力的作用時，其電阻的變化與受到應(yīng)力的大小成正比。當前8頁，總共48頁。2.2金屬電阻應(yīng)變片的主要特性1.結(jié)構(gòu)及材料金屬電阻應(yīng)變片分金屬絲式和箔式圖2-18金屬絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)1,3——

粘合層2——

基底4——

蓋層5——

敏感柵6——

引線當前9頁，總共48頁。

金屬絲式應(yīng)變片是最早應(yīng)用的品種，金屬絲彎曲部分可作成圓弧、銳角或直角,如下圖所示。彎曲部分作成圓?。║）形是最早常用的一種形式,制作簡單但橫向效應(yīng)較大。直角（H）形兩端用較粗的鍍銀銅線焊接,橫向效應(yīng)相對較小,但制作工藝復(fù)雜,將逐漸被橫向效應(yīng)小、其他方面性能更優(yōu)越的箔式應(yīng)變片所代替。當前10頁，總共48頁。圖2-19箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)當前11頁，總共48頁。

對電阻應(yīng)變片敏感柵材料有如下要求：①靈敏系數(shù)大，且在相當大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)；②ρ值大，即在同樣長度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值；③電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會改變其阻值；④與銅線的焊接性能好，與其它金屬的接觸電勢小；⑤機械強度高，具有優(yōu)良的機械加工性能。通常采用的材料有：康銅、鎳鉻合金、鉑、鉑鎢合金等當前12頁，總共48頁。表2-1常用電阻絲材料及性能當前13頁，總共48頁。

康銅是目前應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變絲材料，這是由于它有很多優(yōu)點：靈敏系數(shù)穩(wěn)定性好電阻溫度系數(shù)較小且穩(wěn)定在（±50×10-6/℃

的范圍內(nèi)）康銅的加工性能好，易于焊接。

應(yīng)變片是用粘結(jié)劑粘貼到被測件上的。粘結(jié)劑形成的膠層必須準確迅速地將被測件應(yīng)變傳遞到敏感柵上。選擇粘結(jié)劑時必須考慮應(yīng)變片材料和被測件材料性能（機械性能可靠、電氣絕緣性、滯后小，耐濕，耐油，耐老化，耐疲勞等，同時，還要考慮工作條件：如溫度、相對濕度、穩(wěn)定性等）。當前14頁，總共48頁。

應(yīng)變片的粘結(jié)當前15頁，總共48頁。2、電阻應(yīng)變片的主要特性

（1）靈敏系數(shù)k

當具有初始電阻值R的應(yīng)變片粘貼于試件表面時，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)生電阻相對變化ΔR/R。理論和實驗表明，在一定應(yīng)變范圍內(nèi)ΔR/R與ε的關(guān)系滿足下式：

定義k=(ΔR/R)/ε為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。它表示安裝在被測試件上的應(yīng)變在其軸向受到單向應(yīng)力時，引起的電阻相對變化(ΔR/R)與其單向應(yīng)力引起的試件表面軸向應(yīng)變ε之比。

當前16頁，總共48頁。

應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k并不等于其敏感柵整長應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)k0，一般情況下，k<k0,這是因為，在單向應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)變時，k除受到敏感柵結(jié)構(gòu)形狀、成型工藝、粘結(jié)劑和基底性能的影響外，尤其受到柵端圓弧部分橫向效應(yīng)的影響。應(yīng)變片的靈敏系數(shù)直接關(guān)系到應(yīng)變測量的精度。因此，K值通常采用從批量生產(chǎn)中每批抽樣，在規(guī)定條件下，通過實測來確定。特別說明：當前17頁，總共48頁。（2）橫向效應(yīng)

敏感柵是由n條長度為l1的直線段和直線段端部的n-1個半徑為r的半圓圓弧（彎角）組成。受軸向應(yīng)力而產(chǎn)生縱向拉應(yīng)變εx時，則各直線段的電阻增加；彎角受到橫向應(yīng)變εy時，其截面積變大，電阻將減小，靈敏度將下降。r↑→k↓圖2-20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；（b）應(yīng)變片的橫向效應(yīng)圖當前18頁，總共48頁。（3）機械滯后、零漂和蠕變在一定的溫度下，在零和某一指定應(yīng)變之間，（ΔR/R）——ε的加載特性與卸載特性不一致。粘貼在試件上的應(yīng)變片，在溫度保持恒定，試件上沒有機械應(yīng)變的情況下，電阻值隨時問變化的特性稱為應(yīng)變片的零漂。圖2-21機械滯后粘貼在試件上的應(yīng)變片，溫度保持恒定，在承受某一恒定的機械應(yīng)變長時間作用下，應(yīng)變片的指示值隨時間變化的特性稱為應(yīng)變片的蠕變。一般來說，蠕變的方向與原來應(yīng)變量變化的方向相反。當前19頁，總共48頁。（4）溫度效應(yīng)由于環(huán)境溫度的變化，引起電阻的相對變化。（5）應(yīng)變極限、疲勞壽命應(yīng)變極限是指在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變與試件的真實應(yīng)變的相別誤差達規(guī)定值（一般為10％）時的真實應(yīng)變值;在恒定幅值的交變力作用下，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。

相應(yīng)的應(yīng)變：當前20頁，總共48頁。

應(yīng)變片絕緣電阻是指已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測件之間的電阻值Rm。通常要求Rm在50~100MΩ以上。絕緣電阻下降將使測量系統(tǒng)的靈敏度降低，使應(yīng)變片的指示應(yīng)變產(chǎn)生誤差。Rm取決于粘結(jié)劑及基底材料的種類及固化工藝。

最大工作電流是指已安裝的應(yīng)變片允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流Imax。工作電流大，輸出信號也大，靈敏度就高。但工作電流過大會使應(yīng)變片過熱，靈敏系數(shù)產(chǎn)生變化，零漂及蠕變增加，甚至燒毀應(yīng)變片。

（6）絕緣電阻和最大工作電流當前21頁，總共48頁。（8）動態(tài)響應(yīng)特性在測量頻率較高的動態(tài)應(yīng)變時，應(yīng)考慮其動態(tài)特性。

在動態(tài)情況下，應(yīng)變以波動形式在材料中傳播，傳播速度為聲速。由于應(yīng)變波通過敏感柵需要一定時間，只有當它通過敏感柵全部長度后,電阻變化才達到最大值。

（7）應(yīng)變片的電阻值

指應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力的情況下，于室溫測得的電阻值。目前常用的電阻系列，有60、120、200、350、500、1000Ω等，其中以120Ω最常用。當前22頁，總共48頁。

（一）自補償法

1.單絲自補償法令=0只需：

這種的自補償應(yīng)變片容易加工，成本低，缺點是只適用特定材料，溫度補償范圍也較窄。2.3溫度誤差及其補償當前23頁，總共48頁。2.組合式自補償

由兩種不同溫度系數(shù)的電阻絲組成（1）二者具有不同符號的電阻溫度系數(shù)即：圖2-25組合式自補償法之一可通過調(diào)節(jié)兩種電阻絲的長度來控制應(yīng)變片的溫度補償。當前24頁，總共48頁。圖2-26組合式自動補償法之二（2）二者具有相同符號的電阻溫度系數(shù)R2為補償電阻（高溫度系數(shù)）RB為附加電阻（低溫度系數(shù)）滿足條件求得：當前25頁，總共48頁。（二）線路補償法常用電橋補償法圖2-27電橋補償法R1——工作應(yīng)變片，安裝在被測試件上；RB——補償應(yīng)變片，安裝在補償塊上，與被測試件溫度相同，但不承受應(yīng)變。

R1RB接入電橋相鄰兩臂，因△R1t=△RBt，故輸出電壓U0不受溫度變化影響。當前26頁，總共48頁。

應(yīng)當指出，若要實現(xiàn)完全補償，上述分析過程必須滿足以下三個條件：①R1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。②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。③兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場。當前27頁，總共48頁。差動電橋補償法圖2-28差動電橋補償法

測量時可將RＢ貼在被測試件的下面（如圖2-28所示）,接入圖2-27的電橋電路中。由于在外力F的作用下,RB與R1的變化值大小相等符號相反,電橋的輸出電壓增加一倍。此時RB既起到了溫度補償作用,又提高了靈敏度,同時可補償非線性誤差。當前28頁，總共48頁。2.4測量電路（一）直流電橋

1.直流電橋平衡條件圖2-29直流電橋當，或時，電橋平衡

當RL→∞時，電橋輸出電壓為

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。當前29頁，總共48頁。

2.電壓靈敏度應(yīng)變片工作時，其電阻值變化很小，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，輸出電壓為故平衡時：由等效內(nèi)阻：=0當前30頁，總共48頁。

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：

當前31頁，總共48頁。電橋電壓靈敏度定義為：

由分析可知：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，所以要作適當選擇；②電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。

當前32頁，總共48頁。由dKU/dn=0，求KU的最大值，得求得n=1時，KU為最大值。這就是說，在供橋電壓確定后，當R1=R2=R3=R4時，電橋電壓靈敏度最高，此時有：

從上述可知，當電源電壓U和電阻相對變化量ΔR1/R1一定時，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關(guān)。

當U值確定后，n取何值時才能使KU最高：當前33頁，總共48頁。

3.非線性誤差及其補償方法

以上分析略去了分母中的ΔR1/R1項，電橋輸出電壓與電阻相對變化成正比的理想情況下得到的，實際情況則應(yīng)按下式計算，即：

與ΔR1/R1的關(guān)系是非線性的，如果是四等臂電橋，R1=R2=R3=R4，即n=1，則非線性誤差為

當前34頁，總共48頁。

為了減小和克服非線性誤差，常采用差動電橋：即在試件上安裝兩個工作應(yīng)變片，一個受拉應(yīng)變，一個受壓應(yīng)變，接入電橋相鄰橋臂，稱為半橋差動電路，如圖所示：

若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，則得

電路優(yōu)點：

Uo與ΔR1/R1成線性關(guān)系，差動電橋無非線性誤差電壓靈敏度KU=U/2，是單臂工作時的兩倍具有溫度補償作用

該電橋輸出電壓為當前35頁，總共48頁。

若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片，如圖所示，即兩個受拉應(yīng)變，兩個受壓應(yīng)變，將兩個應(yīng)變符號相同的接入相對橋臂上，構(gòu)成全橋差動電路。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4，則：

電路優(yōu)點：

Uo與ΔR1/R1成線性關(guān)系，差動電橋無非線性誤差電壓靈敏度KU=U/4，是單臂工作時的四倍具有溫度補償作用

當前36頁，總共48頁。

（二）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。圖2-30為半橋差動交流電橋的一般形式，為交流電壓源，由于供橋電源為交流電源，引線分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性，即相當于兩只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個電容，則每一橋臂上復(fù)阻抗分別為圖2-30交流電橋式中：C1、C2表示應(yīng)變片引線分布電容

當前37頁，總共48頁。由交流電路分析可得：

要滿足電橋平衡條件，即Uo=0，則有：Z1Z4=Z2Z3

將Z1、Z2、Z3、Z4表達式代入，可得：

整理得：

其實部、虛部應(yīng)分別相等，并整理可得交流電橋的平衡條件為：及

當前38頁，總共48頁。圖2-31交流電橋平衡調(diào)節(jié)當前39頁，總共48頁。

主要用于檢測力、壓力、扭矩、位移、加速度等

（一）應(yīng)變式測力傳感器

被測物理量為荷重或力的應(yīng)變式傳感器時，統(tǒng)稱為應(yīng)變式測力傳感器。其主要用途是作為各種電子稱與材料試驗機的測力元件，要求有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，當傳感器受到側(cè)向作用力或力的作用點少量變化時，不應(yīng)對輸出有明顯的影響。

2.5應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

當前40頁，總共48頁。

柱式傳感器是稱重(或測力)傳感器應(yīng)用較普遍的一種形式。它分為柱形和圓筒形兩種。1.柱（筒）式力傳感器

在外力F作用下產(chǎn)生的軸向應(yīng)變?yōu)椋篍為楊氏模量（N/m2）當前41頁，總共48頁。圖2-33柱式力傳感器應(yīng)變片粘貼和橋路連接

應(yīng)變片一般對稱地貼在應(yīng)力均勻的圓柱表面的中間部分，可對稱地粘貼多片，構(gòu)成差動式，提高了靈敏度，橫向粘貼的應(yīng)變片同時作為溫度補償。當前42頁，總共48頁。

柱式力傳感器的截面積隨載荷改變可導(dǎo)致非線性，需對此進行補償。筒式結(jié)構(gòu)可使分散在端面的載荷集中到筒的表面上來，改善了應(yīng)力線分布，同時在筒壁上還能開孔，