第3章 應變式傳感器

傳感器原理及應用第3章應變式傳感器傳感器原理及應用第3章應變式傳感器主要內容1.電阻應變片原理2.金屬應變片的主要特性3.應變片測量電路4.應變式傳感器的應用

傳感器原理及應用第3章應變式傳感器概述

電阻式應變傳感器作為測力的主要傳感器，測力范圍小到肌肉纖維，大到登月火箭，精確度可到0.01—0.1%。有拉壓式（柱、筒、環(huán)元件）、彎曲式、剪切式。應變式傳感器特征：不同材料類型；金屬應變片、半導體應變片應用范圍；應變力、壓力、轉矩、位移、加速度；主要優(yōu)點；使用簡單、精度高、范圍大體積小。傳感器原理及應用第3章應變式傳感器概述各種電子秤廣泛應用于－傳感器原理及應用第3章應變式傳感器概述高精度電子汽車衡

動態(tài)電子秤電子天平傳感器原理及應用第3章應變式傳感器概述機械秤包裝機吊秤傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.1電阻應變片原理（1）應變效應金屬應變片結構：網狀敏感柵——高阻金屬絲、金屬箔基片——絕緣材料蓋片——保護層傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.1電阻應變片原理（1）應變效應1—敏感元件2、4—基底3—引線應變片組成應變片結構傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.1電阻應變片原理（1）應變效應箔式應變片結構傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.1電阻應變片原理

（1）應變效應

金屬電阻應變片的基本原理基于電阻應變效應：即，導體產生機械形變時它的電阻值發(fā)生變化。一根長L，截面積為S，電阻率為ρ的金屬絲電阻為:當電阻絲受到軸向拉力F作用時，電阻值ΔR的變化引起電阻的相對變化為:傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.1電阻應變片原理

（1）應變效應當電阻絲受到軸向拉力F作用時，金屬絲幾何尺寸變化引起電阻的相對變化傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.1電阻應變片原理

（1）應變效應用橫向、頸向應變、泊松系數帶入后電阻變化率為：受力后材料幾何尺寸變化（1+2μ），材料電阻率的變化（Δρ/ρ）/ε?；颍毫睿簜鞲衅髟砑皯玫?章應變式傳感器3.1電阻應變片原理

（1）應變效應

對于金屬電阻絲

μ=0.25～0.5(鋼μ=0.285)

k0≈1+2μk0≈1.5～2金屬應變片靈敏系數k0由材料的幾何尺寸決定的應力σ=Eε可見σ∝ε應變ε∝ΔR/R應力σ∝ΔR/R

通過彈性元件可將位移、壓力、振動等物理量將應力轉換為應變進行測量，這是應變式傳感器測量應變的基本原理。傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.1電阻應變片原理

（2）壓阻效應和壓阻式傳感器

半導體應變片又稱壓阻式傳感器優(yōu)點：靈敏度高、耗電少、有正負兩種應力效應。缺點：受溫度影響較大。

半導體材料的靈敏系數Ｋ０主要由壓阻效應引起的電阻率ρ的變化；靈敏系數遠大于金屬應變片的靈敏系數。對半導體已知固體受力引起的電阻變化為：傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.1電阻應變片原理

（3）應變片種類

按材料分：金屬式：體型:絲式、箔式、薄膜型半導體式體式：

體型、薄膜型、擴散型、外延型、PN結型按結構分：單片、雙片、特殊形狀按使用環(huán)境：高溫、低溫、高壓、磁場、水下傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.1電阻應變片原理

（3）應變片種類各種金屬箔式應變片體型半導體電阻應變片傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.2金屬應變片的主要特性（1）應變片的靈敏系數

金屬絲做成應變片后電阻應變特性與單根金屬絲不同；實驗證明，應變片靈敏系數K<K0電阻絲靈敏系數，產品的靈敏系數稱“標稱靈敏系數”。被測體應變片ＦＦ傳感器原理及應用第3章應變式傳感器

直線電阻絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應變不同，園弧部分使靈敏系數K↓下降，這種現(xiàn)象稱為橫向效應。3.2金屬應變片的主要特性

（2）橫向效應

傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.2金屬應變片的主要特性

（3）應變片溫度誤差及補償

應變片安裝在自由膨脹的試件上，如果環(huán)境溫度變化，應變片的電阻也會變化，這種變化疊加在測量結果中稱應變片溫度誤差。應變片溫度誤差來源有兩個主要因素：

αt——誤差應變片本身電阻溫度系數影響；

βg——試件材料的線膨脹系數影響

因環(huán)境溫度改變引起的附加電阻變化與環(huán)境溫度變化Δt有關；應變片本身的性能參數K、αt、βs；試件參數βg有關。傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.2金屬應變片的主要特性

（3）應變片溫度誤差及補償電阻絲阻值與溫度關系：因試件使應變片電阻產生附加形變造成的電阻變化溫度變化Δt時電阻絲的電阻變化傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.2金屬應變片的主要特性

（3）應變片溫度誤差及補償

溫度補償方法有：電橋線路補償、自補償、輔助測量補償、熱敏電阻補償、計算機補償等。線路補償：被測試件位置上安裝一個補償片處于相同的溫度場；電橋輸出U0與橋臂參數的關系為：

U0=A（R1R4-RBR3）當溫度變化時R1=ΔRB，電橋平衡，當有應變時R1有增量ΔR1=Kε，補償片RB無變化ΔRB=0電橋輸出U0=AR1R4Kε與溫度無關傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.2金屬應變片的主要特性

（3）應變片溫度誤差及補償

自補償方法傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.2金屬應變片的主要特性

（3）應變片溫度誤差及補償

電橋補償方法傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.3電阻應變片測量電路

（1）直流電橋①直流電橋的平衡條件負載RL—∞（開路）電橋平衡時I0=0U0=0對比積相等鄰臂比相等傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.3電阻應變片測量電路

（1）直流電橋設R1為應變片，應變時R1變化量為ΔR1，這時電橋失衡，不平衡輸出電壓為：②電壓靈敏度傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.3電阻應變片測量電路

（1）直流電橋設橋臂比電橋靈敏度定義為：電橋輸出：忽略②電壓靈敏度傳感器原理及應用第3章應變式傳感器討論：

電橋電壓靈敏度Ku越大，應變變化相同情況輸出電壓越大；

Ku與電橋電源E成正比Ku∝E，但供電受應變片允許功耗限制；

Ku是橋臂比n的函數Ku（n），恰當選擇n可提高電壓靈敏度Ku。3.3電阻應變片測量電路

（1）直流電橋②電壓靈敏度傳感器原理及應用第3章應變式傳感器討論：顯然n=1R1=R2R3=R4時有Ku最大3.3電阻應變片測量電路

（1）直流電橋

單臂工作片電壓靈敏度：

橋路輸出電壓：

②電壓靈敏度傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.3電阻應變片測量電路

（1）直流電橋單橋半橋全橋②電壓靈敏度傳感器原理及應用第3章應變式傳感器

3.3電阻應變片測量電路

（1）直流電橋等臂電橋n=1時,由上式近似得到：

③非線性誤差補償

實際輸出值為：非線性誤差：傳感器原理及應用第3章應變式傳感器

可見非線性誤差與ΔR1/R1成正比為減小非線性誤差常采用差動電橋差動電橋：在試件上安裝兩個工作片，一個受拉、一個受壓接在電橋的相鄰兩個臂，電橋輸出為：3.3電阻應變片測量電路

（1）直流電橋③非線性誤差補償傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.3電阻應變片測量電路

（1）直流電橋③非線性誤差補償

半橋電壓靈敏度為：

討論：

輸出電壓U0與R1/R1呈線性關系，無非線性誤差；電壓靈敏度是單橋的兩倍；具有溫度補償作用。

電橋輸出：

傳感器原理及應用第3章應變式傳感器

3.3電阻應變片測量電路

（1）直流電橋③非線性誤差補償

全橋：將四臂按對臂同性接四個工作片稱全橋。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4

全橋電壓輸出：

全橋電壓靈敏度為：

傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.3電阻應變片測量電路

（2）交流電橋直流電橋優(yōu)點：電源穩(wěn)定電路簡單，仍是主要測量電路；缺點：直流放大器較復雜，存在零漂工頻干擾。交流電橋優(yōu)點：放大電路簡單無零漂，不受干擾，為特定傳感器帶來方便；缺點：需專用測量儀器或電路不易取得高精度。傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.3電阻應變片測量電路

（2）交流電橋交流電橋輸出特征方程：

電橋平衡條件：傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.3電阻應變片測量電路

（2）交流電橋交流電橋傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.3電阻應變片測量電路（2）交流電橋

交流電橋需滿足對臂復數的模積相等，幅角之和相等。交流電橋輸出：傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.3電阻應變片測量電路

（2）交流電橋已知忽略分母項交流半橋輸出：

交流單橋輸出：

其中：傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.3電阻應變片測量電路

（2）交流電橋

交流電橋輸出除滿足電阻平衡條件，還要滿足電容平衡條件：交流電橋輸出用復數表示：傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.3電阻應變片測量電路

（2）交流電橋討論：輸出電壓U0有兩個分量，前一個分量的相位與輸入電源電壓U同相，叫同相分量；后一個分量的相位與電源相位相差900，叫正交分量。兩個分量均是ΔR的調幅正弦波，采用普通二極管檢波電路無法檢測出調制信號ΔR，必須采用相敏檢波電路。檢波器只檢出同相分量的調制信號，對正弦分量不起檢波作用，只起到濾除作用。傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.3電阻應變片測量電路

（2）交流電橋－平衡電路：電容平衡電路

電阻平衡電路傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.4應變式傳感器的應用

（1）電阻應變儀

按測量應變力的頻率可分為靜態(tài)應變儀和動態(tài)應變儀，按應變力頻率又可細分為：靜態(tài)——5Hz；靜動態(tài)——幾百Hz；動態(tài)——5KHz；超動態(tài)——幾十KHz；交流電橋電阻應變儀主要由電橋、振蕩器、放大器、相敏檢波器、濾波器、轉換和顯示電路組成。

傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.4應變式傳感器的應用

（1）電阻應變儀傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.4應變式傳感器的應用

（1）電阻應變儀

電橋測20-200Hz應變力輸出調幅調制波；

放大器將電橋輸出的調幅波放大；

振蕩器產生等幅正弦波提供電橋電壓和相敏檢波器參考電壓；

相敏檢波器

如果應變有拉應變和壓應變，可通過相敏檢波電路區(qū)分雙相信號；

相移器

相敏檢波器的參考信號與被測信號有嚴格的相位關系；

濾波器為了還原被檢測的信號用低通濾波器去掉高頻保留低頻應變信號。傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.4應變式傳感器的應用（1）電阻應變儀傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.4應變式傳感器的應用

（2）相敏檢波器

相敏檢波器可以區(qū)分正負極性的雙相信號，在傳感器轉換電路中廣泛應用，相敏檢波器的電路形式較多，下面做一介紹簡要。相敏檢波器有兩個作用：

一是只對同相信號檢波；二是識別調制信號的正負。

傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.4應變式傳感器的應用

（2）相敏檢波器

開關型相敏檢波電路適用于調制信號頻率較高的情況，開關型相敏檢電路采用集成運算放大器組成整形電路和輸出電路。傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.4應變式傳感器的應用

（2）相敏檢波器V1是放大器輸出，相敏檢波器輸入波；

V2是相移器輸出，相敏檢波參考信號；

V3是相敏檢波器輸出；V6整形輸出；

V7為箝位后在零電平以下輸出。傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.4應變式傳感器的應用橋梁固有頻率測量電路傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.4應變式傳感器的應用傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.4應變式傳感器的應用

（3）力傳感器（測力與秤重）

力傳感器的彈性元件有：柱式、梁式、環(huán)式、輪輻式等：①柱式力傳感器有空心（筒形）、實心（柱形）在圓筒（柱）上按一定方式粘貼應變片，圓柱（筒）在外力F作用下產生形變，實心圓柱因外力作用產生的應變?yōu)椋菏街校篖為彈性元件的長度，

S為彈性元件的橫截面積

F外力；σ為應力，σ=F/S；

E為彈性模量傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.4應變式傳感器的應用

（3）力傳感器（測力與秤重）

試驗研究結果建議選用以下公式：實心圓柱

H≥2D+L

空心圓柱

H≥D—d+L柱式力傳感器結構F=100*103NK=2mm/V傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.4應變式傳感器的應用（3）力傳感器

一般應變片均勻貼在圓柱表面中間部分，

R1R2、R3R4串聯(lián)擺放在兩對臂內，當有偏心應力時，一方受拉另一方受壓產生相反變化，可減小彎矩的影響。橫向粘貼應變片為溫度補償片有提高靈敏度的作用。

R=R1=R2=R3=R4，受力方向相同橋路連接圖靈敏度按半橋計算電橋輸出為：傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.4應變式傳感器的應用

（3）力傳感器（測力與秤重）

圓柱面展開圖傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.4應變式傳感器的應用

（3）力傳感器（測力與秤重）

荷重傳感器彈性元件形式傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.4應變式傳感器的應用

（3）力傳感器（測力與秤重）

②懸臂梁式力傳感器

等截面梁：懸臂梁的橫截面積處處相等，所以稱等截面梁。當外力F作用在梁的自由端時，固定端產生的應變最大，粘貼在應變片處的應變?yōu)椋菏街校菏橇荷蠎兤磷杂啥司嚯x，

b、h分別為梁的寬度和梁的厚度。傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.4應變式傳感器的應用

（3）力傳感器（測力與秤重）

等強度梁：懸臂梁長度方向的截面積按一定規(guī)律變化，是一種特殊形式的懸臂梁。當力作用在自由端時，力距作用點任何截面積上應力相等，應變片的應變大小為：傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.4應變式傳感器的應用（3）力傳感器

因為應變片的應變大小與力作用的距離有關，所以應變片應貼在距固定端較近的表面，順梁的方向貼上下各貼兩只。四個應變片組成全橋。上面兩個受壓時下面兩個受拉。這種傳感器適用于測量500Kg以下荷重。傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.4應變式傳感器的應用

（3）力傳感器（測力與秤重）

各種平行雙孔梁傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.4應變式傳感器的應用

（3）力傳感器（測力與秤重）

各種形式梁傳感器原理及應用第3章應變式傳感器3.4應變式傳感器的應用

（3）力傳感器（測力與秤重）

梁的形式較多