傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)

1、物理量物理量彈性元件電阻變化電阻變化NoImage傳感器的工作原理傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù) 1、靈敏系數(shù)電阻應(yīng)變片的主要特性電阻應(yīng)變片的主要特性2、橫向效應(yīng)RRK/傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù) 減小橫向效應(yīng)方法減小橫向效應(yīng)方法 不能滿足測(cè)量精度要求時(shí)不能滿足測(cè)量精度要求時(shí), , 應(yīng)進(jìn)行必要的應(yīng)進(jìn)行必要的修正修正, , 為了減小橫向效應(yīng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差為了減小橫向效應(yīng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差, , 現(xiàn)在一般多采用箔式應(yīng)變片?，F(xiàn)在一般多采用箔式應(yīng)變片。3、機(jī)械滯后、應(yīng)變極限4、最大允許電流、功耗傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)5、 應(yīng)變片的溫度誤差應(yīng)變片的溫度誤差 由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的改變而給測(cè)

2、量帶由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的改變而給測(cè)量帶來(lái)的附加誤差，來(lái)的附加誤差， 稱為應(yīng)變片的溫度誤差。稱為應(yīng)變片的溫度誤差。 產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要因素有下述兩產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要因素有下述兩個(gè)方面。個(gè)方面。 產(chǎn)生溫度誤差的原因產(chǎn)生溫度誤差的原因1) 電阻溫度系數(shù)的影響電阻溫度系數(shù)的影響2) 試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同的影響的影響傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法1 1）應(yīng)變片的自補(bǔ)償法）應(yīng)變片的自補(bǔ)償法2) 2) 橋路補(bǔ)償法（線路補(bǔ)償）橋路補(bǔ)償法（線路補(bǔ)償）應(yīng)變片的自補(bǔ)償法有（應(yīng)變片的自補(bǔ)償法有（ ）和（

3、）和（ ） 單絲自補(bǔ)償單絲自補(bǔ)償 雙絲組合式自補(bǔ)償雙絲組合式自補(bǔ)償 傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)R1R3RBR4UoR1RB(a)(b)R1工 作 應(yīng) 變 片 ；RB補(bǔ) 償 應(yīng) 變 片F(xiàn)FU- 式中式中, , A A為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。當(dāng)當(dāng)R R3 3和和R R4 4為常數(shù)時(shí)，為常數(shù)時(shí)，R R1 1和和R RB B對(duì)電橋輸出電壓對(duì)電橋輸出電壓U Uo o的作用方向的作用方向相反。相反。 利用這一基本關(guān)系可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償。利用這一基本關(guān)系可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償。橋路補(bǔ)償法橋路補(bǔ)償法傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù) 應(yīng)當(dāng)指出，若要實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，上述

4、分析過(guò)程必須滿足以下應(yīng)當(dāng)指出，若要實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，上述分析過(guò)程必須滿足以下4個(gè)條件：個(gè)條件： 在應(yīng)變片工作過(guò)程中，保證在應(yīng)變片工作過(guò)程中，保證R3=R4 R1和和RB兩個(gè)應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)兩個(gè)應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)、線膨脹、線膨脹系數(shù)系數(shù)、應(yīng)變靈敏度系數(shù)、應(yīng)變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值和初始電阻值R0。 粘貼補(bǔ)償片的補(bǔ)償塊材料和粘貼工作片的被測(cè)試件材料粘貼補(bǔ)償片的補(bǔ)償塊材料和粘貼工作片的被測(cè)試件材料必須一樣，兩者線膨脹系數(shù)相同。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(chǎng)。兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場(chǎng)。 傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)

5、量電路 由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小, , 要把要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測(cè)量出來(lái)微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測(cè)量出來(lái), , 同時(shí)要把電阻相對(duì)變化同時(shí)要把電阻相對(duì)變化R/ RR/ R轉(zhuǎn)換為電壓轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。因此或電流的變化。因此, , 需要有專(zhuān)用測(cè)量電需要有專(zhuān)用測(cè)量電路用于測(cè)量應(yīng)變引起的電阻變化路用于測(cè)量應(yīng)變引起的電阻變化, ,測(cè)量電路測(cè)量電路通常采用直流電橋和交流電橋通常采用直流電橋和交流電橋傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)4.4.1 直流電橋直流電橋 1. 直流電橋平衡條件直流電橋平衡條件當(dāng)當(dāng)RL時(shí)，電橋輸出電壓為時(shí)，電橋輸出電壓為 433211RRRRRREU

6、oR1R2R4R3ACBEDIoRLUo直流電橋直流電橋 電阻電阻 電壓（電流）電壓（電流）測(cè)量電路測(cè)量電路傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)當(dāng)電橋平衡時(shí)，當(dāng)電橋平衡時(shí)，Uo=0，則有，則有 R1R4=R2R3或或 4321RRRR 為電橋平衡條件。為電橋平衡條件。 這說(shuō)明欲使電橋平衡，這說(shuō)明欲使電橋平衡， 其相鄰兩臂電其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，阻的比值應(yīng)相等， 或相對(duì)兩臂電阻的乘積應(yīng)相等?；蛳鄬?duì)兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。 傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)試件測(cè)量電路的分類(lèi)測(cè)量電路的分類(lèi)-按工作應(yīng)變片個(gè)數(shù)來(lái)分按工作應(yīng)變片個(gè)數(shù)來(lái)分傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)試件傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)F

7、傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)341211113443211414332111111)(RRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRREUo設(shè)橋臂比設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于，由于R1R1，分母中，分母中R1/R1可忽略，可忽略， 并考慮到平衡條并考慮到平衡條件件R2/R1=R4/R3， 則可寫(xiě)則可寫(xiě)為為 :ERRnnUo112)1 ( 2. 電壓靈敏度電壓靈敏度lR1為應(yīng)變片為應(yīng)變片.當(dāng)受應(yīng)變時(shí)，若應(yīng)變片電阻變化為當(dāng)受應(yīng)變時(shí)，若應(yīng)變片電阻變化為R，其它橋臂，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓固定不變，電橋輸出電壓Uo0，則電橋不平衡，輸出電壓為，則電橋不平衡，輸出電壓為 傳感器與檢測(cè)技

8、術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)電橋電壓靈敏度定義為電橋電壓靈敏度定義為 EnnRRUKoU211)1 ( 電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓， 供電電壓越高，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；的限制，所以要作適當(dāng)選擇； 電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值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擇的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。 當(dāng)當(dāng)E值確定后，值確定后，n取何值時(shí)才能使取何值時(shí)才能使KU最

9、高。最高。 傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)由由dKU/dn = 0求求KU的最大值，得的最大值，得 0)1 (132nndndKU求得求得n=1時(shí)，時(shí)，KU為最大值。這就是說(shuō)，在供橋電壓確定后，當(dāng)為最大值。這就是說(shuō)，在供橋電壓確定后，當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，電橋電壓靈敏度最高，此時(shí)有時(shí)，電橋電壓靈敏度最高，此時(shí)有 4411EKRREUUo從上述可知，當(dāng)電源電壓從上述可知，當(dāng)電源電壓E和電阻相對(duì)變化量和電阻相對(duì)變化量R1/R1一定時(shí)，一定時(shí)， 電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(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。 傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電

10、路測(cè)量技術(shù) 3. 非線性誤差及其補(bǔ)償方法非線性誤差及其補(bǔ)償方法 略去分母中的略去分母中的R1/R1項(xiàng)，電橋輸出電壓與電阻相對(duì)變化成項(xiàng)，電橋輸出電壓與電阻相對(duì)變化成正比的理想情況下得到的。正比的理想情況下得到的。 實(shí)際情況則應(yīng)按下式計(jì)算，實(shí)際情況則應(yīng)按下式計(jì)算， 即即 )1 (11111nRRnRRnEUo 與與R1/R1的關(guān)系是非線性的，非線性誤差為的關(guān)系是非線性的，非線性誤差為 oU傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)全橋差動(dòng)電橋 R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b)R3 R3R4 R4 1. 1.半橋差動(dòng)電路半

11、橋差動(dòng)電路為了減小和克服非線性誤差，常采用差動(dòng)電橋如圖所示，為了減小和克服非線性誤差，常采用差動(dòng)電橋如圖所示， 在在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變，試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變， 接入電橋相鄰橋臂，稱為半橋差動(dòng)電路，接入電橋相鄰橋臂，稱為半橋差動(dòng)電路， 如圖（如圖（a a）所示。）所示。 半橋差動(dòng)電橋 克服非線性誤差方法：克服非線性誤差方法：傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)該電橋輸出電壓為該電橋輸出電壓為 433221111RRRRRRRRREUo若若R1=R2，R1=R2，R3=R4，則得，則得 112 RREUo由式可知，由式可知，Uo與與R1

12、/R1成線性關(guān)系，差動(dòng)電橋無(wú)非線成線性關(guān)系，差動(dòng)電橋無(wú)非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度性誤差，而且電橋電壓靈敏度KU=E/2，是單臂工作時(shí)，是單臂工作時(shí)的兩倍，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。的兩倍，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。 傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)全橋差動(dòng)電橋 R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b)R3 R3R4 R4 2. 2.全橋差動(dòng)電路全橋差動(dòng)電路 若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片，如圖若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片，如圖(b)所示，即兩個(gè)受所示，即兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同

13、的接入相對(duì)橋臂上，構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。上，構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。 半橋差動(dòng)電橋 傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，則 EKRREUUo11 此時(shí)全橋差動(dòng)電路不僅沒(méi)有非線性誤差，而且電此時(shí)全橋差動(dòng)電路不僅沒(méi)有非線性誤差，而且電壓靈敏度為單片工作時(shí)的壓靈敏度為單片工作時(shí)的4倍，同時(shí)仍具有溫度補(bǔ)償作倍，同時(shí)仍具有溫度補(bǔ)償作用。用。 傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)4.5 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 4.5.1 應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式力傳感器 被測(cè)物理量為荷重或力的應(yīng)變式傳感器時(shí)，統(tǒng)稱為應(yīng)變式力被測(cè)物理量為荷重或力的應(yīng)變式傳感器時(shí)，統(tǒng)稱為應(yīng)變式力傳感

14、器。傳感器。 應(yīng)變式壓力傳感器由電阻應(yīng)變計(jì)、彈性元件、外殼及應(yīng)變式壓力傳感器由電阻應(yīng)變計(jì)、彈性元件、外殼及補(bǔ)償電阻組成。補(bǔ)償電阻組成。其主要用途是作為各種電子稱與材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)其主要用途是作為各種電子稱與材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力元件、力元件、 發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試、發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試、 水壩壩體承載狀況監(jiān)測(cè)等。水壩壩體承載狀況監(jiān)測(cè)等。 一般用于測(cè)量較大的壓力。它廣泛用于測(cè)量管道內(nèi)部壓力一般用于測(cè)量較大的壓力。它廣泛用于測(cè)量管道內(nèi)部壓力, ,內(nèi)燃內(nèi)燃機(jī)燃?xì)獾膲毫C(jī)燃?xì)獾膲毫? ,壓差和噴射壓力壓差和噴射壓力, ,發(fā)動(dòng)機(jī)和導(dǎo)彈試驗(yàn)中的脈動(dòng)壓力發(fā)動(dòng)機(jī)和導(dǎo)彈試驗(yàn)中的脈動(dòng)壓力, ,以及各種領(lǐng)域中的流體壓力等。以及各種

15、領(lǐng)域中的流體壓力等。傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)力傳感器的彈性元件有：柱式、梁式、環(huán)式、輪輻式等：力傳感器的彈性元件有：柱式、梁式、環(huán)式、輪輻式等： 1. 1. 柱式力傳感器有空心（筒形）、實(shí)心（柱形）柱式力傳感器有空心（筒形）、實(shí)心（柱形） 在圓筒（柱）上按一定方式粘貼應(yīng)變片，圓柱在圓筒（柱）上按一定方式粘貼應(yīng)變片，圓柱 （筒）在外力（筒）在外力F F作用下產(chǎn)生形變，實(shí)心圓柱因外作用下產(chǎn)生形變，實(shí)心圓柱因外 力作用產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)椋毫ψ饔卯a(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)椋?柱式傳感器 (a)圓柱; (b)圓筒; (c)外形(a)(b)(c)傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù) 1. 柱（筒）式力傳感器柱（筒）式力傳

16、感器軸向應(yīng)變橫向應(yīng)變傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)lFlESE式中：式中：L L為彈性元件的長(zhǎng)度，為彈性元件的長(zhǎng)度， S S為彈性元件的橫截面積為彈性元件的橫截面積 F F外力；外力；為應(yīng)力，為應(yīng)力，=F/S=F/S； E E為彈性模量為彈性模量 軸向應(yīng)變橫向應(yīng)變SEF傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)（c） 圓柱面展開(kāi)圖圓柱面展開(kāi)圖(a)(b)(c)R1R5R2R6R3R7R4R8R1R3R5R7R6R8R2R4(d)UoU說(shuō)明：說(shuō)明：R R1 1和和R R3 3,R,R2 2和和R R4 4分別串分別串聯(lián)聯(lián), ,放在相對(duì)臂內(nèi)。當(dāng)一方受放在相對(duì)臂內(nèi)。當(dāng)一方受拉時(shí)拉時(shí), ,則另一方受壓。由此引

17、則另一方受壓。由此引起的電阻應(yīng)變計(jì)阻值的變化大起的電阻應(yīng)變計(jì)阻值的變化大小相等符號(hào)相反小相等符號(hào)相反, ,從而減小彎從而減小彎矩的影響。矩的影響。R R5 5和和R R6 6,R,R7 7和和R R8 8，橫向粘貼的，橫向粘貼的應(yīng)變計(jì)作為溫度補(bǔ)償片。應(yīng)變計(jì)作為溫度補(bǔ)償片。（d） 橋路連線圖橋路連線圖 傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)2.2.梁式力傳感器梁式力傳感器v 等截面梁：等截面梁： 懸臂梁的橫截面積處處相等，所以稱等截面梁。懸臂梁的橫截面積處處相等，所以稱等截面梁。 當(dāng)外力當(dāng)外力F F作用在梁的自由端時(shí)，固定端產(chǎn)生的應(yīng)作用在梁的自由端時(shí)，固定端產(chǎn)生的應(yīng) 變最大，粘貼在應(yīng)變片處的應(yīng)變?yōu)椋鹤?/p>

18、最大，粘貼在應(yīng)變片處的應(yīng)變?yōu)椋?26Flbh E式中：式中：l0是梁上應(yīng)變片至自由端距離，是梁上應(yīng)變片至自由端距離， b、h 分別為梁的寬度和梁的厚度。分別為梁的寬度和梁的厚度。 傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)v 等強(qiáng)度梁：等強(qiáng)度梁： 懸臂梁長(zhǎng)度方向的截面積按一定規(guī)律變化，懸臂梁長(zhǎng)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。是一種特殊形式的懸臂梁。 當(dāng)力作用在自由端時(shí)，力距作用點(diǎn)任何截當(dāng)力作用在自由端時(shí)，力距作用點(diǎn)任何截面積上應(yīng)力相等，應(yīng)變片的應(yīng)變大小為：面積上應(yīng)力相等，應(yīng)變片的應(yīng)變大小為：傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)b0R1R3R2R4bxLFh 等強(qiáng)度梁 設(shè)沿梁長(zhǎng)度方向上某

19、一截面到力的作用點(diǎn)的距離為x，bx為與x值相應(yīng)的梁寬，則等強(qiáng)度梁各點(diǎn)的應(yīng)變值為EhbFxx26Lxbx式中：E為傳感器的 彈性模量傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)例題：例題：今有一懸臂梁，在其中上部上、下兩面各貼兩片今有一懸臂梁，在其中上部上、下兩面各貼兩片應(yīng)變片，組成全橋，如下圖所示。該梁在其懸臂梁一端應(yīng)變片，組成全橋，如下圖所示。該梁在其懸臂梁一端受一向下力受一向下力F=0.5NF=0.5N，試求此時(shí)這四個(gè)應(yīng)變片的電阻值。，試求此時(shí)這四個(gè)應(yīng)變片的電阻值。已知：應(yīng)變片靈敏系數(shù)已知：應(yīng)變片靈敏系數(shù)K=2.1K=2.1；應(yīng)變片空載電阻；應(yīng)變片空載電阻R R0 0=120=120。cmWcmlFWEtxlx625)(62lxPaEmmt21107035傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電路測(cè)量技術(shù)10. 0)003. 0(107006. 05 . 0)225. 025. 0(66252WEtFxlx2 .2510. 01201 . 20 xkRR2 .1452 .25120031RRRR8 .942 .25120042RRRR傳感器與檢測(cè)技術(shù)中的電