2電阻式_應(yīng)變片(改)

1、2021/6/161 1、金屬的應(yīng)變效應(yīng) 金屬絲的電阻隨著它所受的機(jī)械變形（拉伸或壓縮）的大小而發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象稱為金屬的應(yīng)變效應(yīng)。二、應(yīng)變片式電阻傳感器 (一)電阻應(yīng)變片的工作原理Rl/S；在外力的作用下、l、S變化，故R發(fā)生改變。 2021/6/1622、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和工作原理1)基本結(jié)構(gòu)（絲繞式） 當(dāng)測(cè)試應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，將應(yīng)變片貼于被測(cè)對(duì)象上，當(dāng)被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生變形時(shí)，應(yīng)變片也發(fā)生相應(yīng)變化。此時(shí)測(cè)出電阻值的變化R即可得到應(yīng)變值。 再由虎克定律：E即可得到應(yīng)力值。(應(yīng)力：F/S) 2021/6/1632) 電阻應(yīng)變效應(yīng)和靈敏系數(shù)（電阻絲） 靈敏系數(shù)單位應(yīng)變所能引起的電阻的相對(duì)變化。在外力作

2、用下，電阻絲的電阻變化為 22 RlSlrRlSlrllrr電阻絲的軸向應(yīng)變橫向應(yīng)變 2021/6/164 在彈性范圍內(nèi)金屬的軸向應(yīng)變與橫向應(yīng)變成正比，即有：/；稱為泊松比或橫向變形系數(shù)。有： (12 )RR0/(12 )R Rk k0為金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)。 k0受兩個(gè)因素的影響： 第一項(xiàng)（12），這主要是金屬受拉伸后，材料幾何尺寸發(fā)生變化引起金屬應(yīng)變效應(yīng)。其值由材料決定。 第二項(xiàng)是由于受力后，材料的電阻率變化引起-半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)。其值比第一項(xiàng)小很多，可以忽略。結(jié)論： 當(dāng)金屬絲的變形在彈性范圍內(nèi)時(shí)，有為常數(shù)。 0(12 )k2021/6/165 除了橫向效應(yīng)外，由于整條金屬絲所承受的應(yīng)變不均

3、勻（圓弧段金屬絲未參與承受軸向形變，軸向的金屬絲在承受軸向形變時(shí)應(yīng)力分布不均勻），也使得實(shí)際應(yīng)用中的應(yīng)變片的靈敏系數(shù)要小于理論靈敏系數(shù)。(二)金屬應(yīng)變片的特性 1、橫向效應(yīng) 直線金屬絲受拉伸時(shí)與圓弧金屬絲拉伸情況不同，圓弧金屬絲受拉抻時(shí)，有垂直于軸線方向壓應(yīng)變，但此壓應(yīng)變會(huì)使圓弧段金屬絲直徑增加，從而使該段面積增加，所以電阻減小。因此圓弧段的電阻變化將小于直線段電阻變化，直的金屬絲繞成敏感柵后，靈敏系數(shù)有所降低。這種現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。 實(shí)際靈敏系數(shù)的標(biāo)定 實(shí)際使用中，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得，且須按生產(chǎn)批次進(jìn)行抽樣實(shí)驗(yàn)。2021/6/166箔式應(yīng)變片2021/6/1672、溫度效應(yīng) 應(yīng)

4、變片由于溫度變化所引起的電阻相對(duì)變化（虛假應(yīng)變），稱此現(xiàn)象為溫度效應(yīng)。1）產(chǎn)生原因 I、溫度變化引起應(yīng)變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應(yīng)變。 敏感柵的溫度特性： RtR（1tt）； Rt=RtRtRt II、試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加變形。 由于試件材料與應(yīng)變片材料線膨脹系數(shù)不同，在同樣的溫度增量時(shí)，二者的伸長(zhǎng)量也不一樣，會(huì)使應(yīng)變片產(chǎn)生附加變形 2021/6/1682）溫度誤差補(bǔ)償方法 應(yīng)變片由于溫度效應(yīng)而產(chǎn)生的誤差稱為溫度誤差。溫度誤差補(bǔ)償法： I、單絲自補(bǔ)償法 選擇自補(bǔ)償應(yīng)變片：根據(jù)試件選用合適的敏感柵材料，使其電阻溫度系數(shù)對(duì)輸出的影響恰好抵消附加應(yīng)變對(duì)輸出的影響。

5、 II、雙絲自補(bǔ)償法 利用兩種電阻絲材料的電阻溫度系數(shù)不同，一個(gè)為正，一個(gè)為負(fù)，使二者互相抵消。2021/6/169R1R2R4R3ACBEDIoRLUo 電橋有直流電橋和交流電橋。各種類電橋中，若電橋各臂為R1、R2、R3、R4。當(dāng)四臂相等時(shí)，稱為等臂電橋。 若電橋一個(gè)臂接入應(yīng)變片，其余為固定電阻時(shí)，稱單臂工作（電橋），兩個(gè)臂接入應(yīng)變片時(shí)稱半橋，四個(gè)臂均為應(yīng)變片時(shí)稱全橋。 （三）應(yīng)變式電阻傳感器的測(cè)量電路2021/6/16101、直流電橋 單臂電橋的電壓靈敏度 設(shè)R1為應(yīng)變片，其余為固定電阻。RL為放大器的輸入阻抗，即單臂工作。 放大器輸入阻抗可以比電橋的輸出電阻高得多，看成開(kāi)路。R1R2R

6、4R3ACBEDIoRLUo311112344131124113()(1)(1)ORRRUURRRRRRRRRURRRRRR平衡條件：R1R4R2R3或R1/R2R3/R4，即相對(duì)臂乘積相等，相鄰臂比值相等。此時(shí)流過(guò)負(fù)載電阻的電流為0。2021/6/1611設(shè)橋臂比R2 R1R4 R3n1111(1)(1)ORnUURRnnR211(1)OuUnkURnR結(jié)論：電橋電壓靈敏度ku 121(1)ORnUUnR因?yàn)橐话阌蠷1 R1，則忽略非線性項(xiàng)：2021/6/1612211(1)OuUnkURnR電橋電壓靈敏度ku 提高電壓靈敏度ku的方法：14ukU 可見(jiàn)ku正比于電橋供電電壓，U越高，ku越

7、高。但供橋電壓越高，功耗也越大，故U應(yīng)適當(dāng)選擇。同時(shí)ku與n也有關(guān)，故必須合適的橋臂比。 為求ku的最大值，可對(duì)n求偏微分。則當(dāng)該式為0時(shí)有極值。當(dāng)n1時(shí)， ku為最大。即當(dāng)R1R2；R3R4時(shí)，ku最大。此時(shí)有 2021/6/1613 非線性誤差及其補(bǔ)償方法前述分析中忽略R1 / R1，這是一種理想情況。若R1 / R1不可忽略，則實(shí)際輸出電壓Uo與R1 / R1是非線性的。11112111OOORRUURRRUnR 可見(jiàn)R1 / R1較大，非線性誤差也較大。 常用的減小非線性誤差的方法有： a、提高橋臂比 由上式可見(jiàn)提高R2 / R1（即橋臂比n）能減小非線性誤差。但由于提高n，ku將下降

8、。故為了既能減小非線性誤差又不會(huì)使ku下降太多，通常適當(dāng)提高供橋電壓E。 2021/6/1614b、采用差動(dòng)電橋 采用差動(dòng)電橋時(shí)一般有半橋差動(dòng)和全橋差動(dòng)兩種方式。 半橋差動(dòng)方式：兩個(gè)工作應(yīng)變片如圖中R1、R2，一個(gè)應(yīng)變片受壓，一個(gè)受拉，則應(yīng)變符號(hào)相反。同時(shí)，測(cè)試時(shí)將兩個(gè)應(yīng)變片接入相鄰的橋臂上，則輸出電壓Uo為：11()2oRUUR12ukU2021/6/1615 全橋差動(dòng)方式：4個(gè)應(yīng)變片，兩個(gè)受拉，兩個(gè)受壓，將應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上。11oUUR R 采用差動(dòng)方式工作時(shí)，電橋無(wú)非線性誤差。同時(shí)ku提高，半橋比單臂工作ku提高了一倍，而全橋又比半橋提高了一倍。ukU2021/6/1616(4)溫度誤差的電橋補(bǔ)償法 采用電橋如圖，R1為工作片，RB為補(bǔ)償片。工作片貼在試件上，而補(bǔ)償片貼在材料、溫度與試件相同的補(bǔ)償塊上，R3、R4為固定電阻。 當(dāng)溫度變化時(shí)，R1、RB都發(fā)生變化，但由于R1、RB完全相同、工作環(huán)境相同，則由于溫度產(chǎn)生的附加電阻變化，R1、RB符號(hào)、數(shù)值均相等，電橋仍平衡，故無(wú)輸出。 2021/6/1617（四）應(yīng)用舉例電阻應(yīng)變片除可測(cè)量試件應(yīng)力之外，還可制造成各種應(yīng)變式傳感器用于測(cè)量力、荷重、扭矩、加速度、位移、壓力等多種物理量。2021/6/161