傳感器與檢測(cè)技術(shù)第二版陳潔黃鴻第三次課應(yīng)變片特性溫度補(bǔ)償電路測(cè)量2003

1、電阻應(yīng)變片傳感器測(cè)量電路測(cè)量電路復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)1、傳感器的組成部分？ 傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件與測(cè)量電路組成。 2、下列屬于按工作原理分類(lèi)的傳感器是？ （ ） A 電阻式傳感器 B 力傳感器 C位移傳感器 D 壓力傳感器A A2. 傳感器的構(gòu)成 傳感器一般由敏感元件與轉(zhuǎn)換元件組成。被測(cè)信息敏感元件轉(zhuǎn)換元件輔助電源信號(hào)調(diào)理電路輸出信息敏感元件(Sensing element) 是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分轉(zhuǎn)換元件(Transition element) 是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性敵隽哭D(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分。敏感元件轉(zhuǎn)換元件 壓 力 作 用 膜片形變（應(yīng)變） 應(yīng)變片電阻改變 應(yīng)變式

2、壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片3 3、下列不屬于按輸出信號(hào)分類(lèi)的傳感器是？、下列不屬于按輸出信號(hào)分類(lèi)的傳感器是？A A 開(kāi)關(guān)型傳感器開(kāi)關(guān)型傳感器 B B 能量轉(zhuǎn)換型傳感器能量轉(zhuǎn)換型傳感器C C 模擬型傳感器模擬型傳感器 D D 數(shù)字型傳感器數(shù)字型傳感器4 4、常用的應(yīng)變片可分為兩類(lèi)、常用的應(yīng)變片可分為兩類(lèi): : ( )( )和和( ( ) )。5、半導(dǎo)體應(yīng)變片工作原理是基于半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體應(yīng)變片工作原理是基于半導(dǎo)體材料的的 ( )。金屬電阻應(yīng)變片的工作原。金屬電阻應(yīng)變片的工作原理基于電阻的理基于電阻的( )。6、應(yīng)變效應(yīng)：、應(yīng)變效應(yīng)：SSKllKRR半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體電阻

3、應(yīng)變片壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng) 應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng) 傳感器的分類(lèi)(1)(1)按被測(cè)物理量分類(lèi)按被測(cè)物理量分類(lèi): :(2)(2)按工作原理分類(lèi)按工作原理分類(lèi): :(3)(3)按信號(hào)變換特征按信號(hào)變換特征: :(4)(4)按被測(cè)量與輸出電量之間的關(guān)系按被測(cè)量與輸出電量之間的關(guān)系: :(5)(5)按輸出信號(hào)分按輸出信號(hào)分: :位移位移, ,力力, ,溫度等溫度等. .電阻式、電容式、磁電式等電阻式、電容式、磁電式等. .物性型物性型, ,結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型. .能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型. .開(kāi)關(guān)型（二值型）、模擬型和數(shù)字型開(kāi)關(guān)型（二值型）、模擬型和數(shù)字型. .7、金屬應(yīng)變片有（金屬應(yīng)變片有（ ）

4、和）和（ ）。絲式電阻應(yīng)變片絲式電阻應(yīng)變片箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片電阻應(yīng)變片的特性電阻應(yīng)變片的特性 彈性敏感元件及其基本特性彈性敏感元件及其基本特性 物體在外力作用下而改變?cè)瓉?lái)尺寸或形狀的現(xiàn)象物體在外力作用下而改變?cè)瓉?lái)尺寸或形狀的現(xiàn)象稱(chēng)為稱(chēng)為變形變形， 而當(dāng)外力去掉后物體又能完全恢復(fù)其原來(lái)而當(dāng)外力去掉后物體又能完全恢復(fù)其原來(lái)的尺寸和形狀，這種變形稱(chēng)為的尺寸和形狀，這種變形稱(chēng)為彈性變形彈性變形。 具有彈性變具有彈性變形特性的物體稱(chēng)為形特性的物體稱(chēng)為彈性元件彈性元件。 物理量物理量應(yīng)變應(yīng)變彈性元件應(yīng)變片電阻變化電阻變化電阻應(yīng)變片的主要特性電阻應(yīng)變片的主要特性SSKllKRRRRK/ 不能滿(mǎn)足測(cè)量精度要

5、求時(shí)不能滿(mǎn)足測(cè)量精度要求時(shí), , 應(yīng)進(jìn)行必要的修正應(yīng)進(jìn)行必要的修正, , 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)在一般多采現(xiàn)在一般多采用箔式應(yīng)變片。用箔式應(yīng)變片。3 3、機(jī)械滯后、機(jī)械滯后 實(shí)用中，由于敏感柵基底和粘結(jié)劑材料性能，或使用中實(shí)用中，由于敏感柵基底和粘結(jié)劑材料性能，或使用中的過(guò)載，過(guò)熱，都會(huì)使應(yīng)變產(chǎn)生殘余變形，導(dǎo)致在恒溫條件的過(guò)載，過(guò)熱，都會(huì)使應(yīng)變產(chǎn)生殘余變形，導(dǎo)致在恒溫條件下增下增( (加載加載) )、減、減( (卸載卸載) )試件應(yīng)變的過(guò)程中，對(duì)應(yīng)同一機(jī)械應(yīng)變?cè)嚰?yīng)變的過(guò)程中，對(duì)應(yīng)同一機(jī)械應(yīng)變所指示應(yīng)變輸出的不重合。這種不重合性用機(jī)械滯后所指示應(yīng)

6、變輸出的不重合。這種不重合性用機(jī)械滯后(Z(Zj j) )來(lái)衡來(lái)衡量。量。4 4、 應(yīng)變極限應(yīng)變極限 應(yīng)變的線(xiàn)性應(yīng)變的線(xiàn)性( (靈敏系數(shù)為常數(shù)靈敏系數(shù)為常數(shù)) )特性，特性， 只有在一定的應(yīng)只有在一定的應(yīng)變限度范圍內(nèi)才能保持。當(dāng)試件輸入的真實(shí)應(yīng)變超過(guò)某一限值變限度范圍內(nèi)才能保持。當(dāng)試件輸入的真實(shí)應(yīng)變超過(guò)某一限值時(shí)，應(yīng)變的輸出特性將出現(xiàn)非線(xiàn)性。在恒溫條件下，使非線(xiàn)性時(shí)，應(yīng)變的輸出特性將出現(xiàn)非線(xiàn)性。在恒溫條件下，使非線(xiàn)性誤差達(dá)到誤差達(dá)到10%10%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值，稱(chēng)為應(yīng)變極限時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值，稱(chēng)為應(yīng)變極限 limlim。 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)量由于

7、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，帶來(lái)的附加誤差， 稱(chēng)為應(yīng)變片的溫度誤差。稱(chēng)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。 1) 電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)的影響的影響2) 試件材料和電阻絲材料的試件材料和電阻絲材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)不同線(xiàn)膨脹系數(shù)不同的影響的影響試件材料和電阻絲材料的試件材料和電阻絲材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)不同線(xiàn)膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生附加形變會(huì)導(dǎo)致電阻變化產(chǎn)生附加形變會(huì)導(dǎo)致電阻變化實(shí)驗(yàn)：雙金屬片電阻應(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 這種溫度補(bǔ)償法是利用自身具有溫度補(bǔ)償

8、作用的應(yīng)這種溫度補(bǔ)償法是利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片變片( (稱(chēng)之為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片稱(chēng)之為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片) )來(lái)補(bǔ)償?shù)?。?lái)補(bǔ)償?shù)摹?yīng)變片的自補(bǔ)償法有（應(yīng)變片的自補(bǔ)償法有（ ）和（）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 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

9、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。2) 橋路補(bǔ)償法n當(dāng)被測(cè)試件不承受應(yīng)變時(shí)當(dāng)被測(cè)試件不承受應(yīng)變時(shí)，R1和和RB又處于同一環(huán)境又處于同一環(huán)境溫度為溫度為t的溫度場(chǎng)中，調(diào)整電橋參數(shù)使之達(dá)到平衡，此的溫度場(chǎng)中，調(diào)整電橋參數(shù)使之達(dá)到平衡，此時(shí)有時(shí)有 0)(341RRRRAUBo工程上，一般按工程上，一般按R1 = RB = R3 = R4 選取橋臂電阻。選取橋臂電阻。 n 當(dāng)溫度升高或降低當(dāng)溫度升高或降低t=t-t0時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變片因溫度而引起的電阻時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變片因溫度而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)，變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)， 即即 0)()(3411

10、RRRRRRAUBtBton若此時(shí)被測(cè)試件有應(yīng)變?nèi)舸藭r(shí)被測(cè)試件有應(yīng)變的作用，則工作應(yīng)變片電阻的作用，則工作應(yīng)變片電阻R1又有新又有新的增量的增量R1=R1K，而補(bǔ)償片因不承受應(yīng)變，故不產(chǎn)生新的增量，而補(bǔ)償片因不承受應(yīng)變，故不產(chǎn)生新的增量， 此時(shí)電橋輸出電壓為此時(shí)電橋輸出電壓為 KRARUo41由上式可知，由上式可知，電橋的輸出電壓電橋的輸出電壓Uo僅與被測(cè)試件的應(yīng)變僅與被測(cè)試件的應(yīng)變有關(guān)，有關(guān)， 而而與環(huán)境溫度無(wú)關(guān)。與環(huán)境溫度無(wú)關(guān)。 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(mǎn)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(mǎn)足以下4個(gè)條件：個(gè)條件： 在應(yīng)變片工作過(guò)程中，在應(yīng)變片工作過(guò)程中

11、，保證保證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(xiàn)膨脹、線(xiàn)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（應(yīng)變片型號(hào)相同）應(yīng)變片型號(hào)相同） 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(xiàn)膨脹系數(shù)相同。必須一樣，兩者線(xiàn)膨脹系數(shù)相同。（R1，RB所粘貼試件相同）所粘貼試件相同） 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)。（應(yīng)變片所處環(huán)境相同應(yīng)變片所處環(huán)境相同） 金屬電阻應(yīng)變片的材料金屬電阻應(yīng)變片的材料 對(duì)電阻絲對(duì)電阻絲(敏感柵敏感柵)材料

12、應(yīng)有如下要求：材料應(yīng)有如下要求： 靈敏系數(shù)大靈敏系數(shù)大， 且在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)；且在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)； 值大，即在同樣長(zhǎng)度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較值大，即在同樣長(zhǎng)度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值；大的電阻值； 電阻溫度系數(shù)小電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會(huì)改變其阻值；，否則因環(huán)境溫度變化也會(huì)改變其阻值； 與銅線(xiàn)的焊接性能好，與銅線(xiàn)的焊接性能好， 與其它金屬的接觸電勢(shì)?。慌c其它金屬的接觸電勢(shì)?。?機(jī)械強(qiáng)度高機(jī)械強(qiáng)度高， 具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。 常用材料：常用材料： 康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金、貴金屬康銅、鎳鉻合金、鐵

13、鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金、貴金屬（鉑、鉑鎢合金等）材料（鉑、鉑鎢合金等）材料電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)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)要把同時(shí)要把電阻相對(duì)變化電阻相對(duì)變化R/ RR/ R轉(zhuǎn)換為電壓轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化?；螂娏鞯淖兓?。因此因此, , 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)量電路通常采用通常采用直流電橋和交流電橋直流電橋和交流電橋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

14、當(dāng)當(dāng)RL時(shí)，電橋輸出電壓為時(shí)，電橋輸出電壓為 433211RRRRRREUoR1R2R4R3ACBEDIoRLUo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， 其其相鄰兩臂電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。 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)分試件F341211113443211414332111111

15、)(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，則電橋不平衡電橋不平衡，輸出電壓為，輸出電壓為 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

16、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最高。最高。 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)，

17、時(shí)，KU為最大值為最大值。這就是說(shuō)，在供橋電壓確定后，當(dāng)。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(wú)關(guān)。小無(wú)關(guān)。 3. 非線(xiàn)性誤差及其補(bǔ)償方法非線(xiàn)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)項(xiàng)，電橋輸出電壓與電阻相對(duì)變化成，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

18、。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(xiàn)性的，非線(xiàn)性誤差為的關(guān)系是非線(xiàn)性的，非線(xiàn)性誤差為 oU11111RRnRRUUUoooL如果是四等臂電橋，如果是四等臂電橋，R1=R2=R3=R4，即，即n=1， 則則 1111212RRRRL 對(duì)于一般應(yīng)變片來(lái)說(shuō)，所受應(yīng)變對(duì)于一般應(yīng)變片來(lái)說(shuō)，所受應(yīng)變通常在通常在5000以下，以下，若取若取K=2，則，則R1/R1=0.01，代入式計(jì)算得非線(xiàn)性誤差，代入式計(jì)算得非線(xiàn)性誤差為為0.5%；若；若K=100，=1000時(shí)，時(shí)，R1/R1=0.1，則得到

19、，則得到非線(xiàn)性誤差為非線(xiàn)性誤差為6%，故當(dāng)非線(xiàn)性誤差不能滿(mǎn)足測(cè)量要求，故當(dāng)非線(xiàn)性誤差不能滿(mǎn)足測(cè)量要求時(shí)，必須予以消除。時(shí)，必須予以消除。 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)電路半橋差動(dòng)電路為了減小和克服非線(xiàn)性誤差，常采用差動(dòng)電橋如圖所示，為了減小和克服非線(xiàn)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(chēng)為半橋差動(dòng)電路，接入電橋相鄰橋臂，稱(chēng)為半橋差動(dòng)電路， 如圖（如圖（a

20、 a）所示。）所示。 半橋差動(dòng)電橋 克服非線(xiàn)性誤差方法：克服非線(xiàn)性誤差方法：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/R1成線(xiàn)性關(guān)系，成線(xiàn)性關(guān)系，差動(dòng)電橋無(wú)非線(xiàn)差動(dòng)電橋無(wú)非線(xiàn)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。 全橋差動(dòng)電橋 R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b)R3 R3R4 R4 2.2.

21、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 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(xiàn)性誤差，此時(shí)全橋差動(dòng)電路不僅沒(méi)有非線(xiàn)性誤差，而且電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。 4.5 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式傳感器的應(yīng)

22、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(chēng)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(chēng)為應(yīng)變式力傳感器。其主要用途是作為各種電子稱(chēng)與材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力元件、傳感器。其主要用途是作為各種電子稱(chēng)與材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)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。 應(yīng)變式力傳感器要求有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，當(dāng)傳感器在應(yīng)變式力傳感器要求有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，當(dāng)傳感器在受到側(cè)向作用力或力的作用點(diǎn)少量變化時(shí)，不應(yīng)對(duì)輸出有明顯的受到側(cè)向作用力或力的作用點(diǎn)少量變化時(shí)，不應(yīng)對(duì)輸出有明顯的影響。影響。 物理量物理量應(yīng)

23、變應(yīng)變彈性元件應(yīng)變片電阻變化電阻變化力傳感器的彈性元件有：力傳感器的彈性元件有：柱式、梁式、環(huán)式、輪輻式柱式、梁式、環(huán)式、輪輻式等：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)生形變作用下產(chǎn)生形變 柱式傳感器 (a)圓柱; (b)圓筒; (c)外形(a)(b)(c) 1. 柱（筒）式力傳感器柱（筒）式力傳感器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

24、 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 （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

25、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(xiàn)圖橋路連線(xiàn)圖 1212342121234()()scR RRRRRUURRRRRR12341423(1)2scRRRRRRRRRRRRUUR 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(chēng)等截面梁。懸臂梁的橫截面積處處相等，所以稱(chēng)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)椋鹤冏畲?，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，

26、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。 應(yīng)變片的應(yīng)用-力及壓力傳感器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：26Flbh E 因?yàn)閼?yīng)變片的應(yīng)變大因?yàn)閼?yīng)變片的應(yīng)變大小與力作用的距離有關(guān)，小與力作用的距離有關(guān)，所以應(yīng)變片應(yīng)貼在距固定所以應(yīng)變片應(yīng)貼在距固定端較近的表面，順梁的方端較近的表面，順梁的方向貼上下各貼兩只。向貼上下各

27、貼兩只。 四個(gè)應(yīng)變片組成全橋。四個(gè)應(yīng)變片組成全橋。上面兩個(gè)受壓時(shí)下面兩個(gè)上面兩個(gè)受壓時(shí)下面兩個(gè)受拉。受拉。 這種傳感器適用于測(cè)量這種傳感器適用于測(cè)量500Kg500Kg以下荷重。以下荷重。b0R1R3R2R4bxLFh 等強(qiáng)度梁設(shè)沿梁長(zhǎng)度方向上某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3. 環(huán)式力傳感器環(huán)式力傳感器 R1R2R3R4R1R2R3R4(a)(b)環(huán)式常用于測(cè)幾十千克以上的大載荷環(huán)式常用于測(cè)幾十千克以上的大載荷, ,與柱式相比與柱式相比, ,它的它的特點(diǎn)是應(yīng)力分布變化大特點(diǎn)是應(yīng)力分布變化大,

28、,且有正有負(fù)且有正有負(fù), ,便于接成差動(dòng)電橋。便于接成差動(dòng)電橋。(a)(a)為拉力環(huán)為拉力環(huán) (b) (b)為壓力環(huán)為壓力環(huán)被壓縮2 環(huán)式力傳感器環(huán)式力傳感器 輪轱輪轱1 1、輪圈、輪圈2 2、輪輻條輪輻條3 3、承壓應(yīng)變、承壓應(yīng)變計(jì)計(jì)4 4、拉伸應(yīng)變計(jì)、拉伸應(yīng)變計(jì)5 5F1425T4C2T2C3T3C4T1C13(a)(b)輪輻式傳感器輪輻式傳感器(a)結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖; (b)外形外形4. 4. 輪輻式測(cè)力傳感器（剪切力）在傳感器中實(shí)測(cè)的不是在傳感器中實(shí)測(cè)的不是剪應(yīng)變剪應(yīng)變, ,而是在剪切而是在剪切力作用下力作用下, ,輪輻對(duì)角線(xiàn)方向的輪輻對(duì)角線(xiàn)方向的線(xiàn)應(yīng)變線(xiàn)應(yīng)變。這時(shí)。這時(shí), ,將應(yīng)

29、變計(jì)在與輻條水平中心軸線(xiàn)成將應(yīng)變計(jì)在與輻條水平中心軸線(xiàn)成4545角角的方向上粘貼。八片應(yīng)變計(jì)分別貼在四根輻的方向上粘貼。八片應(yīng)變計(jì)分別貼在四根輻條的正反兩面條的正反兩面, ,并組成全橋電路并組成全橋電路, ,以檢測(cè)線(xiàn)應(yīng)以檢測(cè)線(xiàn)應(yīng)變。變。輪輻式傳感器測(cè)量橋路輪輻式傳感器測(cè)量橋路 T2T1C3C4T4T3C1C2UUsc4.5.2 4.5.2 應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器由電阻應(yīng)變應(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。一般計(jì)、彈性元件、外殼及補(bǔ)償電阻組成。一般用于測(cè)量較大的壓力。用于測(cè)量較大的壓力。它廣泛用于測(cè)量管道它廣泛用于測(cè)量管道內(nèi)部壓力內(nèi)部壓力,

30、,內(nèi)燃機(jī)燃?xì)獾膲毫?nèi)燃機(jī)燃?xì)獾膲毫? ,壓差和噴射壓壓差和噴射壓力力, ,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, ,以及各以及各種領(lǐng)域中的流體壓力等。種領(lǐng)域中的流體壓力等。圖2.32 筒式壓力傳感器的彈性元件工作片補(bǔ)償片p 1.1.筒式壓力傳感器筒式壓力傳感器 筒式壓力傳感器的彈性元件如圖筒式壓力傳感器的彈性元件如圖2.322.32所所示示, ,一端肓孔一端肓孔, ,另一端有法蘭與被測(cè)系統(tǒng)連接。當(dāng)另一端有法蘭與被測(cè)系統(tǒng)連接。當(dāng)應(yīng)變管內(nèi)腔與被測(cè)壓力相通時(shí)應(yīng)變管內(nèi)腔與被測(cè)壓力相通時(shí), ,圓筒部分周向應(yīng)變圓筒部分周向應(yīng)變?yōu)闉?式中,p為被測(cè)壓力,D為圓筒外徑,d為圓筒內(nèi)徑。在薄壁筒上貼有兩片應(yīng)變計(jì)作為工作片,實(shí)心部分貼有兩片應(yīng)變計(jì)作為溫度補(bǔ)償片。 22(2)(1)pDEd 2. 2.膜片式壓力傳感器膜片式壓力傳感器 該類(lèi)傳感器的彈性敏感元件為一周該類(lèi)傳感器的彈性敏感元件為一周邊固定的圓形金屬平膜片邊固定的圓形金屬平膜片, ,如圖