第二章電阻式傳感器

1、傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第第2 2章章 電阻式傳感器電阻式傳感器第第2 2章章 電阻式傳感器電阻式傳感器電阻式傳感器是將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電阻值變電阻式傳感器是將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電阻值變化的器件或裝置。化的器件或裝置。 由于構(gòu)成電阻的材料種類很多，例如，導(dǎo)體、由于構(gòu)成電阻的材料種類很多，例如，導(dǎo)體、半導(dǎo)體、電解質(zhì)等，引起電阻變化的物理原因也很半導(dǎo)體、電解質(zhì)等，引起電阻變化的物理原因也很多，例如，材料的多，例如，材料的應(yīng)變應(yīng)變或或應(yīng)力應(yīng)力變化、溫度變化等，變化、溫度變化等，就產(chǎn)生了各種各樣的電阻式傳感器。就產(chǎn)生了各種各樣的電阻式傳感器。被測(cè)量被測(cè)量電阻式電阻式傳感器傳感器電阻電阻第第2 2

2、章章 電阻式傳感器電阻式傳感器 電阻式傳感器包括：電阻式傳感器包括：熱電阻；熱電阻；熱敏電阻；熱敏電阻；光敏電阻；光敏電阻；濕敏電阻；濕敏電阻；氣敏電阻；氣敏電阻；磁敏磁敏電阻；電阻；壓敏電阻；壓敏電阻；電位器式傳感器；電位器式傳感器；電阻電阻應(yīng)變式傳感器；應(yīng)變式傳感器；壓阻式傳感器。壓阻式傳感器。第第2 2章章 電阻式傳感器電阻式傳感器2.1 2.1 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 2.2 2.2 壓阻式傳感器壓阻式傳感器2.1 2.1 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 應(yīng)變式傳感器是利用應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)做成的傳做成的傳感器。由電阻應(yīng)變片和測(cè)量電路兩部分組成。應(yīng)感

3、器。由電阻應(yīng)變片和測(cè)量電路兩部分組成。應(yīng)變式傳感器的核心元件是電阻應(yīng)變片變式傳感器的核心元件是電阻應(yīng)變片( (計(jì)計(jì)) )。電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片彈性元件彈性元件信號(hào)調(diào)節(jié)電路信號(hào)調(diào)節(jié)電路2.1 2.1 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 1. 1.金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng) 長(zhǎng)為長(zhǎng)為L(zhǎng)、截面積為、截面積為A、電阻率為、電阻率為r r的金屬或半的金屬或半導(dǎo)體絲，導(dǎo)體絲，電阻為電阻為若導(dǎo)線沿著軸線方向受到力的作用而產(chǎn)生變形，若導(dǎo)線沿著軸線方向受到力的作用而產(chǎn)生變形，則其電阻值也隨之發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為則其電阻值也隨之發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為電阻電阻應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)。) 1 . 2(ALRr)2

4、 . 2(ddddrrAALLRR經(jīng)推導(dǎo)可得：經(jīng)推導(dǎo)可得：)3 . 2(d1)21(d)21 (dSrrrrKRRKS稱為稱為電阻應(yīng)變敏感材料的靈敏系數(shù)電阻應(yīng)變敏感材料的靈敏系數(shù)，即，即)4 . 2(/dd1)21 (SrrRRKKS表示當(dāng)發(fā)生應(yīng)變時(shí)，其電阻變化率與其應(yīng)變的表示當(dāng)發(fā)生應(yīng)變時(shí)，其電阻變化率與其應(yīng)變的比值。比值。KS的大小由兩個(gè)因素引起，第一項(xiàng)是由幾的大小由兩個(gè)因素引起，第一項(xiàng)是由幾何尺寸的改變所引起的，第二項(xiàng)是受力后材料的何尺寸的改變所引起的，第二項(xiàng)是受力后材料的電阻率電阻率r r發(fā)生變化而引起的發(fā)生變化而引起的( (稱稱壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)) )。由于由于EErr11d1其中，其中

5、， 為材料中的為材料中的應(yīng)力應(yīng)力，E為材料的為材料的彈性模量彈性模量( (楊氏楊氏模量模量) )， 為材料的為材料的壓阻系數(shù)壓阻系數(shù)。對(duì)金屬來說，。對(duì)金屬來說， E很小，很小，可忽略不計(jì)，可忽略不計(jì)，KS的第一項(xiàng)起主要作用，的第一項(xiàng)起主要作用， 0.250.5，故故KS1.52。對(duì)半導(dǎo)體而言，。對(duì)半導(dǎo)體而言， E50 100，故第一，故第一項(xiàng)可忽略不計(jì)。可見，項(xiàng)可忽略不計(jì)?？梢姡雽?dǎo)體的靈敏系數(shù)要比金屬大半導(dǎo)體的靈敏系數(shù)要比金屬大得多得多。2.2.電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 圖中，圖中，l 稱為稱為應(yīng)變片的標(biāo)距應(yīng)變片的標(biāo)距，或稱，或稱工作基長(zhǎng)工作基長(zhǎng)；b稱稱為為應(yīng)變片的基寬應(yīng)變片的基寬，

6、或稱，或稱工作寬度工作寬度。lb稱為稱為應(yīng)變片的應(yīng)變片的使用面積使用面積。2.1.1 2.1.1 電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu) 電阻絲較細(xì)，直徑一般在電阻絲較細(xì)，直徑一般在0.0150.06 mm，兩，兩端焊有較粗的低阻鍍錫銅絲端焊有較粗的低阻鍍錫銅絲( (直徑為直徑為0.10.2 mm) )作為引線，以便與測(cè)量電路連接。應(yīng)變片的規(guī)格一作為引線，以便與測(cè)量電路連接。應(yīng)變片的規(guī)格一般是以使用面積和電阻來表示的，如般是以使用面積和電阻來表示的，如PJ-120型金屬型金屬電阻應(yīng)變片的規(guī)格為電阻應(yīng)變片的規(guī)格為13 mm5 mm，120 W W。2.1.1 2.1.1 電阻應(yīng)變片

7、的基本原理與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu) 應(yīng)變片的分類：從尺寸上，長(zhǎng)的有幾百應(yīng)變片的分類：從尺寸上，長(zhǎng)的有幾百mm，短，短的僅的僅0.2 mm；從結(jié)構(gòu)形式上，有單片、雙片、；從結(jié)構(gòu)形式上，有單片、雙片、應(yīng)變應(yīng)變花花和各種特殊形狀的圖案；從使用環(huán)境上，有高溫、和各種特殊形狀的圖案；從使用環(huán)境上，有高溫、低溫、水、核輻射、高壓、磁場(chǎng)等；從安裝形式上，低溫、水、核輻射、高壓、磁場(chǎng)等；從安裝形式上，有粘貼、非粘貼、焊接、火焰噴涂等。有粘貼、非粘貼、焊接、火焰噴涂等。2.1.1 2.1.1 電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu) 主要的分類方主要的分類方法是根據(jù)敏感元件法是根據(jù)敏感元件材

8、料的不同，將應(yīng)材料的不同，將應(yīng)變片分為變片分為金屬式金屬式和和半導(dǎo)體式半導(dǎo)體式兩大類。兩大類。從敏感元件的形態(tài)從敏感元件的形態(tài)又可進(jìn)一步分成不又可進(jìn)一步分成不同類型。同類型。結(jié)及其他形式外延型擴(kuò)散型薄膜型體型半導(dǎo)體式薄膜型箔式膠基紙基絲式金屬式應(yīng)變片PN2.1.1 2.1.1 電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu) 1) )金屬應(yīng)變片金屬應(yīng)變片 ( (1) )金屬絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片 最早采最早采用圓弧用圓弧( (U) )形，制作簡(jiǎn)單但形，制作簡(jiǎn)單但橫向效橫向效應(yīng)較大應(yīng)較大。直角。直角( (H) )形兩端用較粗的形兩端用較粗的鍍銀銅線焊接，橫向效應(yīng)相對(duì)較小，鍍銀銅線焊接，橫向

9、效應(yīng)相對(duì)較小，但制作工藝復(fù)雜，將逐漸被橫向效但制作工藝復(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)小、其他方面性能更優(yōu)越的箔式應(yīng)變片所代替。應(yīng)變片所代替。2.1.1 2.1.1 電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu) ( (2) )箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片 它是利用照相制版或光刻它是利用照相制版或光刻腐蝕法將電阻箔材在絕緣基底上制成各種圖形的腐蝕法將電阻箔材在絕緣基底上制成各種圖形的應(yīng)變片應(yīng)變片( (厚度一般在厚度一般在0.0030.01 mm) )。2.1.1 2.1.1 電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu) 箔式應(yīng)變片與金屬絲式應(yīng)變片相比有如下特點(diǎn)箔式應(yīng)變

10、片與金屬絲式應(yīng)變片相比有如下特點(diǎn) 敏感柵尺寸準(zhǔn)確、線條均勻，故大批量生敏感柵尺寸準(zhǔn)確、線條均勻，故大批量生產(chǎn)時(shí)，電阻值離散程度小。并且可根據(jù)不同測(cè)量產(chǎn)時(shí)，電阻值離散程度小。并且可根據(jù)不同測(cè)量要求制成任意形狀。要求制成任意形狀。 可制成基長(zhǎng)很小的應(yīng)變片。可制成基長(zhǎng)很小的應(yīng)變片。 敏感柵彎頭橫向效應(yīng)可忽略。敏感柵彎頭橫向效應(yīng)可忽略。2.1.1 2.1.1 電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu) 箔式應(yīng)變片敏感柵截面為長(zhǎng)方形，表面積箔式應(yīng)變片敏感柵截面為長(zhǎng)方形，表面積大，散熱性能好，在相同斷面積情況下能通過較大，散熱性能好，在相同斷面積情況下能通過較大的工作電流，從而能增大輸出信號(hào)。大

11、的工作電流，從而能增大輸出信號(hào)。 疲勞壽命長(zhǎng)，機(jī)械滯后小，蠕變小。疲勞壽命長(zhǎng)，機(jī)械滯后小，蠕變小。 便于批量生產(chǎn)，而且生產(chǎn)效率高。便于批量生產(chǎn)，而且生產(chǎn)效率高。2.1.1 2.1.1 電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu) ( (3) )薄膜式應(yīng)變片薄膜式應(yīng)變片 它它是采用真空濺射或真空是采用真空濺射或真空沉積等鍍膜技術(shù)將應(yīng)變電阻材料鍍?cè)诨撞牧仙铣练e等鍍膜技術(shù)將應(yīng)變電阻材料鍍?cè)诨撞牧仙隙纬傻亩纬傻? (厚度在零點(diǎn)幾厚度在零點(diǎn)幾nm到幾百到幾百nm) )。這類應(yīng)變。這類應(yīng)變片的顯著特點(diǎn)是靈敏系數(shù)大，允許的電流密度大，片的顯著特點(diǎn)是靈敏系數(shù)大，允許的電流密度大，工作溫度范圍廣

12、工作溫度范圍廣( (197317 ) )，也可用于核輻，也可用于核輻射等特殊情況下，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。射等特殊情況下，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。2.1.1 2.1.1 電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu) 2) )半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片 ( (1) )體型半導(dǎo)體應(yīng)變片。體型半導(dǎo)體應(yīng)變片。基片晶片帶狀引線P-SiN-Si2.1.1 2.1.1 電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu) ( (2) )薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片 是利用真空沉積是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積于絕緣體或藍(lán)寶石基片上技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積于絕緣體或藍(lán)寶石基片上制成的。制成的。 (

13、 (3) )擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片 是將是將P型雜質(zhì)擴(kuò)散型雜質(zhì)擴(kuò)散到高阻的到高阻的N型硅型硅基片上，形成一層極薄的敏感層基片上，形成一層極薄的敏感層制成的。制成的。 ( (4) )外延型半導(dǎo)體應(yīng)變片外延型半導(dǎo)體應(yīng)變片 是在多晶硅或藍(lán)是在多晶硅或藍(lán)寶石基片上外延一層單晶硅制成的。寶石基片上外延一層單晶硅制成的。2.1.1 2.1.1 電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體應(yīng)變片有如下半導(dǎo)體應(yīng)變片有如下優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 靈敏度高。比金屬應(yīng)變片的靈敏度大幾十倍。靈敏度高。比金屬應(yīng)變片的靈敏度大幾十倍。工作時(shí)，不必用放大器就可用電壓表或示波器等簡(jiǎn)單工作時(shí)，不必用放大器就可用

14、電壓表或示波器等簡(jiǎn)單儀器記錄測(cè)量結(jié)果。儀器記錄測(cè)量結(jié)果。 體積小，耗電省。體積小，耗電省。 具有兩種符號(hào)的應(yīng)力效應(yīng)具有兩種符號(hào)的應(yīng)力效應(yīng)( (即在拉伸時(shí)即在拉伸時(shí)P型硅型硅應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為正值，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為正值，N型硅的為負(fù)值型硅的為負(fù)值) )。 機(jī)械滯后小，可測(cè)量靜態(tài)應(yīng)變、低頻應(yīng)變等。機(jī)械滯后小，可測(cè)量靜態(tài)應(yīng)變、低頻應(yīng)變等。2.1.1 2.1.1 電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu)3.3.電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理彈性元件變形彈性元件變形應(yīng)變片變形應(yīng)變片變形電阻改變電阻改變FDR力力)(/SSFfERKRKRDf( (F) )的形式與彈性元件有關(guān)。的形

15、式與彈性元件有關(guān)。2.1.1 2.1.1 電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu) 4. .電阻應(yīng)變片的特點(diǎn)電阻應(yīng)變片的特點(diǎn) ( (1) )優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 測(cè)量精度高，測(cè)量應(yīng)變的誤差小于測(cè)量精度高，測(cè)量應(yīng)變的誤差小于1 %。 測(cè)量范圍廣，應(yīng)變測(cè)量范圍一般可由數(shù)個(gè)測(cè)量范圍廣，應(yīng)變測(cè)量范圍一般可由數(shù)個(gè)至數(shù)千個(gè)至數(shù)千個(gè)。從。從彈性變形彈性變形一直可測(cè)至一直可測(cè)至塑性變形塑性變形。變。變形范圍從形范圍從1 %20 %。 分辨力高，通?？蛇_(dá)分辨力高，通?？蛇_(dá)1 。2.1.1 2.1.1 電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu) 頻率響應(yīng)特性好，可測(cè)幾十甚至上百頻率響應(yīng)特性好，可測(cè)幾十甚

16、至上百kHz的的動(dòng)態(tài)過程。動(dòng)態(tài)過程。 尺寸小尺寸小( (超小型應(yīng)變片的敏感柵尺寸為超小型應(yīng)變片的敏感柵尺寸為0.2 mm2.5 mm) )、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)試時(shí)對(duì)試件、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)試時(shí)對(duì)試件的工作狀態(tài)及應(yīng)力分布基本上沒有影響，適合動(dòng)、的工作狀態(tài)及應(yīng)力分布基本上沒有影響，適合動(dòng)、靜態(tài)測(cè)量。靜態(tài)測(cè)量。2.1.1 2.1.1 電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu) 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在高溫、低溫、高壓、高環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在高溫、低溫、高壓、高速、水下、強(qiáng)烈振動(dòng)、強(qiáng)磁場(chǎng)、核輻射及化學(xué)腐蝕速、水下、強(qiáng)烈振動(dòng)、強(qiáng)磁場(chǎng)、核輻射及化學(xué)腐蝕等各種惡劣環(huán)境條件下使用。等各種惡劣環(huán)境條件下使

17、用。 便于實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量及遠(yuǎn)距離傳送。便于實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量及遠(yuǎn)距離傳送。2.1.1 2.1.1 電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu) ( (2) )缺點(diǎn)缺點(diǎn) 在大應(yīng)變狀態(tài)下具有較大的非線性，半導(dǎo)體在大應(yīng)變狀態(tài)下具有較大的非線性，半導(dǎo)體應(yīng)變片的非線性更為顯著。應(yīng)變片的非線性更為顯著。 應(yīng)變片的輸出信號(hào)較微弱，故其抗干擾能力應(yīng)變片的輸出信號(hào)較微弱，故其抗干擾能力較差，因此，對(duì)信號(hào)連接導(dǎo)線要認(rèn)真屏蔽。較差，因此，對(duì)信號(hào)連接導(dǎo)線要認(rèn)真屏蔽。2.1.1 2.1.1 電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的基本原理與結(jié)構(gòu) 雖然應(yīng)變片尺寸較小，但測(cè)出的仍是應(yīng)變片雖然應(yīng)變片尺寸較小，但測(cè)出的仍是應(yīng)變片

18、敏感柵范圍內(nèi)的敏感柵范圍內(nèi)的平均應(yīng)變平均應(yīng)變，不能完全顯示應(yīng)力場(chǎng)中，不能完全顯示應(yīng)力場(chǎng)中應(yīng)力梯度的變化。應(yīng)力梯度的變化。 應(yīng)變片的溫度系數(shù)較大。應(yīng)變片的溫度系數(shù)較大。2.1 2.1 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 1. .電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)電阻應(yīng)變片的主要參數(shù) ( (1) )電阻值電阻值 是指應(yīng)變片在安裝前及室溫是指應(yīng)變片在安裝前及室溫下測(cè)定的電阻值，也稱為下測(cè)定的電阻值，也稱為初始電阻值初始電阻值。有。有60 W W、90 W W、120 W W、250 W W、350 W W、600 W W和和1000

19、 W W等，等，120 W W和和350 W W應(yīng)用較多。應(yīng)用較多。2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 ( (2) )幾何尺寸幾何尺寸 標(biāo)距標(biāo)距( (或工作基長(zhǎng)或工作基長(zhǎng)) )l相對(duì)于工作相對(duì)于工作寬度寬度( (或基寬或基寬) )b較小時(shí)橫向效應(yīng)較大，所以通常較小時(shí)橫向效應(yīng)較大，所以通常盡盡量用量用l值較大的應(yīng)變片值較大的應(yīng)變片。但在應(yīng)變變化梯度大的場(chǎng)合。但在應(yīng)變變化梯度大的場(chǎng)合( (如如應(yīng)力集中處應(yīng)力集中處) )，則應(yīng)該使用，則應(yīng)該使用l小的應(yīng)變片。目前最小的應(yīng)變片。目前最小標(biāo)距可做到小標(biāo)距可做到0.2 mm，最大可達(dá)，最大可達(dá)300 mm以

20、上。以上。 b值小時(shí)應(yīng)變片的整體尺寸可減小，但散熱性值小時(shí)應(yīng)變片的整體尺寸可減小，但散熱性能變差。能變差。2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 ( (3) )靈敏系數(shù)靈敏系數(shù) 應(yīng)變片靈敏系數(shù)應(yīng)變片靈敏系數(shù)( (以下用以下用K表示表示) )的定義為：將應(yīng)變片安裝在處于的定義為：將應(yīng)變片安裝在處于單向應(yīng)力狀態(tài)單向應(yīng)力狀態(tài)的試的試件表面，試件由泊松比件表面，試件由泊松比0.285的鋼構(gòu)成。使其靈的鋼構(gòu)成。使其靈敏軸線與應(yīng)力方向平行時(shí)，應(yīng)變片電阻值的相對(duì)變敏軸線與應(yīng)力方向平行時(shí)，應(yīng)變片電阻值的相對(duì)變化與沿軸向的應(yīng)變之比值。即化與沿軸向的應(yīng)變之比值。即)6

21、 . 2(/RRKD2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 因一般應(yīng)變片粘貼到試件上后不能取下再用，因一般應(yīng)變片粘貼到試件上后不能取下再用，故只能在每批產(chǎn)品中提取一定百分比故只能在每批產(chǎn)品中提取一定百分比( (如如5 %) )的產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)定，取其平均值作為這一批產(chǎn)品的靈敏系品進(jìn)行測(cè)定，取其平均值作為這一批產(chǎn)品的靈敏系數(shù)。這就是產(chǎn)品包裝盒上注明的靈敏系數(shù)，或稱數(shù)。這就是產(chǎn)品包裝盒上注明的靈敏系數(shù)，或稱“標(biāo)稱靈敏系數(shù)標(biāo)稱靈敏系數(shù)”。2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 例例2.1 如果將如果將100

22、W W的電阻應(yīng)變片貼在彈的電阻應(yīng)變片貼在彈性試件上，試件受力橫截面積性試件上，試件受力橫截面積S0.5104 m2，彈性模量彈性模量E21011 N/ /m2，若有，若有F5104 N的拉力引起應(yīng)變片電阻變化為的拉力引起應(yīng)變片電阻變化為1 W W。試求該應(yīng)變。試求該應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。片的靈敏系數(shù)。2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 ( (4) )絕緣電阻絕緣電阻 是指引出線與粘貼該應(yīng)變片是指引出線與粘貼該應(yīng)變片的試件之間的電阻值。一般應(yīng)大于的試件之間的電阻值。一般應(yīng)大于104 MW W。 ( (5) )允許電流允許電流 是指允許通過應(yīng)變片敏感柵

23、是指允許通過應(yīng)變片敏感柵而不影響其工作特性的最大工作電流。它與應(yīng)變而不影響其工作特性的最大工作電流。它與應(yīng)變片敏感柵的形狀和尺寸、基底尺寸和材料、粘合片敏感柵的形狀和尺寸、基底尺寸和材料、粘合劑的材料及試件的熱性能有關(guān)。最大工作電流選劑的材料及試件的熱性能有關(guān)。最大工作電流選取的依據(jù)是使應(yīng)變片的零漂不超過允許值。取的依據(jù)是使應(yīng)變片的零漂不超過允許值。2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 ( (6) )應(yīng)變極限應(yīng)變極限 是指在一定溫度條件下，應(yīng)是指在一定溫度條件下，應(yīng)變片指示的應(yīng)變值與試件真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)差值不變片指示的應(yīng)變值與試件真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)差值

24、不超過超過10 %時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變值。時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變值。 ( (7) )疲勞壽命疲勞壽命 是指粘貼在試件表面上的應(yīng)是指粘貼在試件表面上的應(yīng)變片，在恒定幅值的變片，在恒定幅值的交變應(yīng)力交變應(yīng)力作用下，可以連續(xù)作用下，可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生工作而不產(chǎn)生疲勞損壞疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)。的循環(huán)次數(shù)。2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 ( (8) )機(jī)械滯后機(jī)械滯后 加載特性曲線與卸載特性曲線加載特性曲線與卸載特性曲線的最大差值稱應(yīng)變片的機(jī)械滯后。的最大差值稱應(yīng)變片的機(jī)械滯后。2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特

25、性 ( (9) )零漂和蠕變零漂和蠕變 在恒溫、不承受應(yīng)變時(shí)，其在恒溫、不承受應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零漂。電阻值隨時(shí)間而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零漂。在恒溫，承受恒定的應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間變?cè)诤銣?，承受恒定的?yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間變化的特性，稱為應(yīng)變片的化的特性，稱為應(yīng)變片的蠕變?nèi)渥?。一般蠕變的方向。一般蠕變的方向與原應(yīng)變引起的變化的方向相反。與原應(yīng)變引起的變化的方向相反。 ( (10) )線性度線性度 一般要求在一般要求在0.05 %或或1 %以內(nèi)。以內(nèi)。2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 2. .橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)

26、 應(yīng)變片由于圓弧處感受橫向應(yīng)變而使電阻變應(yīng)變片由于圓弧處感受橫向應(yīng)變而使電阻變化率減小并使應(yīng)變片靈敏系數(shù)降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)化率減小并使應(yīng)變片靈敏系數(shù)降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的變片的橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)。原因在于圓弧段感受到的軸向。原因在于圓弧段感受到的軸向應(yīng)變從應(yīng)變從 x到到 x。lqxy=x2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 應(yīng)變片的粘貼應(yīng)變片的粘貼 應(yīng)變片通常是用粘合劑粘貼到試件上的，在應(yīng)變片通常是用粘合劑粘貼到試件上的，在做應(yīng)變測(cè)量時(shí)，是通過粘合劑所形成的膠層將試做應(yīng)變測(cè)量時(shí)，是通過粘合劑所形成的膠層將試件上的應(yīng)變傳遞到應(yīng)變片的敏感柵上去的。因此，

27、件上的應(yīng)變傳遞到應(yīng)變片的敏感柵上去的。因此，粘合劑的選擇和粘貼質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到應(yīng)變粘合劑的選擇和粘貼質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到應(yīng)變片的工作情況，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。片的工作情況，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 3. 3.溫度效應(yīng)及其補(bǔ)償溫度效應(yīng)及其補(bǔ)償 (1)(1)溫度效應(yīng)溫度效應(yīng) 把應(yīng)變片安裝在自由膨脹的把應(yīng)變片安裝在自由膨脹的試件上，即使試件不受任何外力作用，如果環(huán)境試件上，即使試件不受任何外力作用，如果環(huán)境溫度發(fā)生變化，應(yīng)變片的電阻也將發(fā)生變化，這溫度發(fā)生變化，應(yīng)變片的電阻也將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的種現(xiàn)象

28、稱為應(yīng)變片的溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)。由溫度變化引起。由溫度變化引起的應(yīng)變輸出稱為的應(yīng)變輸出稱為熱輸出熱輸出，它是虛假應(yīng)變，在測(cè)量，它是虛假應(yīng)變，在測(cè)量中須設(shè)法予以消除。中須設(shè)法予以消除。2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 產(chǎn)生溫度誤差的原因產(chǎn)生溫度誤差的原因有二有二 敏感柵金屬絲本身的電阻隨溫度變化。電阻敏感柵金屬絲本身的電阻隨溫度變化。電阻與溫度的關(guān)系可由下式表示與溫度的關(guān)系可由下式表示)7 . 2(100）（TRRTD)8 . 2(/001KTKRRTDDD若由于電阻值隨溫度變化引起的應(yīng)變誤差記作若由于電阻值隨溫度變化引起的應(yīng)變誤差記作D D 1

29、，則由式則由式( (2.6) )可得可得2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 由于敏感柵材料的線膨脹系數(shù)由于敏感柵材料的線膨脹系數(shù)b bs與試件材與試件材料的線膨脹系數(shù)料的線膨脹系數(shù)b bg不同引起附加變形而使電阻變不同引起附加變形而使電阻變化，表示為化，表示為)9 . 2()(/sg0TKKRRTDDbb 若由于若由于b bs與與b bg不同而使電阻變化造成的應(yīng)變不同而使電阻變化造成的應(yīng)變誤差記作誤差記作D D 2 ，則，則)10. 2()(/sg02TKRRTDDDbb2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)

30、及工作特性由于溫度效應(yīng)而造成的附加應(yīng)變由于溫度效應(yīng)而造成的附加應(yīng)變( (熱輸出熱輸出) )為為)11. 2(/sg021TKDDDD）（bb (2) (2)溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償 溫度補(bǔ)償就是消除熱輸出對(duì)應(yīng)溫度補(bǔ)償就是消除熱輸出對(duì)應(yīng)變測(cè)量的影響。通常有橋路補(bǔ)償法、應(yīng)變片自補(bǔ)變測(cè)量的影響。通常有橋路補(bǔ)償法、應(yīng)變片自補(bǔ)償法和熱敏電阻補(bǔ)償法。償法和熱敏電阻補(bǔ)償法。2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 橋路補(bǔ)償橋路補(bǔ)償 工作應(yīng)工作應(yīng)變片變片R1與與補(bǔ)償應(yīng)變片補(bǔ)償應(yīng)變片R2參參數(shù)相同。數(shù)相同。R1粘貼在試件上，粘貼在試件上，R2粘貼在和試件材料相同、粘貼在和試件

31、材料相同、處于同一溫度的補(bǔ)償塊上。處于同一溫度的補(bǔ)償塊上。測(cè)量時(shí)，使二者接入電橋測(cè)量時(shí)，使二者接入電橋的相鄰臂上。的相鄰臂上。2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 有時(shí)可將補(bǔ)償片亦貼在被測(cè)試件上，使其既有時(shí)可將補(bǔ)償片亦貼在被測(cè)試件上，使其既能起到溫度補(bǔ)償作用，又能提高靈敏度、補(bǔ)償非能起到溫度補(bǔ)償作用，又能提高靈敏度、補(bǔ)償非線性。例如，構(gòu)件作線性。例如，構(gòu)件作純彎曲形變純彎曲形變時(shí)。時(shí)。R1MMR2非純彎曲變形也近似適用。非純彎曲變形也近似適用。2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 應(yīng)變片自補(bǔ)償法。通

32、過選配敏感柵材料及應(yīng)變片自補(bǔ)償法。通過選配敏感柵材料及其結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其自身具有溫度補(bǔ)償作用其結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其自身具有溫度補(bǔ)償作用( (稱為稱為溫溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片度自補(bǔ)償應(yīng)變片) )。 i. .單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片。由式單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片。由式( (2.11) )12. 2(sg0）（bbK)11. 2(/sg0TKDD）（bb可知，可知，自補(bǔ)償自補(bǔ)償條件如下條件如下2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 ii. .雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片。也稱雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片。也稱組合式組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片自補(bǔ)償應(yīng)變片。它是利用兩種電阻溫度系數(shù)符號(hào)。它是利用兩種電阻

33、溫度系數(shù)符號(hào)相反的電阻絲材料，將二者串聯(lián)繞制成敏感柵。相反的電阻絲材料，將二者串聯(lián)繞制成敏感柵。若兩段敏感柵若兩段敏感柵R1和和R2的的D DR1T = D DR2T，就可實(shí)現(xiàn)溫，就可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。度補(bǔ)償。R1與與 R2的關(guān)系可由下式?jīng)Q定的關(guān)系可由下式?jīng)Q定)14. 2( /12112221DDRRRRRRTT焊點(diǎn)R1R22.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 也可采用兩種電阻溫度系數(shù)符號(hào)相同的絲材。也可采用兩種電阻溫度系數(shù)符號(hào)相同的絲材。R1是是工作臂工作臂，R2與外接串聯(lián)電阻與外接串聯(lián)電阻R5( (溫度系數(shù)很小溫度系數(shù)很小) )組成組成補(bǔ)償臂補(bǔ)償

34、臂。滿足下面條件即可。滿足下面條件即可)15. 2( 52211RRRRRttDDR11UUo2 3R2R1R2R5R3R4123452.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 只要適當(dāng)調(diào)節(jié)只要適當(dāng)調(diào)節(jié)R1，就可在不同線膨脹系數(shù)的試，就可在不同線膨脹系數(shù)的試件上實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。但是，當(dāng)工作柵感受應(yīng)變時(shí)，件上實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。但是，當(dāng)工作柵感受應(yīng)變時(shí)，補(bǔ)償柵會(huì)抵消工作柵的有效應(yīng)變，使電橋輸出靈敏補(bǔ)償柵會(huì)抵消工作柵的有效應(yīng)變，使電橋輸出靈敏度降低。并且，必須每片都接成半橋電路，外接一度降低。并且，必須每片都接成半橋電路，外接一個(gè)高精度電阻個(gè)高精度電阻R5，在

35、測(cè)量點(diǎn)很多的情況下，使用較，在測(cè)量點(diǎn)很多的情況下，使用較麻煩。麻煩。2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 熱敏電阻補(bǔ)償法。熱敏電阻熱敏電阻補(bǔ)償法。熱敏電阻RT處在與應(yīng)變片處在與應(yīng)變片R1相同的溫度條件下，當(dāng)溫度升高時(shí)，相同的溫度條件下，當(dāng)溫度升高時(shí)，R1阻值增加，阻值增加，RT的阻值下降，最終使電橋的輸出不變。的阻值下降，最終使電橋的輸出不變。R1R2R3R4R5RTUoUi+-2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 輔助測(cè)溫元件微型計(jì)算機(jī)補(bǔ)償法。在傳感輔助測(cè)溫元件微型計(jì)算機(jī)補(bǔ)償法。在傳感器內(nèi)靠近敏感

36、測(cè)量元件處安裝一個(gè)測(cè)溫元件。常器內(nèi)靠近敏感測(cè)量元件處安裝一個(gè)測(cè)溫元件。常用的測(cè)溫元件有半導(dǎo)體熱敏電阻以及用的測(cè)溫元件有半導(dǎo)體熱敏電阻以及PN結(jié)二極管結(jié)二極管等。計(jì)算機(jī)在處理傳感器數(shù)據(jù)時(shí)消除溫度變化的等。計(jì)算機(jī)在處理傳感器數(shù)據(jù)時(shí)消除溫度變化的影響。影響。傳感器傳感器測(cè)溫元件測(cè)溫元件多路多路開關(guān)開關(guān)A/ /DI/ /OCPU放大器放大器2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 4. .應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)特性應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)特性 在動(dòng)態(tài)情況下，在動(dòng)態(tài)情況下，應(yīng)變以波動(dòng)形式在材料中傳應(yīng)變以波動(dòng)形式在材料中傳播播，傳播速度為聲速，傳播速度為聲速( (鋼材聲速約鋼材聲速約

37、5000 m/ /s) )。應(yīng)變。應(yīng)變波由試件經(jīng)過膠層和基片傳到敏感柵的時(shí)間約為波由試件經(jīng)過膠層和基片傳到敏感柵的時(shí)間約為210- -7 s，可忽略不計(jì)。但是，應(yīng)變波沿應(yīng)變片長(zhǎng)，可忽略不計(jì)。但是，應(yīng)變波沿應(yīng)變片長(zhǎng)度方向傳播經(jīng)過敏感柵需要比較長(zhǎng)的時(shí)間，應(yīng)當(dāng)考度方向傳播經(jīng)過敏感柵需要比較長(zhǎng)的時(shí)間，應(yīng)當(dāng)考慮其影響。慮其影響。2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 (1) (1)對(duì)正弦應(yīng)變波的響應(yīng)對(duì)正弦應(yīng)變波的響應(yīng) 當(dāng)測(cè)量按正弦規(guī)律當(dāng)測(cè)量按正弦規(guī)律變化的應(yīng)變波時(shí)，應(yīng)變片的輸出所反映的是在應(yīng)變變化的應(yīng)變波時(shí)，應(yīng)變片的輸出所反映的是在應(yīng)變片敏感柵長(zhǎng)度內(nèi)感受到的

38、應(yīng)變量的平均值，從而帶片敏感柵長(zhǎng)度內(nèi)感受到的應(yīng)變量的平均值，從而帶來一定的誤差。這種誤差將隨應(yīng)變片基長(zhǎng)的增加而來一定的誤差。這種誤差將隨應(yīng)變片基長(zhǎng)的增加而加大，當(dāng)基片一定時(shí)將隨頻率的增加而加大。加大，當(dāng)基片一定時(shí)將隨頻率的增加而加大。2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 如圖所示，顯然，當(dāng)應(yīng)變片兩端坐標(biāo)滿足下如圖所示，顯然，當(dāng)應(yīng)變片兩端坐標(biāo)滿足下面條件時(shí)，其輸出最大面條件時(shí)，其輸出最大24,2421lxlx應(yīng)變片應(yīng)變波lx10 xOx2x2sin02.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 此時(shí)應(yīng)變片在其

39、基長(zhǎng)此時(shí)應(yīng)變片在其基長(zhǎng)l內(nèi)測(cè)得的平均應(yīng)變內(nèi)測(cè)得的平均應(yīng)變 p達(dá)達(dá)到最大值。其值為到最大值。其值為)16. 2(sind2sin0120p21llxxxxxx故可得故可得( (幅值幅值) )測(cè)量誤差為測(cè)量誤差為)17. 2(| 1sin|00plle2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 當(dāng)當(dāng) / /l較大時(shí)較大時(shí)2)(61le 由上式可知，測(cè)量誤由上式可知，測(cè)量誤差差e與比值與比值 / /l有關(guān)，如圖所有關(guān)，如圖所示。示。 / /l愈大，誤差愈大，誤差e愈小。愈小。一般可取一般可取 / /l1020，其，其誤差誤差e小于小于1.60.4 %。051

40、01520510152025e/%l2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 為了求在一定測(cè)量誤差下應(yīng)變片的最高測(cè)量為了求在一定測(cè)量誤差下應(yīng)變片的最高測(cè)量頻率頻率f，令，令 / /ln，根據(jù)，根據(jù) u u/ /f，得，得)18. 2()/(nlfu當(dāng)當(dāng)n確定時(shí)測(cè)量誤差也確定，反之亦然確定時(shí)測(cè)量誤差也確定，反之亦然kHz 3906elfu 對(duì)于鋼材，對(duì)于鋼材，u u5000 m/ /s，若要，若要e1 %，對(duì)，對(duì)l1 mm的應(yīng)變片，其允許的最高工作頻率為的應(yīng)變片，其允許的最高工作頻率為2)(61le en62.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及

41、工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 ( (2) )對(duì)階躍波的響應(yīng)對(duì)階躍波的響應(yīng) 圖圖( (a) )所示的階躍波沿所示的階躍波沿敏感柵軸向傳播時(shí)，理論響應(yīng)特性如圖敏感柵軸向傳播時(shí)，理論響應(yīng)特性如圖( (b) )所示，所示，實(shí)際波形如圖實(shí)際波形如圖( (c) )所示。如以輸出最大值的所示。如以輸出最大值的10 %上上升到升到90 %的這段時(shí)間為上升時(shí)間，則的這段時(shí)間為上升時(shí)間，則)19. 2(8 . 0kuLt 2.1.2 2.1.2 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性對(duì)方波的最高測(cè)量頻率經(jīng)驗(yàn)公式為對(duì)方波的最高測(cè)量頻率經(jīng)驗(yàn)公式為)20. 2(44. 0lfu 例如，例

42、如，l20 mm，u u5000 m/ /s時(shí)，時(shí)，tk3.210 6 s，則，則 f110 kHz。 2.1 2.1 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化很微小。例電阻應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化很微小。例如，如，1片片K2，初始電阻，初始電阻120 W W的應(yīng)變片，受到的應(yīng)變片，受到1000 的應(yīng)變的應(yīng)變時(shí)，其電阻變化僅時(shí)，其電阻變化僅0.24 W W。常用電。常用電橋電路來精確地測(cè)量這個(gè)微小的電阻變化。橋電路來精確地測(cè)量這個(gè)微小的電阻變化。2.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路2.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

43、 1. .直流電橋直流電橋 ( (1) )平衡電橋平衡電橋 圖中圖中R1為應(yīng)變片。假定電壓源內(nèi)為應(yīng)變片。假定電壓源內(nèi)阻為零。若阻為零。若Rg為檢流計(jì)內(nèi)阻，則為檢流計(jì)內(nèi)阻，則2.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路)21. 2()()()(214343214321g3241gRRRRRRRRRRRRRRRRRUIIg0時(shí)，電橋平衡時(shí)，電橋平衡，平衡條件平衡條件為為)22. 2(043213241RRRRRRRR或2.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 如果在測(cè)量前電橋平衡，在測(cè)量中應(yīng)變片阻值發(fā)如果在測(cè)量前電橋平衡，在測(cè)量中應(yīng)變片阻值發(fā)生改變后通過

44、調(diào)節(jié)其他橋臂的阻值使電橋恢復(fù)平衡，生改變后通過調(diào)節(jié)其他橋臂的阻值使電橋恢復(fù)平衡，從而確定從而確定應(yīng)變片阻值應(yīng)變片阻值的改變量，則稱為的改變量，則稱為零讀法零讀法。2.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 例如，例如，應(yīng)變片阻值由應(yīng)變片阻值由R1變?yōu)樽優(yōu)镽1D DR1，檢流計(jì)中，檢流計(jì)中有電流流過。此時(shí)可調(diào)節(jié)其他橋臂的電阻值，比如有電流流過。此時(shí)可調(diào)節(jié)其他橋臂的電阻值，比如調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)R2，使其值變?yōu)椋蛊渲底優(yōu)镽2D DR2后電橋重新平衡，則有后電橋重新平衡，則有R1+DR1R2+DR22.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路322411)()(RR

45、RRRRDD)23. 2(2431RRRRDD 當(dāng)恒定當(dāng)恒定R3、R4時(shí)，根據(jù)時(shí)，根據(jù)D DR2的值可求得的值可求得D DR1。R2稱為稱為調(diào)節(jié)臂調(diào)節(jié)臂。R3、R4稱為稱為比例臂比例臂，改變它們的，改變它們的比值，可改變比值，可改變D DR1的測(cè)量范圍。的測(cè)量范圍。平衡電橋通常用平衡電橋通常用在靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量中在靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量中。2.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 ( (2) )不平衡電橋法不平衡電橋法( (偏轉(zhuǎn)法偏轉(zhuǎn)法) ) 不平衡電橋法用不平衡電橋法用在動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量中在動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量中。其輸出量可以是電流或電壓。其輸出量可以是電流或電壓。將式將式( (2.21) )

46、中的中的R1換成換成R1D DR1，就可得到，就可得到Ig與與D DR1的關(guān)系式。此時(shí)為電流輸出。下面討論電壓輸出。的關(guān)系式。此時(shí)為電流輸出。下面討論電壓輸出。R1+DR12.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 R1為應(yīng)變片，為應(yīng)變片，R2、R3、R4為固定電阻。未承受為固定電阻。未承受應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變時(shí)，R1R4R2R3，電橋平衡，電橋平衡，Uo0。承受應(yīng)變。承受應(yīng)變后，阻值變?yōu)楹螅柚底優(yōu)镽1D DR1，電橋的不平衡輸出為，電橋的不平衡輸出為)24. 2(11341211113443321111oURRRRRRRRRRURRRURRRRRUDDDD2.1.3 2.1.

47、3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 設(shè)設(shè)R2/ /R1n，又因，又因D DR1R1( (分母上忽略分母上忽略D DR時(shí)時(shí)一定要在通分之后一定要在通分之后) )，R1R4R2R3，上式簡(jiǎn)化為，上式簡(jiǎn)化為)25. 2()1 (112oRRnnUUD)24. 2(113412111134oURRRRRRRRRRUDD2.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電橋的電壓靈敏度為電橋的電壓靈敏度為( (相對(duì)靈敏度相對(duì)靈敏度) )26. 2()1 (/211ounnURRUSD)25. 2()1 (112oRRnnUUD Su與與U成正比，成正比，U越高，越高，Su越高。但

48、是越高。但是U的提高的提高受到應(yīng)變片允許工作電流的限制，通常為受到應(yīng)變片允許工作電流的限制，通常為15 V。2.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 Su與與n有關(guān)。在有關(guān)。在U一定時(shí)，由靈敏度取極值的一定時(shí)，由靈敏度取極值的條件，可求得條件，可求得n1時(shí)時(shí)Su最大。即在最大。即在U一定、一定、R1R2、R3R4時(shí)，時(shí)，Su最大。通常這種情況稱為最大。通常這種情況稱為電橋的第一電橋的第一種對(duì)稱形式種對(duì)稱形式。此時(shí)。此時(shí))28. 2(41uUS )27. 2(4111oRRUUD112o)1 (RRnnUUD2.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

49、 而而R1R3，R2R4則稱為電橋的則稱為電橋的第二種對(duì)稱第二種對(duì)稱形式形式。第一種對(duì)稱形式有較高的靈敏度，第二種。第一種對(duì)稱形式有較高的靈敏度，第二種對(duì)稱形式線性較好。對(duì)稱形式線性較好。 等臂電橋等臂電橋是其中的一個(gè)特例。是其中的一個(gè)特例。2.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 ( (3) )電橋電路的非線性誤差補(bǔ)償電橋電路的非線性誤差補(bǔ)償 以上都是以上都是基于基于D DR1R1，所以得到的是線性關(guān)系。但當(dāng)應(yīng)，所以得到的是線性關(guān)系。但當(dāng)應(yīng)變片感受大應(yīng)變時(shí)，變片感受大應(yīng)變時(shí)，分母上的分母上的D DR1/ /R1項(xiàng)就不能忽項(xiàng)就不能忽略略，此時(shí)得到的為非線性關(guān)系，從而造成

50、非線性，此時(shí)得到的為非線性關(guān)系，從而造成非線性誤差。在補(bǔ)償非線性誤差時(shí)常用的措施如下誤差。在補(bǔ)償非線性誤差時(shí)常用的措施如下2.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 采用差動(dòng)電橋。在電采用差動(dòng)電橋。在電橋的相鄰兩臂接入兩個(gè)參數(shù)相橋的相鄰兩臂接入兩個(gè)參數(shù)相同的應(yīng)變片，測(cè)量時(shí)一個(gè)受拉同的應(yīng)變片，測(cè)量時(shí)一個(gè)受拉應(yīng)力，一個(gè)受壓應(yīng)力，電阻變應(yīng)力，一個(gè)受壓應(yīng)力，電阻變化量符號(hào)相反，數(shù)值相等，即化量符號(hào)相反，數(shù)值相等，即構(gòu)成構(gòu)成半橋差動(dòng)電路半橋差動(dòng)電路。此時(shí)。此時(shí))29. 2(433221111oDDDRRRRRRRRRUU2.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電

51、路假設(shè)假設(shè)432121RRRRRRDD，）（ 30. 22111oRRUUD則無需近似可得則無需近似可得 可見，差動(dòng)電橋法不僅補(bǔ)償了非線性誤可見，差動(dòng)電橋法不僅補(bǔ)償了非線性誤差，且電壓靈敏度提高了差，且電壓靈敏度提高了1倍。另外還能起到倍。另外還能起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩囟妊a(bǔ)償?shù)淖饔谩?.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路）（ 31. 211oRRUUD 全橋差動(dòng)電路不僅補(bǔ)償了非線性誤差，且電壓全橋差動(dòng)電路不僅補(bǔ)償了非線性誤差，且電壓靈敏度比半橋差動(dòng)電路補(bǔ)償時(shí)又提高了靈敏度比半橋差動(dòng)電路補(bǔ)償時(shí)又提高了1 1倍。也能起倍。也能起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?在四臂

52、都接入相同應(yīng)變片，在四臂都接入相同應(yīng)變片，相對(duì)兩個(gè)受拉應(yīng)力，另兩個(gè)受壓相對(duì)兩個(gè)受拉應(yīng)力，另兩個(gè)受壓應(yīng)力，構(gòu)成應(yīng)力，構(gòu)成全橋差動(dòng)電路全橋差動(dòng)電路。若滿。若滿足足D DR1D DR2D DR3D DR4，則，則2.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 采用恒流源電橋采用恒流源電橋 設(shè)供設(shè)供電電流恒定為電電流恒定為I I，則根據(jù)分流原，則根據(jù)分流原理，初始時(shí)電路的輸出電壓為理，初始時(shí)電路的輸出電壓為）（ 32. 243213241oIRRRRRRRRU 設(shè)電橋初始處于平衡狀態(tài)，設(shè)電橋初始處于平衡狀態(tài)，且且R1R2R3R4R。當(dāng)電。當(dāng)電阻阻R1變?yōu)樽優(yōu)镽D DR時(shí)，電橋輸出時(shí)，

53、電橋輸出電壓為電壓為R1+DR12.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路）（ 33. 2411414oRRRIIRRRRUDDDD可見，與恒壓源時(shí)相比，非線性誤差減小。采用可見，與恒壓源時(shí)相比，非線性誤差減小。采用半導(dǎo)體應(yīng)變片時(shí)電橋一般采用恒流源供電。半導(dǎo)體應(yīng)變片時(shí)電橋一般采用恒流源供電。RRRRURRRRURRRRRRRRRRUDDDDDD2114122114312111143o采用恒壓源時(shí)采用恒壓源時(shí)2.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 2. 2.交流電橋交流電橋 在交流電源供電時(shí)，需要考慮分布電容的影響，在交流電源供電時(shí)，需要考慮分布電

54、容的影響，此時(shí)橋臂已不是純電阻性的，其電源電壓、輸出電壓此時(shí)橋臂已不是純電阻性的，其電源電壓、輸出電壓及各橋臂阻抗均應(yīng)該用復(fù)數(shù)表示。輸出電壓為及各橋臂阻抗均應(yīng)該用復(fù)數(shù)表示。輸出電壓為)(43213241oZZZZZZZZUUUoU1Z2Z3Z4Z2.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路所以平衡條件為所以平衡條件為)34. 2(03241ZZZZ4321ejj,iZXRZiiiii設(shè)電橋各臂的阻抗為設(shè)電橋各臂的阻抗為則交流電橋的平衡條件為則交流電橋的平衡條件為)35. 2(32413241ZZZZ2.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 例例2.2

55、 采用四片相同的金屬絲應(yīng)變片采用四片相同的金屬絲應(yīng)變片( (K2) )，將其貼在實(shí)心圓柱形測(cè)力彈性元件上。如圖所示，已將其貼在實(shí)心圓柱形測(cè)力彈性元件上。如圖所示，已知知F、r、E和和 。FF ( (1) )畫出應(yīng)變片在圓柱上粘貼位畫出應(yīng)變片在圓柱上粘貼位置及相應(yīng)測(cè)量橋路原理圖；置及相應(yīng)測(cè)量橋路原理圖； ( (2) )求各應(yīng)變片的應(yīng)變、電阻相求各應(yīng)變片的應(yīng)變、電阻相對(duì)變化量；對(duì)變化量； ( (3) )若供橋電壓若供橋電壓U6 V，求橋路，求橋路輸出電壓輸出電壓Uo； ( (4) )此種測(cè)量方式能否補(bǔ)償環(huán)境此種測(cè)量方式能否補(bǔ)償環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量的影響？說明原因。溫度對(duì)測(cè)量的影響？說明原因。 2.1.3

56、 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 解解 ( (1) )按題意采用四個(gè)相按題意采用四個(gè)相同應(yīng)變片，粘貼位置如圖所示。同應(yīng)變片，粘貼位置如圖所示。R1、R3沿軸線方向，在力沿軸線方向，在力F作用作用下產(chǎn)生正的應(yīng)變，下產(chǎn)生正的應(yīng)變，R2、R4沿圓周沿圓周方向，產(chǎn)生負(fù)的應(yīng)變。方向，產(chǎn)生負(fù)的應(yīng)變。2.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 四個(gè)應(yīng)變片接入橋路四個(gè)應(yīng)變片接入橋路位置如圖所示，組成全橋位置如圖所示，組成全橋測(cè)量電路，可提高輸出電測(cè)量電路，可提高輸出電壓靈敏度壓靈敏度。2.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 ( (2) )計(jì)

57、算應(yīng)變和電阻相對(duì)變化量計(jì)算應(yīng)變和電阻相對(duì)變化量42442241331142311094. 01012. 3 47 156DDDDKRRRRKRRRRSEFSEF2.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 ( (3) )求橋路輸出電壓求橋路輸出電壓URRRRRRRRRRRRURRRRRRRRRRRRRRRRRRRRURRRRRRRRRRRRRRRRRRRRURRRRRRURRRRRRU)()()()()(4321424213134321424242421313131344332211443322221133221122443333oDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD

58、DDDDDDDmV 22.(22443311432122432144341233341211432142421313oDDDDDDDDDDDDURRRRRRRRURRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRURRRRRRRRRRRRU2.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路2.1.3 2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 ( (4) )可以補(bǔ)償環(huán)境溫度的影響，因?yàn)榭梢匝a(bǔ)償環(huán)境溫度的影響，因?yàn)?4332211RRRRRRRRTTTTDDDD所以所以04144332211oDDDDDURRRRRRRRUTTTTT2.1 2.1

59、電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器2.1.4 2.1.4 電阻應(yīng)變式傳感器舉例電阻應(yīng)變式傳感器舉例 電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片( (絲絲) )，除直接用來測(cè)定試件的應(yīng)變和，除直接用來測(cè)定試件的應(yīng)變和應(yīng)力外，還廣泛用作傳感元件制成各種應(yīng)變式傳感器，應(yīng)力外，還廣泛用作傳感元件制成各種應(yīng)變式傳感器，用來測(cè)定其他物理量，如力、壓力、加速度等。用來測(cè)定其他物理量，如力、壓力、加速度等。 應(yīng)變式傳感器的基本構(gòu)成通?？煞譃閮刹糠郑磻?yīng)變式傳感器的基本構(gòu)成通?？煞譃閮刹糠郑磸椥悦舾性椥悦舾性秃蛻?yīng)變片應(yīng)變片( (絲絲) )。彈性敏感元件在被測(cè)物。彈性敏感元件在被測(cè)物理量的作用下，產(chǎn)生一個(gè)與它成正比的應(yīng)變，然后

60、用理量的作用下，產(chǎn)生一個(gè)與它成正比的應(yīng)變，然后用應(yīng)變片應(yīng)變片( (絲絲) )作為轉(zhuǎn)換元件將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化。作為轉(zhuǎn)換元件將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化。2.1.4 2.1.4 電阻應(yīng)變式傳感器舉例電阻應(yīng)變式傳感器舉例 不僅對(duì)于應(yīng)變式傳感器，對(duì)其他一些類型的不僅對(duì)于應(yīng)變式傳感器，對(duì)其他一些類型的傳感器，傳感器，彈性敏感元件在傳感器技術(shù)中也占有極彈性敏感元件在傳感器技術(shù)中也占有極為重要的地位為重要的地位。在傳感器工作過程中，一般是由。在傳感器工作過程中，一般是由彈性敏感元件把各種形式的物理量轉(zhuǎn)換成變形，彈性敏感元件把各種形式的物理量轉(zhuǎn)換成變形，再由轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電量，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影再由轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電