第2章電阻應(yīng)變計式傳感器ppt課件

1、第第2章章 電阻應(yīng)變計式電阻應(yīng)變計式傳感器傳感器 電阻應(yīng)變計的應(yīng)用電阻應(yīng)變計的應(yīng)用1.2第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計的主要特性電阻應(yīng)變計的主要特性2.22.3測量電路測量電路2.4電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器2.52.6電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償2.1電阻應(yīng)變計的基本原理與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變計的基本原理與結(jié)構(gòu)2.1電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用一、導(dǎo)電材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)一、導(dǎo)電材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)電阻應(yīng)變式傳感器是目前用于測量力、力矩、壓力、電阻應(yīng)變式傳感器是目前用于測量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)

2、最廣泛的傳感器之一。加速度、重量等參數(shù)最廣泛的傳感器之一。電阻應(yīng)變式傳感器是利用應(yīng)變效應(yīng)制造的一種測量電阻應(yīng)變式傳感器是利用應(yīng)變效應(yīng)制造的一種測量微小變化量微小變化量(機械機械)的理想傳感器。的理想傳感器。電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體或電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，電阻值發(fā)生變化， 這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)”。 3實驗演示實驗演示 ： 取一根細(xì)電阻絲，兩端接上一臺數(shù)字式取一根細(xì)電阻絲，兩端接上一臺數(shù)字式歐姆表（分辨率為歐姆表（分辨率為1/2000

3、1/2000），記下其初始阻），記下其初始阻值（圖中為值（圖中為10.0110.01 ）。當(dāng)我們用力將該電阻。當(dāng)我們用力將該電阻絲拉長時，會發(fā)現(xiàn)其阻值略有增加（圖中增加絲拉長時，會發(fā)現(xiàn)其阻值略有增加（圖中增加到為到為10.0510.05 ）。）。測量應(yīng)力、應(yīng)變、力的傳感測量應(yīng)力、應(yīng)變、力的傳感器就是利用類似的原理制作的。器就是利用類似的原理制作的。452.1電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用dAdAldlRdR（2-2） 當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時，將伸長dl，橫截面積相應(yīng)減小dA，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了d，從而引起電阻值相對變化量為： AlR 一根

4、長一根長l，截面積為，截面積為A的金屬電阻絲，在其未受力時，原的金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為：始電阻值為：（2-1）ll+dl2r2(r-dr)F圖圖 導(dǎo)體受拉伸后的參數(shù)變化導(dǎo)體受拉伸后的參數(shù)變化62.1電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用22rdrAdAldlAdAdr/r為金屬絲半徑的相對變化，即徑向應(yīng)變?yōu)閞，由材料力學(xué)知：r= A=r2dA/A=2dr/r式中式中 材料的軸向線應(yīng)變，用材料的軸向線應(yīng)變，用表示，常用單位表示，常用單位(1=1(1=110-6mm/mm);10-6mm/mm); 圓形電阻絲的截面積相對變化量，設(shè)圓形電阻絲的截面積相對變化量，

5、設(shè)r r為電阻絲的半徑：為電阻絲的半徑： 其中其中 導(dǎo)體材料的泊松比。導(dǎo)體材料的泊松比。72.1電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用可得：可得：通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的應(yīng)變靈通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)簡稱靈敏系數(shù)）。敏系數(shù)簡稱靈敏系數(shù)）。 其物理意義是單位應(yīng)變所引起其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量，其表達(dá)式為：的電阻相對變化量，其表達(dá)式為：dRdR)21 (（2-3） dRdRK21（2-4） 82.1電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用 靈敏系數(shù)K受兩個因素影響：材料幾何尺寸的變化，

6、即1+2；材料的電阻率發(fā)生的變化， 即d/）/。大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。1.金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng) 對金屬材料來說，電阻絲靈敏度系數(shù)表達(dá)式中1+2的值要比(d/)/大得多，顯然，金屬絲材的應(yīng)變電阻效應(yīng)以結(jié)構(gòu)尺寸變化為主。金屬材料的電阻相對變化與其線應(yīng)變成正比。這就是金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)。對金屬或合金, 一般Km=1.84.8。92.1電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用2.2.半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng) 壓阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料，當(dāng)某一軸向受外力作用壓阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料，當(dāng)某一軸向受外力作用時，時， 其電

7、阻率其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。發(fā)生變化的現(xiàn)象。式中：式中：半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù); ;半導(dǎo)體材料的所受應(yīng)變力半導(dǎo)體材料的所受應(yīng)變力; ; EE半導(dǎo)體材料的彈性模量半導(dǎo)體材料的彈性模量; ;Ed（2-5） 102.1電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用2.2.半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)那么：那么： 由于由于E(1+2)E(1+2)，因此半導(dǎo)體絲材的，因此半導(dǎo)體絲材的靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)KsEKsE?？梢姡雽?dǎo)體材料的應(yīng)變電?？梢?，半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)主要基于壓阻效應(yīng)。通常阻效應(yīng)主要基于壓阻效應(yīng)。通常Ks=(50Ks=(5080)Km80)Km

8、。)21 (ERdR（2-6） 11范圍較寬。范圍較寬。2.1電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用13利用應(yīng)變片測量的基本原理：利用應(yīng)變片測量的基本原理： 應(yīng)力值正比于應(yīng)變，而應(yīng)變又正比于電阻值的應(yīng)力值正比于應(yīng)變，而應(yīng)變又正比于電阻值的變化，所以應(yīng)力正比于電阻值的變化。變化，所以應(yīng)力正比于電阻值的變化。2.1電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用14 2.1電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用2.1電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用二、電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)與類型二、電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)與類型圖圖 典型應(yīng)變計

9、的結(jié)構(gòu)及組成典型應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)及組成(a)絲式絲式 (b)箔式箔式 (c)半導(dǎo)體半導(dǎo)體1敏感柵敏感柵 2基底基底 3引線引線 4蓋層蓋層 5粘結(jié)劑粘結(jié)劑 6電極電極152.1電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用二、電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)與類型二、電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)與類型構(gòu)造：構(gòu)造：(1)敏感柵敏感柵:實現(xiàn)試件表面應(yīng)變電阻轉(zhuǎn)換的敏感實現(xiàn)試件表面應(yīng)變電阻轉(zhuǎn)換的敏感元件。通常由直徑為元件。通常由直徑為0.0150.05mm的金屬絲繞的金屬絲繞成柵狀，或用金屬箔腐蝕成柵狀。成柵狀，或用金屬箔腐蝕成柵狀。(2)基底基底:為保持敏感柵固定的形狀、尺寸和位置，為保持敏感柵固定的形狀、尺寸和位置

10、，通常用粘結(jié)劑將其固結(jié)在紙質(zhì)或膠質(zhì)的基底上。通常用粘結(jié)劑將其固結(jié)在紙質(zhì)或膠質(zhì)的基底上?；妆仨毢鼙?，一般為基底必須很薄，一般為0.020.04mm。 (3)引線引線:起著敏感柵與測量電路之間的過渡連接和起著敏感柵與測量電路之間的過渡連接和引導(dǎo)作用。通常取直徑約引導(dǎo)作用。通常取直徑約0.10.15mm的低阻鍍的低阻鍍錫銅線，并用釬焊與敏感柵端連接。錫銅線，并用釬焊與敏感柵端連接。16二、電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)與類型二、電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)與類型(4)蓋層：用紙、膠作成覆蓋在敏感柵上的保護層；蓋層：用紙、膠作成覆蓋在敏感柵上的保護層；起著防潮、防蝕、防損等作用。起著防潮、防蝕、防損等作用。(5)粘結(jié)劑：制造

11、應(yīng)變計時，用它分別把蓋層和敏粘結(jié)劑：制造應(yīng)變計時，用它分別把蓋層和敏感柵固結(jié)于基底；使用應(yīng)變計時，用它把應(yīng)變計基感柵固結(jié)于基底；使用應(yīng)變計時，用它把應(yīng)變計基底粘貼在試件表面的被測部位。因此它也起著傳遞底粘貼在試件表面的被測部位。因此它也起著傳遞應(yīng)變的作用。應(yīng)變的作用。常用的粘結(jié)劑分為有機和無機兩大類。有機粘結(jié)劑常用的粘結(jié)劑分為有機和無機兩大類。有機粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機硅樹脂，聚酰亞胺等。無機粘結(jié)劑用醛樹脂、有機硅樹脂，聚酰亞胺等。無機粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸

12、、硼酸鹽等。2.1電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用17二、電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)與類型二、電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)與類型1.金屬絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片 主要有絲繞式回線式和短接式二種。主要有絲繞式回線式和短接式二種?；鼐€式最為常用，制作簡單，性能穩(wěn)定，回線式最為常用，制作簡單，性能穩(wěn)定，成本低，易粘貼，但橫向效應(yīng)較大。成本低，易粘貼，但橫向效應(yīng)較大。 短接式應(yīng)變計的最大優(yōu)點是橫向效應(yīng)系短接式應(yīng)變計的最大優(yōu)點是橫向效應(yīng)系數(shù)很小數(shù)很小 (0.1)，但由于它的焊點多，焊點，但由于它的焊點多，焊點處截面變化劇烈，因而疲勞壽命短。處截面變化劇烈，因而疲勞壽命短。 2.1電阻應(yīng)變計的基本原

13、理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用182.金屬箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片 利用照相制版或光刻技術(shù)將厚約利用照相制版或光刻技術(shù)將厚約0.0030.01mm的金屬箔片制成所需圖形的敏感柵，也的金屬箔片制成所需圖形的敏感柵，也稱為應(yīng)變花。稱為應(yīng)變花。箔柵的表面積比絲柵的要大，散熱性好，允許通箔柵的表面積比絲柵的要大，散熱性好，允許通過較大的電流，因而可以輸出較強的信號，提高過較大的電流，因而可以輸出較強的信號，提高測量靈敏度；測量靈敏度； 敏感柵的橫向端部為較寬的柵條，故橫向效應(yīng)較敏感柵的橫向端部為較寬的柵條，故橫向效應(yīng)較??；小；蠕變小、疲勞壽命長；蠕變小、疲勞壽命長；制造工藝自動化，可成批生

14、產(chǎn)，生產(chǎn)效率高。制造工藝自動化，可成批生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高。2.1電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用192.1電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用2.金屬箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片3.半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片 由單晶半導(dǎo)體經(jīng)切型、切條、光刻腐蝕成形，由單晶半導(dǎo)體經(jīng)切型、切條、光刻腐蝕成形，然后粘貼在薄的絕緣基片，最后再加上保護層。然后粘貼在薄的絕緣基片，最后再加上保護層。 但重復(fù)性、溫度及時間穩(wěn)定性差。但重復(fù)性、溫度及時間穩(wěn)定性差。靈敏系數(shù)大，比絲柵式、箔片式大幾十倍，因而靈敏系數(shù)大，比絲柵式、箔片式大幾十倍，因而輸出的信號大；輸出的信號大； 橫向效

15、應(yīng)系數(shù)??；橫向效應(yīng)系數(shù)?。?機械滯后??；機械滯后??； 本身的體積小，便于制作小型傳感器。本身的體積小，便于制作小型傳感器。 2.1電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電阻應(yīng)變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用21第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器應(yīng)變計多為一次性使用，應(yīng)變計的特性是按規(guī)定的條件，從大批量生產(chǎn)中按比例抽樣實測而得。靜態(tài)特性靈敏系數(shù)K，應(yīng)變計的軸向應(yīng)變一般KK0第二節(jié)第二節(jié) 電阻應(yīng)變計的主要特性電阻應(yīng)變計的主要特性xR RKx第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器 橫向效應(yīng)及橫向效應(yīng)系數(shù)H 由于傳感器是多線的，線與線之間連接部分不在測量方向上，引起橫向效應(yīng) 計算公式：H雙向靈

16、敏系數(shù)比 標(biāo)定情況下：可見，橫向效應(yīng)使傳感器的靈敏度系數(shù)下降，必須使H減小 絲繞式應(yīng)變計的長度要長、橫柵要小。 對橫向效應(yīng)分析結(jié)果的應(yīng)用結(jié)果之一是箔式應(yīng)變計0(1)xxR RKH(1)xxyyxxR RKKKaH第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器 機械滯后回差） 緣由：基底材料、粘結(jié)劑的材料、殘余變形 通常要求：jZ10jZjZ卸載加載真實應(yīng)變真實應(yīng)變指示應(yīng)變指示應(yīng)變0第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器 蠕變 與零漂 零漂和蠕變反映傳感器的長期穩(wěn)定性 應(yīng)變極限 應(yīng)變計的線性范圍，是衡量應(yīng)變計測量范圍和過載能力的指標(biāo)，普通8000limlim0P0P10%真實應(yīng)變指示

17、應(yīng)變第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器動態(tài)特性動態(tài)特性機械應(yīng)變以聲波的形式和速度在材料中傳播的機械應(yīng)變以聲波的形式和速度在材料中傳播的。當(dāng)它依次通過一定厚度的基底、膠層并引。當(dāng)它依次通過一定厚度的基底、膠層并引起應(yīng)變計的響應(yīng)時，會有時間的遲后。響應(yīng)起應(yīng)變計的響應(yīng)時，會有時間的遲后。響應(yīng)遲后對動態(tài)遲后對動態(tài)( (高頻高頻) )應(yīng)變測量，尤會產(chǎn)生誤差應(yīng)變測量，尤會產(chǎn)生誤差。動態(tài)特性就是指其感受隨時間變化的應(yīng)變時之動態(tài)特性就是指其感受隨時間變化的應(yīng)變時之響應(yīng)特性。響應(yīng)特性。第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器 對正弦信號的響應(yīng) 一頻率為f，幅值為0的正弦波，以速度v沿著應(yīng)變

18、計縱向x方向傳播時，在某一瞬時t：應(yīng)變計中點xt的瞬時應(yīng)變?yōu)?而柵長l范圍xt（l/2）內(nèi)的平均應(yīng)變?yōu)?相對誤差為： 上式表明，當(dāng)頻率增加時，誤差增大,因此應(yīng)使：012sinsinptlxlldxl21sin16pttlllfe max6lle max6fel0sin(2 / )ttx 第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器 疲勞壽命 應(yīng)變計的疲勞壽命是指：在恒定幅值的交變應(yīng)力作用下，應(yīng)變計連續(xù)工作，直至產(chǎn)生疲勞損壞時的循環(huán)次數(shù)。 當(dāng)應(yīng)變計出現(xiàn)以下三種情形之一者，即可認(rèn)為是疲勞損壞：（1敏感柵或引線發(fā)生斷路；（2應(yīng)變計輸出幅值變化 10%；（3應(yīng)變計輸出波形上出現(xiàn)穗狀尖峰。 2.3電

19、阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償一、溫度效應(yīng)及其熱輸出一、溫度效應(yīng)及其熱輸出1、溫度效應(yīng)設(shè)工作溫度變化為、溫度效應(yīng)設(shè)工作溫度變化為t，則，則引起粘貼在試件上的應(yīng)變計電阻的相對引起粘貼在試件上的應(yīng)變計電阻的相對變化為變化為:式中式中 t敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)；敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)；K應(yīng)變計的靈敏系數(shù)；應(yīng)變計的靈敏系數(shù)；s、t分別為試件和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)。分別為試件和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)。（2-7） ()().ttstRa tKtR 292.3電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償2、熱輸出、熱輸出相對的熱輸出為相對的熱輸出為: 應(yīng)變計的溫度效

20、應(yīng)及其熱輸出由兩部分組成：前應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其熱輸出由兩部分組成：前部分為熱阻效應(yīng)所造成；后部分為敏感柵與試件部分為熱阻效應(yīng)所造成；后部分為敏感柵與試件熱膨脹失配所引起。在工作溫度變化較大時，這熱膨脹失配所引起。在工作溫度變化較大時，這種熱輸出干擾必須加以補償。種熱輸出干擾必須加以補償。ttaKKRRtsttt).(1)/(（2-8） 30虛偽虛偽應(yīng)變應(yīng)變2.3電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償二、熱輸出補償方法二、熱輸出補償方法1、溫度自補償法、溫度自補償法 精心選配敏感柵材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)來實現(xiàn)熱輸精心選配敏感柵材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)來實現(xiàn)熱輸出補償出補償 。(1)單絲自補償應(yīng)

21、變計單絲自補償應(yīng)變計 在研制和選用應(yīng)變計時，若選擇敏感柵的合金在研制和選用應(yīng)變計時，若選擇敏感柵的合金材料，其材料，其t 、t能與試件材料的能與試件材料的s相匹配，即滿相匹配，即滿足足 ，達(dá)到溫度自補償?shù)哪康?。，達(dá)到溫度自補償?shù)哪康摹?(tstKa（2-9） 0t312.3電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償1、溫度自補償法、溫度自補償法(2)雙絲自補償應(yīng)變計雙絲自補償應(yīng)變計 敏感柵由電阻溫度系數(shù)敏感柵由電阻溫度系數(shù)一正一負(fù)的兩種合金絲串接一正一負(fù)的兩種合金絲串接而成。當(dāng)工作溫度變化時，而成。當(dāng)工作溫度變化時，若若Ra柵產(chǎn)生正的熱輸出柵產(chǎn)生正的熱輸出a與與Rb柵產(chǎn)生負(fù)的熱輸

22、出柵產(chǎn)生負(fù)的熱輸出b相等或相近，就可達(dá)到相等或相近，就可達(dá)到自補償?shù)哪康?，即自補償?shù)哪康模?bataatbbatbtRRRRRR)/()(（2-10） （a回線式 （ b短接式322.3電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償2、橋路補償法、橋路補償法（1雙絲半橋式雙絲半橋式 雙絲半橋式熱補償應(yīng)變計雙絲半橋式熱補償應(yīng)變計332.3電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償2、橋路補償法、橋路補償法（1雙絲半橋式雙絲半橋式 敏感柵由同符號電阻溫度系數(shù)的兩種合金絲串敏感柵由同符號電阻溫度系數(shù)的兩種合金絲串接而成，工作柵接而成，工作柵R1接入工作臂，補償柵接入工作臂，

23、補償柵R2外接串外接串接電阻接電阻RB(不敏感溫度影響不敏感溫度影響)接入補償臂，當(dāng)溫度接入補償臂，當(dāng)溫度變化時，只要電橋工作臂和補償臂的熱輸出相等變化時，只要電橋工作臂和補償臂的熱輸出相等或相近，就能達(dá)到熱補償目的或相近，就能達(dá)到熱補償目的 。1122ttBRR（2-11） 342.3電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償2、橋路補償法、橋路補償法（2補償塊法補償塊法 補償塊半橋熱補償應(yīng)變計 使用兩個相同的應(yīng)變使用兩個相同的應(yīng)變計。計。R1貼在試件上，接貼在試件上，接入電橋工作臂，入電橋工作臂， R2貼在貼在與試件同材料、同環(huán)境溫與試件同材料、同環(huán)境溫度，但不參與機械應(yīng)變的

24、度，但不參與機械應(yīng)變的補償塊上，接入電橋相鄰補償塊上，接入電橋相鄰臂作補償臂，補償臂產(chǎn)生臂作補償臂，補償臂產(chǎn)生與工作臂相同的熱輸出，與工作臂相同的熱輸出，通過電橋，起到補償作用。通過電橋，起到補償作用。352.3電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償2、橋路補償法、橋路補償法（3差動電橋法差動電橋法 巧妙地安巧妙地安裝應(yīng)變片可以裝應(yīng)變片可以起補償作用并起補償作用并提高靈敏度。提高靈敏度。 將兩個應(yīng)變片分別貼于測懸梁上下對稱位置，將兩個應(yīng)變片分別貼于測懸梁上下對稱位置，R1、RB特性相同，所以兩電阻變化值相同而符號特性相同，所以兩電阻變化值相同而符號相反。因而電橋輸出電壓比單片

25、時增加相反。因而電橋輸出電壓比單片時增加1倍。當(dāng)梁倍。當(dāng)梁上下溫度一致時，上下溫度一致時，RB與與R1可起溫度補償作用?？善饻囟妊a償作用。 差動電橋法差動電橋法361、應(yīng)變計的選用、應(yīng)變計的選用（1選擇類型選擇類型使用目的、要求、對象、環(huán)境使用目的、要求、對象、環(huán)境等等（2材料考慮材料考慮使用溫度、時間、最大應(yīng)變量使用溫度、時間、最大應(yīng)變量及精度及精度（3阻值選擇阻值選擇根據(jù)測量電路和儀器選定標(biāo)稱根據(jù)測量電路和儀器選定標(biāo)稱電阻電阻（4尺寸考慮尺寸考慮試件表面、應(yīng)力分布、粘貼面試件表面、應(yīng)力分布、粘貼面積積（5其他考慮其他考慮特殊用途、惡劣環(huán)境、高精度特殊用途、惡劣環(huán)境、高精度37第第2章章 電

26、阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器第四節(jié)第四節(jié) 電阻應(yīng)變計的應(yīng)用電阻應(yīng)變計的應(yīng)用2、應(yīng)變計的使用、應(yīng)變計的使用（1粘結(jié)劑的選擇粘結(jié)劑的選擇 通常在室溫工作的應(yīng)變片多采用常溫、指壓通常在室溫工作的應(yīng)變片多采用常溫、指壓固化條件的粘結(jié)劑如聚脂樹脂、環(huán)氧樹脂類。固化條件的粘結(jié)劑如聚脂樹脂、環(huán)氧樹脂類。（2應(yīng)變計的粘貼應(yīng)變計的粘貼 預(yù)備預(yù)備試件和應(yīng)變片；涂膠；貼片；試件和應(yīng)變片；涂膠；貼片；復(fù)查；接線；防護。復(fù)查；接線；防護。38第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器第五節(jié)第五節(jié) 測量電路測量電路工作原理工作原理第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電

27、阻應(yīng)變計式傳感器應(yīng)變電橋直流電橋與交流電橋直流電橋只接入電阻交流電橋可接入 L C平衡電橋與不平衡電橋半等臂與全等臂輸出端對稱與電源對稱第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器直流電橋及其輸出特性電橋平衡的條件：相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，或相對兩臂電阻的乘積相等。電壓輸出橋的輸出特性輸出電壓：1324R RR R313242034123412()RR RR RRUUURRRRRRRR1423RRRR第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器代入R：分子分母同除以R1R3,并略去高除微量得：如果為全等臂電橋，n=1，那么：可簡寫為（ Ri Ri）： 1133224403344112

28、2RRRRRRRRUURRRRRRRR312421234031241234111RRRRnURRRRnURRRRnnRRRR331241240123412341142RRRRRRRRUURRRRRRRR312401234123444RRRRUUUKRRRR第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器如果只有一個臂工作，如R1，那么：因此，單臂電橋的電壓靈敏度為： 111011111424RURRUURRR1014uURSUR 第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器n =1時，時，Su 為最大為最大第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器和差特性非線性特性從上述各式可看出，

29、只有R很小時，橋路的輸出才為線性非線性誤差為3124012344RRRRUURRRR11111100110111142424RRRUURRRUUKeRUUKR第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器 采用金屬應(yīng)變計，減小R，在一定精度條件下可免去補償措施 半導(dǎo)體應(yīng)變計雖然靈敏度高，但非線性誤差大 非線性補償 差動電橋補償 采用恒流源全橋差動補償全橋差動補償若滿足若滿足R1=R2=R3=R1=R2=R3=R4R4，R1=R2=R3=R4R1=R2=R3=R4則輸出電壓為：則輸出電壓為： 11RRU可見：全橋差動電橋無非線性誤差；可見：全橋差動電橋無非線性誤差； 電壓靈敏度電壓靈敏度 Su

30、=U Su=U 是使用單個應(yīng)變片的是使用單個應(yīng)變片的4 4倍。倍。1324RRRR、受拉應(yīng)變、受壓應(yīng)變第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器331241240123412341142RRRRRRRRUURRRRRRRR第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器交流電橋引入原因：由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂。 由于供橋電源為交流電源，引線分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性，即相當(dāng)于兩只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個電容。由于低漂移集成運算放大器的發(fā)展，直流電橋得到了廣泛應(yīng)用。Z1UoU( a )Z2Z3Z4R1R2R4R3oUC1C2U( b )第

31、第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器第六節(jié)第六節(jié) 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器KRRFSE應(yīng)力應(yīng)力施力施力彈性彈性模量模量面積面積第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器第六節(jié)第六節(jié) 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器RR測定試件應(yīng)力或應(yīng)變時，直接將應(yīng)變片粘貼在測定試件應(yīng)力或應(yīng)變時，直接將應(yīng)變片粘貼在試件上；試件上；其他物理量力、壓力、加速度等），需先將其他物理量力、壓力、加速度等），需先將這些量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變這些量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變 彈性元件。彈性元件。 一.原理和特點電阻應(yīng)變計有兩方面的應(yīng)用：一是作為敏感元件，直接用于被測試件的應(yīng)變測量；另一是作為轉(zhuǎn)換元件，通過彈性元件構(gòu)成

32、傳感器，用以對任何能轉(zhuǎn)變成彈性元件應(yīng)變的其它物理量作簡接測量。第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器第六節(jié)第六節(jié) 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器用作傳感器 的應(yīng)變計，應(yīng)有更高的要求，尤其非線性誤差要小(0.05%0.1%F.S.)，力學(xué)性能參數(shù)受環(huán)境溫度影響小，并與彈性元件匹配。應(yīng)變計式傳感器有如下應(yīng)用特點：(1)應(yīng)用和測量范圍廣 用應(yīng)變計可制成各種機械量傳感器，如測力傳感器可測102107N，壓力傳感器可測103108Pa，加速度傳感器可測到103級m/s2。 第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器(2)分辨力(1)和靈敏度高，尤其是用半導(dǎo)體應(yīng)變計，靈敏度可達(dá)幾十m

33、V/V；精度較高(一般達(dá)1%3%F.S.，高精度達(dá)0.1% 0.01%F.S.)。(3)結(jié)構(gòu)輕小，對試件影響小；對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性強，易于實施對環(huán)境干擾的隔離或補償，從而可以在高低溫、高壓、高速、強磁場、核幅射等特殊環(huán)境中使用；頻率響應(yīng)好。 第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器(4)商品化，選用和使用都方便，也便于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動化測量。因此，目前傳感器的種類雖已繁多，但高精度的傳感器仍以應(yīng)變計式應(yīng)用最普遍。它廣泛用機械、冶金、石油、建筑、交通、水利和宇航等部門的自動測量與控制或科學(xué)實驗中；近年來在生物、醫(yī)學(xué)、體育和商業(yè)等部門亦已得到開發(fā)應(yīng)用。 第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)

34、變計式傳感器第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器二二. .應(yīng)變計式傳感器應(yīng)變計式傳感器 1.1.測力傳感器測力傳感器 應(yīng)變計式傳感器的最大用武之地還是應(yīng)變計式傳感器的最大用武之地還是稱重和測力領(lǐng)域。這種測力傳感器的結(jié)構(gòu)由稱重和測力領(lǐng)域。這種測力傳感器的結(jié)構(gòu)由應(yīng)變計、彈性元件和一些附件所組成。視彈應(yīng)變計、彈性元件和一些附件所組成。視彈性元件結(jié)構(gòu)型式性元件結(jié)構(gòu)型式( (如柱形、筒形、環(huán)形、梁式、如柱形、筒形、環(huán)形、梁式、輪幅式等輪幅式等) )和受載性質(zhì)和受載性質(zhì)( (如拉、壓、彎曲和剪如拉、壓、彎曲和剪切等切等) )的不同，它們有許多種類。的不同，它們有許多種類。 柱式力傳感器柱式力傳

35、感器(a)(a)實心圓柱實心圓柱(b)(b)空心圓柱空心圓柱第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器UiR1R3R5R7R6R8R2R4R6R7R8R2R3R4R5R1第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器梁式力傳感器梁式力傳感器EbhFlE206 上、下表面對稱位置上、下表面對稱位置分別粘有分別粘有4 4只應(yīng)變片，只應(yīng)變片，R1R1、R4R4同側(cè)；同側(cè)；R3 R3 、R2R2同側(cè)，可同側(cè)，可構(gòu)成全差動電橋。構(gòu)成全差動電橋。2第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器第第2章

36、章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。轉(zhuǎn)化為電量輸出。第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器2.壓力傳感器壓力傳感器 壓力傳感器主要用來測量流體的壓力。視壓力傳感器主要用來測量流體的壓力。視其彈性體的結(jié)構(gòu)形式有單一式和組合式其彈性體的結(jié)構(gòu)形式有單一式和組合式之分。之分。單一式壓力傳感器是指應(yīng)變計直接粘貼在單一式壓力傳感器是指應(yīng)變計直接粘貼在受壓彈性膜片或筒上。膜片式應(yīng)變壓力受壓彈性膜片

37、或筒上。膜片式應(yīng)變壓力傳感器的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分布及布片，與固傳感器的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分布及布片，與固態(tài)壓阻式傳感器雷同態(tài)壓阻式傳感器雷同(參閱參閱2.6節(jié)節(jié))。 第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器筒式應(yīng)變壓力傳感器筒式應(yīng)變壓力傳感器 (a)結(jié)構(gòu)示意；結(jié)構(gòu)示意；(b)筒式彈性元件；筒式彈性元件；(c)應(yīng)變計布片應(yīng)變計布片1插座；插座；2基體；基體；3溫度補償應(yīng)變計；溫度補償應(yīng)變計；4工作應(yīng)變計；工作應(yīng)變計；5應(yīng)變筒應(yīng)變筒對厚壁筒 2222tdPDdE第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器 對薄壁筒 2tdPDdE組合式壓力傳感器則由受壓彈性元件(膜片、膜盒或波紋管)和應(yīng)變彈性元件(如各種梁)組合而成。前者承受壓力，后者粘貼應(yīng)變計。兩者之間通過傳力件傳遞壓力作用。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是受壓彈性元件能對流體高溫、腐蝕等影響起到隔離作用，使應(yīng)變計具有良好的工作環(huán)境。第第2章章 電阻應(yīng)變計式傳感器電阻應(yīng)變計式傳感器 3.位移傳感器位移傳感器應(yīng)變式位移傳感器是把被測位移量轉(zhuǎn)變成彈性應(yīng)變式位移傳感器是把被測位移量轉(zhuǎn)變成彈性元件的變形和應(yīng)變，然后通過應(yīng)變計和應(yīng)變電元件的變形和應(yīng)變，然后通過應(yīng)變計和應(yīng)變電橋，輸出正比于被測位移的電量。它可用來近橋，輸出正