第2章電阻應(yīng)變式傳感器

1、 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章主要內(nèi)容主要內(nèi)容 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章主要內(nèi)容主要內(nèi)容 應(yīng)變式電阻傳感器應(yīng)變式電阻傳感器是利用是利用電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片將將應(yīng)變應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。感器。 傳感器由在傳感器由在彈性元件彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。 當(dāng)當(dāng)被測物理量被測物理量作用在作用在彈性元件彈性元件上時(shí)上時(shí), 彈性元件的變形引起彈性元件的變形引起應(yīng)變敏應(yīng)變敏感元件感元件的阻值變化的阻值變化, 通過通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成將其轉(zhuǎn)變成電量輸出電量輸出

2、, 電量變化電量變化的大小反映了被測物理量的大小。的大小反映了被測物理量的大小。 應(yīng)變式電阻傳感器主要分為兩大類：應(yīng)變式電阻傳感器主要分為兩大類：金屬應(yīng)變式金屬應(yīng)變式和和半導(dǎo)體應(yīng)變式半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器。金屬應(yīng)變式電阻傳感器又分為傳感器。金屬應(yīng)變式電阻傳感器又分為絲式絲式和和箔式箔式兩種。兩種。 應(yīng)變式電阻傳感器是目前測量力、力矩、應(yīng)變式電阻傳感器是目前測量力、力矩、 壓力、加速度、重量壓力、加速度、重量等參數(shù)等參數(shù)應(yīng)用最廣泛的傳感器應(yīng)用最廣泛的傳感器。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章相關(guān)概念 內(nèi)力內(nèi)力：是系統(tǒng)內(nèi)的相互作用力。如光滑水平

3、面上：是系統(tǒng)內(nèi)的相互作用力。如光滑水平面上兩物體中間放一壓縮彈簧，釋放后彈簧對兩物體兩物體中間放一壓縮彈簧，釋放后彈簧對兩物體的作用力，是這兩物體組成的系統(tǒng)的內(nèi)力；的作用力，是這兩物體組成的系統(tǒng)的內(nèi)力；太陽太陽系系內(nèi)各星體間的相互作用力是太陽系這個(gè)系統(tǒng)中內(nèi)各星體間的相互作用力是太陽系這個(gè)系統(tǒng)中內(nèi)力。內(nèi)力。 內(nèi)力就是物體在受到外界因素作用下，如外力，內(nèi)力就是物體在受到外界因素作用下，如外力，溫度改變，使物體內(nèi)部各部分或質(zhì)點(diǎn)的初始狀態(tài)溫度改變，使物體內(nèi)部各部分或質(zhì)點(diǎn)的初始狀態(tài)發(fā)生了變化，物體內(nèi)部各相鄰部分或質(zhì)點(diǎn)就產(chǎn)生發(fā)生了變化，物體內(nèi)部各相鄰部分或質(zhì)點(diǎn)就產(chǎn)生了相互作用力，了相互作用力，以抵抗這種外

4、因的作用，并力圖以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置回復(fù)到變形前的位置，使物體從變形后的位置回復(fù)到變形前的位置，這這個(gè)力就是內(nèi)力。個(gè)力就是內(nèi)力。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章 應(yīng)力應(yīng)力：定義為：定義為“單位面積上所承受的附加單位面積上所承受的附加內(nèi)力內(nèi)力”。公式記為。公式記為=Fj/Ai 其中，其中，表示應(yīng)力；表示應(yīng)力；Fj 表示在表示在j 方向的施力；方向的施力；Ai 表示在表示在i 方向的受力面積。方向的受力面積。 因?yàn)槊娣e與力都是因?yàn)槊娣e與力都是矢量矢量，如果受力面積與，如果受力面積與施力方向平行則稱施力方向平行則稱正應(yīng)力正應(yīng)力，如圖所示的，如圖所示的x 與與

5、y；如果受力面積與施力方向互相正交；如果受力面積與施力方向互相正交則稱則稱剪應(yīng)力剪應(yīng)力(shear stress)，如圖所示的，如圖所示的xy 與與yx。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章）（12 ALR ）（22 2 dAALdALdLAdR 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章）（32 AdAdLdLRdR 42 222）（ rdrrrdrAdA ll+ dl2r2(r-dr)F圖圖2-1 金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)金屬絲的應(yīng)變效應(yīng) 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章金金屬屬的的徑徑向向應(yīng)應(yīng)變變金金屬屬的的軸軸向向應(yīng)應(yīng)變變令令yxrdrLdL 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理

6、與應(yīng)用第二章第二章）（或或）（72 2162 21 xxxd)(RdRd)(RdR 將式（將式（2-42-4）、（）、（2-52-5）代入（）代入（2-32-3）式得：）式得：）（令令82 21 xxSd)(RdRK 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章）（，或92 RdRK KRdRxSxS 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章2.1.3 2.1.3 基片基片覆蓋層覆蓋層金屬絲金屬絲引線引線 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章常用應(yīng)變片的形式常用應(yīng)變片的形式 傳感器原理與應(yīng)用

7、傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章金屬應(yīng)變片金屬應(yīng)變片 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章 ）（102 21 x)RR 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章）（112 xllE ）（122 21 xl)ERR 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章）（142 ERRKlxB 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章金屬應(yīng)變絲的電阻相對變化與它所感受的應(yīng)變之間具金屬應(yīng)變絲的電阻相對變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)K KS S表示。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)表示。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻變片后，其電阻應(yīng)變特性與應(yīng)變特性與金屬單絲金屬單絲情況不

8、同。因情況不同。因此，須用實(shí)驗(yàn)方法對應(yīng)變片的電阻此，須用實(shí)驗(yàn)方法對應(yīng)變片的電阻應(yīng)變特性重新測應(yīng)變特性重新測定。實(shí)驗(yàn)表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對變化與應(yīng)變定。實(shí)驗(yàn)表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對變化與應(yīng)變 在在很寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系。很寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。 測量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)測量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的恒小于線材的靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)KS。原因主要是膠層傳遞變形失真及橫向效。原因主要是膠層傳遞變形失真及橫向效應(yīng)。應(yīng)。 KRR ）（或或142 RRK 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)

9、用第二章第二章金屬絲式應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，金屬絲式應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測量應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件的軸向應(yīng)變測量應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件的軸向應(yīng)變 使敏感柵電阻發(fā)生變化，使敏感柵電阻發(fā)生變化，而其橫向應(yīng)變而其橫向應(yīng)變 r r也使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。也使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。 應(yīng)變片的這種既受軸應(yīng)變片的這種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為阻變化的現(xiàn)象稱為。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章當(dāng)當(dāng)r=0時(shí)，可得時(shí)，可得 RRKx ryRRK rnnlrnKKHxy 121 當(dāng)當(dāng)=0時(shí)，可得

10、時(shí)，可得：橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)之比值，稱為橫向效應(yīng)橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)之比值，稱為橫向效應(yīng)系數(shù)系數(shù)H。即：。即：可見，可見，r愈小、愈小、l愈大，則愈大，則H愈小。即敏感柵越窄、基長越愈小。即敏感柵越窄、基長越長的應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)引起的誤差越小。長的應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)引起的誤差越小。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特性與卸載特性不重合，即為性與卸載特性不重合，即為。機(jī)械應(yīng)變機(jī)械應(yīng)變 R R卸載卸載加載加載指指示示應(yīng)應(yīng)變變 i i 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章 機(jī)

11、械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載機(jī)械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時(shí)的機(jī)械應(yīng)變愈大，卸載時(shí)的滯后也愈大。所以，通常時(shí)的機(jī)械應(yīng)變愈大，卸載時(shí)的滯后也愈大。所以，通常在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機(jī)在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機(jī)械滯后所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。械滯后所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。 產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后的殘余變形，使產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后的殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時(shí)，敏感柵受到的不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘辰Y(jié)劑固化不充片時(shí)，敏感柵受到的不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘辰Y(jié)劑固化

12、不充分等。分等。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章對于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時(shí)，不承受應(yīng)變時(shí)，對于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時(shí)，不承受應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的。產(chǎn)生的原因產(chǎn)生的原因：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。 如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性稱為其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性稱為。一般蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)

13、變量的方向相反。的方向與原應(yīng)變量的方向相反。由于膠層之間發(fā)生由于膠層之間發(fā)生“滑動(dòng)滑動(dòng)”，使力傳到，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對測試值的真實(shí)應(yīng)在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對測試值的真實(shí)應(yīng)變的相對誤變的相對誤差不超過規(guī)定范圍差不超過規(guī)定范圍（一般為（一般為10%）時(shí)的）時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變值。最大真實(shí)應(yīng)變值。真實(shí)應(yīng)變是由于工真實(shí)應(yīng)變是由于工作溫度變化或承受作溫度變化或承受機(jī)械載荷，在被測機(jī)械載荷，在被測試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)所引起的表面應(yīng)變。所引起的表面應(yīng)變。j真實(shí)應(yīng)變真實(shí)應(yīng)變 g

14、g指示應(yīng)變指示應(yīng)變 i i100%l90% 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章0 0tlxtx設(shè)一頻率為設(shè)一頻率為 f 的正弦應(yīng)變波在構(gòu)件中以速度的正弦應(yīng)變波在構(gòu)件中以速度 v 沿應(yīng)變沿應(yīng)變片柵長方向傳播，在某一瞬時(shí)片柵長方向傳播，在某一瞬時(shí) t，應(yīng)變量沿構(gòu)件分布，應(yīng)變量沿構(gòu)件分布如圖所示。如圖所示。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章 ）（172200 xsintsinxttx2sin0應(yīng)變片中點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)閼?yīng)變片中點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)?傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章llxxdxltxxmltltsin2sin2sin1002

15、2平均應(yīng)變平均應(yīng)變m與中點(diǎn)應(yīng)變與中點(diǎn)應(yīng)變t相對誤差相對誤差 為：為：）（18211 llsintmtmt 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章可見，相對誤差可見，相對誤差的大小只決定于的大小只決定于l/的比值，下表給出的比值，下表給出了了l/為為1/10和和1/20時(shí)時(shí)的數(shù)值：的數(shù)值：可見，應(yīng)變片柵長與正弦應(yīng)變波的波長之比愈小，可見，應(yīng)變片柵長與正弦應(yīng)變波的波長之比愈小，相對誤差相對誤差愈小。愈小。若已知應(yīng)變波在某材料內(nèi)傳播速度若已知應(yīng)變波在某材料內(nèi)傳播速度v，在選定在選定l l/ / 后后，由式由式f=v/，可計(jì)算出柵長為可計(jì)算出柵長為l的應(yīng)變片粘貼在某種材的應(yīng)變片粘貼在某種材料上的

16、可測動(dòng)態(tài)應(yīng)變最高頻率。料上的可測動(dòng)態(tài)應(yīng)變最高頻率。誤差誤差的計(jì)算結(jié)果的計(jì)算結(jié)果 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章 用作測量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變用作測量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變變化，而不受其它因素的影響。實(shí)際上應(yīng)變片的阻值變化，而不受其它因素的影響。實(shí)際上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度受環(huán)境溫度( (包括被測試件的溫度包括被測試件的溫度) )影響很大。由于環(huán)境影響很大。由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，從而產(chǎn)生很大的測量誤差，化幾乎有相同的數(shù)量級，從而產(chǎn)生很大的測量誤差，稱為應(yīng)

17、變片的稱為應(yīng)變片的，又稱，又稱。2.32.3溫度特性溫度特性 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章 因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)主要因素：因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)主要因素：應(yīng)變片的電阻絲應(yīng)變片的電阻絲( (敏感柵敏感柵) )具有一定溫度系數(shù)；具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。 ）（192 1 tRRt 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章由于敏感柵材料和被測構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不由于敏感柵材料和被測構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)同，當(dāng)t 存在時(shí)，引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變，相應(yīng)的電存在時(shí)，引起應(yīng)變片的附加應(yīng)

18、變，相應(yīng)的電阻相對變化為阻相對變化為: :K應(yīng)變片靈敏系數(shù)應(yīng)變片靈敏系數(shù); ; e試件試件材料線膨脹系數(shù)；材料線膨脹系數(shù)；g敏感柵敏感柵材料線膨脹系數(shù)。材料線膨脹系數(shù)。 ）（202 2 tKRRge 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章溫度變化溫度變化 t t形成的總電阻相對變化：形成的總電阻相對變化：）（212 21tKtRRRRRRgett ttKKRRgettt 相應(yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)橄鄳?yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)? :可見，應(yīng)變片熱輸出的大小不僅與應(yīng)變計(jì)敏感柵材料可見，應(yīng)變片熱輸出的大小不僅與應(yīng)變計(jì)敏感柵材料的性能的性能( (t,g) )有關(guān)，而且與被測試件材料的線膨脹系數(shù)有關(guān)，而且與被測試件材料

19、的線膨脹系數(shù)( (e) )有關(guān)。有關(guān)。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章由由( (2-21) )式知，若使應(yīng)變片在溫度變化式知，若使應(yīng)變片在溫度變化t時(shí)的熱輸出值時(shí)的熱輸出值為零，必須使為零，必須使0getK）（222 K egt 單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造和使用單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造和使用都比較方便，但它必須在具有一定線膨脹系數(shù)材料的都比較方便，但它必須在具有一定線膨脹系數(shù)材料的試件上使用，否則不能達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。試件上使用，否則不能達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章(Ra) t= (Rb) t焊點(diǎn)焊點(diǎn)RaRb

20、傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章 測量應(yīng)變時(shí)，使用兩個(gè)應(yīng)變片，一片貼在被測試件測量應(yīng)變時(shí)，使用兩個(gè)應(yīng)變片，一片貼在被測試件的表面的表面, ,稱為工作應(yīng)變片稱為工作應(yīng)變片R1 。另一片貼在與被測試件材。另一片貼在與被測試件材料相同的補(bǔ)償塊上，稱為補(bǔ)償應(yīng)變片料相同的補(bǔ)償塊上，稱為補(bǔ)償應(yīng)變片R2。在工作過程中。在工作過程中補(bǔ)償塊不承受應(yīng)變，僅隨溫度發(fā)生變形。補(bǔ)償塊不承受應(yīng)變，僅隨溫度發(fā)生變形。補(bǔ)償應(yīng)變片粘貼示意圖補(bǔ)償應(yīng)變片粘貼示意圖R1R2補(bǔ)償塊補(bǔ)償塊試件試件 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章把把R1與與R2接入電橋相鄰臂上，接入電橋相鄰臂上，當(dāng)被測試件不承受應(yīng)變時(shí)，當(dāng)被測試

21、件不承受應(yīng)變時(shí)，R1和和R2處于同一溫度場，調(diào)整電處于同一溫度場，調(diào)整電橋參數(shù)，可使電橋輸出電壓為橋參數(shù)，可使電橋輸出電壓為零，即：零，即： 032410 RRRRAU 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章 選擇選擇R1=R2=R及及R3=R4=r。 當(dāng)溫度升高或降低當(dāng)溫度升高或降低t 時(shí)，若時(shí)，若R1t=R2t，即兩個(gè)應(yīng)變，即兩個(gè)應(yīng)變片的熱輸出相等，則電橋的輸出電壓為：片的熱輸出相等，則電橋的輸出電壓為： 02121213224110 ttttttttRRArRrRrRrRrArRRrRRARRRRRRAU 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章 若被測試件受應(yīng)變作用時(shí)，工作片

22、若被測試件受應(yīng)變作用時(shí)，工作片R1感受應(yīng)變，阻感受應(yīng)變，阻值變化值變化R1 ；補(bǔ)償片；補(bǔ)償片R2不承受應(yīng)變，阻值不變。此時(shí)電不承受應(yīng)變，阻值不變。此時(shí)電橋輸出電壓為橋輸出電壓為 ArRKRArRRRRRRRAUtt 132241110 由上式可知，電橋輸出電壓由上式可知，電橋輸出電壓U0只與應(yīng)變只與應(yīng)變有關(guān)，與溫有關(guān)，與溫度無關(guān)。度無關(guān)。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章電橋補(bǔ)償法要達(dá)到全補(bǔ)償，需滿足下列三個(gè)條件：電橋補(bǔ)償法要達(dá)到全補(bǔ)償，需滿足下列三個(gè)條件： R1和和R2須屬于同一批號的，即它們的電阻溫度須屬于同一批號的，即它們的電阻溫度系數(shù)系數(shù)、線膨脹系數(shù)、線膨脹系數(shù) 、應(yīng)變靈敏

23、系數(shù)、應(yīng)變靈敏系數(shù)K都相同，兩片都相同，兩片的初始電阻值也要求相同；的初始電阻值也要求相同； 用于粘貼補(bǔ)償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件二用于粘貼補(bǔ)償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件二者材料必須相同，即要求兩者線膨脹系數(shù)相等；者材料必須相同，即要求兩者線膨脹系數(shù)相等； 兩應(yīng)變片處于同一溫度環(huán)境中。兩應(yīng)變片處于同一溫度環(huán)境中。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章 此方法簡單易行，能在較大溫度范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償。此方法簡單易行，能在較大溫度范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償。缺點(diǎn)是條件不易滿足，尤其是條件。在某些測試條缺點(diǎn)是條件不易滿足，尤其是條件。在某些測試條件下，溫度場梯度較大，件下，溫度場梯度較大，R1和和R2很難

24、處于相同溫度點(diǎn)。很難處于相同溫度點(diǎn)。 根據(jù)被測試件承受應(yīng)變的情況，可以不另加專門的根據(jù)被測試件承受應(yīng)變的情況，可以不另加專門的補(bǔ)償塊，而是將補(bǔ)償片貼在被測試件上，這樣既能起到補(bǔ)償塊，而是將補(bǔ)償片貼在被測試件上，這樣既能起到溫度補(bǔ)償作用，又能提高輸出的靈敏度。溫度補(bǔ)償作用，又能提高輸出的靈敏度。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章熱敏電阻熱敏電阻Rt與應(yīng)變片處在相同的溫度下，當(dāng)應(yīng)與應(yīng)變片處在相同的溫度下，當(dāng)應(yīng)變片的靈敏度隨溫度升變片的靈敏度隨溫度升高而下降時(shí)，熱敏電阻高而下降時(shí)，熱敏電阻Rt的阻值下降，使電橋的阻值下降，使電橋的輸入電壓增加，從而的輸入電壓增加，從而提高了電橋的輸出電壓

25、。提高了電橋的輸出電壓。選擇分流電阻選擇分流電阻R的值，的值，可以使應(yīng)變片靈敏度下可以使應(yīng)變片靈敏度下降對電橋輸出的影響得到很好的補(bǔ)償。降對電橋輸出的影響得到很好的補(bǔ)償。4.4.熱敏電阻補(bǔ)償法熱敏電阻補(bǔ)償法 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章）（2424332110 RRRRRREU 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章ERRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRREU)1)(1 ()()()(3412113411 432114143211413241433211110 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章 272 U101120）（

26、RRnnEU）（282 12110nnERRUSV 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章0)1(1042 nnnSV 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章）（29221114111110 RRRREU）（30241110 RREU）（31241 ESV 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章（1 1）非線性誤差）非線性誤差 實(shí)際的非線性特性曲線與理想的線性特性曲線的實(shí)際的非線性特性曲線與理想的線性特性曲線的偏差稱為偏差稱為；絕 對 非 線 性 誤 差 與 理 想 的 線 性 特 性 曲 線絕 對 非 線 性 誤 差 與 理 想 的 線 性 特 性 曲 線的比稱為的比稱為，

27、用，用r 表示。表示。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章121111121112121211341211343412111134000001111111111)1)(1 ()()1 ()()(1)(1RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRERRRRUUUUUr 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章）（3324332211110 RRRRRRRRREU）（34221110 RREU432121RRRRRR， 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章110

28、RREU 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章）（36243213241433211 ZZZZZZZZZZZZZZUUSRSC）（或，372213241 ZZZZ ZZZZ43 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章）（4124111 ZZUUSRSC）（4222111 ZZUUSRSC）（43211 ZZUUSRSC 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章（a） （b） （c）WR2R3R4R1W2R2R3R4R1W1WR2R1R3R4 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章

29、 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章I = I + I 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章IRRRRRRRRRIRIU4321324132110IRRRRRRIIRRRRRRI43212124321431解該方程組得解該方程組得: :輸出電壓為輸出電壓為: : 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章）（4424114140 RRRIIRRRRU）（4524100 URIU 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章）（46244144100 RRRRRRRRRUUrI使用恒流源的非線性誤差為：使用恒流源的非線性誤差為： RRRRRRRRrE22112112111若采

30、用恒壓源，非線性誤差為：若采用恒壓源，非線性誤差為： 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章2.5 2.5 固態(tài)壓阻式傳感器固態(tài)壓阻式傳感器 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章xllE由（由（2-112-11）式）式）（472 E/xl壓阻系數(shù)為壓阻系數(shù)為: : 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章影響壓阻系數(shù)因素：擴(kuò)散電阻的表面雜質(zhì)濃度和溫度。影響壓阻系數(shù)因素：擴(kuò)散電阻的表面雜質(zhì)濃度和溫度。擴(kuò)散雜質(zhì)擴(kuò)散雜質(zhì)濃度濃度N NS S增加時(shí)，增加時(shí)，壓阻系數(shù)就會減壓阻系數(shù)就會減小。壓阻系數(shù)與小。壓阻系數(shù)與擴(kuò)散電阻表面雜擴(kuò)散電阻表面雜質(zhì)濃度質(zhì)濃度NS的關(guān)系的關(guān)系如圖。如圖。2.

31、 2. 影響壓阻系數(shù)的因素影響壓阻系數(shù)的因素 120140100806040201018101910201021表面雜質(zhì)濃度表面雜質(zhì)濃度N NS S (cm (cm-3-3) )P型Si(l)N型Si(-l) l(10-11m2/N)T=24壓阻系數(shù)與表面雜質(zhì)濃度壓阻系數(shù)與表面雜質(zhì)濃度N NS S的關(guān)系的關(guān)系 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章1N-Si1N-Si膜片膜片 2P-Si2P-Si導(dǎo)電層導(dǎo)電層 33粘貼劑粘貼劑 44硅底座硅底座 55引壓管引壓管 6Si 6Si 保護(hù)膜保護(hù)膜 77引線引線 2.5.3 2.5.3 固態(tài)壓阻器件固態(tài)壓阻器件 利用固體擴(kuò)散技術(shù)，將利用固體擴(kuò)散

32、技術(shù)，將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到一片型雜質(zhì)擴(kuò)散到一片N N型硅型硅底層上，形成一層極薄的導(dǎo)電底層上，形成一層極薄的導(dǎo)電P型層，再裝上引線接點(diǎn)。型層，再裝上引線接點(diǎn)。若在圓形硅膜片上擴(kuò)散出四個(gè)若在圓形硅膜片上擴(kuò)散出四個(gè)P型電阻，構(gòu)成惠斯登電型電阻，構(gòu)成惠斯登電橋的四個(gè)臂，這樣的敏感器件通常稱為固態(tài)壓阻器件。橋的四個(gè)臂，這樣的敏感器件通常稱為固態(tài)壓阻器件。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章(a)(a)實(shí)心圓柱實(shí)心圓柱(b)(b)空心圓柱空心圓柱 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章ESFll楊氏模量楊氏模量面積面積）（482 ESF）（492 ESFkkRRESkkZ）（502 FkRR

33、z 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章R6R7R8R2R3R4R5R1UIR1R3R5R7R6R8R2R4 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章例例2-2 2-2 梁式力傳感器梁式力傳感器 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章(1) (1) 等強(qiáng)度梁等強(qiáng)度梁一端固定，一端自由，厚度一端固定，一端自由，厚度為為h, ,長度長度l，固定端寬度，固定端寬度為為b0,力力F 作用在三角形頂點(diǎn)。其作用在三角形頂點(diǎn)。其表面應(yīng)變?yōu)楸砻鎽?yīng)變?yōu)?：）（512620 EhbFlE4 4只應(yīng)變片只應(yīng)變片此位置上下兩側(cè)分別粘有此位置上下兩側(cè)分別粘有4 4只應(yīng)只應(yīng)變片，變片，R1、R4同側(cè)；同

34、側(cè)；R3 、R2同同側(cè)，這兩側(cè)的應(yīng)變方向剛好相側(cè)，這兩側(cè)的應(yīng)變方向剛好相反，且大小相等，可構(gòu)成全差反，且大小相等，可構(gòu)成全差動(dòng)電橋。動(dòng)電橋。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章RRlKEhbFEhbFlKKRRSSS662020EURR0由于是全差動(dòng)電橋，應(yīng)有：由于是全差動(dòng)電橋，應(yīng)有：EUlKhEbFS0206所以：所以：供橋電壓供橋電壓輸出電壓輸出電壓 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章(2) (2) 等截面梁等截面梁4 4只應(yīng)變片只應(yīng)變片）（522242 EbhFl一端固定，一端自由，厚度一端固定，一端自由，厚度為為h, ,寬度寬度為為b, ,懸臂外端到應(yīng)懸臂外端到應(yīng)變

35、片中心的距離變片中心的距離l。其應(yīng)。其應(yīng)變?yōu)樽優(yōu)?： 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章4 4只應(yīng)變片只應(yīng)變片(3) (3) 固定梁固定梁）（53232 EbhFl 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章懸臂梁是一端固定、一端自由的彈性敏感元件。它的懸臂梁是一端固定、一端自由的彈性敏感元件。它的特點(diǎn)是靈敏度比較高。所以多用于較小力的測量。例特點(diǎn)是靈敏度比較高。所以多用于較小力的測量。例如，民用電子稱中就多采用懸臂梁。當(dāng)力如，民用電子稱中就多采用懸臂梁。當(dāng)力F（例如蘋（例如蘋果的重力）以垂直方向作用于電子秤中的鋁質(zhì)懸臂梁果的重力）以垂直方向作用于電子秤中的鋁質(zhì)懸臂梁的末端時(shí)，梁的

36、上表面產(chǎn)生拉應(yīng)變，下表面產(chǎn)生壓應(yīng)的末端時(shí)，梁的上表面產(chǎn)生拉應(yīng)變，下表面產(chǎn)生壓應(yīng)變，上下表面的應(yīng)變大小相等符號相反。粘貼在上下變，上下表面的應(yīng)變大小相等符號相反。粘貼在上下表面的應(yīng)變片也隨之拉伸和縮短。得到正負(fù)相間的電表面的應(yīng)變片也隨之拉伸和縮短。得到正負(fù)相間的電阻值的變化，接入橋路后，就能產(chǎn)生輸出電壓。阻值的變化，接入橋路后，就能產(chǎn)生輸出電壓。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章R4R3R2R1F 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章 EbhadFKUU KRRUU）（552232）（542232 EbhadF 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第二章第二章薄壁筒上貼有兩片工作應(yīng)變片，實(shí)薄壁筒上貼有兩片工作應(yīng)變片，實(shí)心部分貼有兩片溫度