傳感器2章應(yīng)變片

1、20141第第2章章 電阻式傳感器電阻式傳感器 電阻式傳感器就是利用一定的方式將被測量的電阻式傳感器就是利用一定的方式將被測量的變化轉(zhuǎn)化為敏感元件電阻值的變化，進(jìn)而通過電路變化轉(zhuǎn)化為敏感元件電阻值的變化，進(jìn)而通過電路變成電壓或電流信號輸出的一類傳感器?？捎糜诟髯兂呻妷夯螂娏餍盘栞敵龅囊活悅鞲衅?。可用于各種機(jī)械量和熱工量的檢測，種機(jī)械量和熱工量的檢測，如：力、位移、速度、如：力、位移、速度、加速度、力矩、重量等，加速度、力矩、重量等，它結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，它結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，成本低廉，因此，在許多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用成本低廉，因此，在許多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。 目前，常用的電阻傳感器主要有電位器、

2、目前，常用的電阻傳感器主要有電位器、電阻應(yīng)電阻應(yīng)變片變片、熱電阻、光敏電阻、氣敏電阻和濕敏電阻等、熱電阻、光敏電阻、氣敏電阻和濕敏電阻等幾大類。幾大類。 201422.1 電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片是利用電阻應(yīng)變效應(yīng)原理制成的、應(yīng)用最為廣泛的電阻式傳感器電阻應(yīng)變片是利用電阻應(yīng)變效應(yīng)原理制成的、應(yīng)用最為廣泛的電阻式傳感器，主主要用于機(jī)械量的檢測中，如力、壓力要用于機(jī)械量的檢測中，如力、壓力、速度、位移、重量、速度、位移、重量等物理量的檢測。等物理量的檢測。2.1.1 電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng) 金屬金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，它的電阻值也相應(yīng)地發(fā)生導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作

3、用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，它的電阻值也相應(yīng)地發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。變化，這一物理現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。2.1.1.1 電阻的應(yīng)變靈敏度系數(shù)電阻的應(yīng)變靈敏度系數(shù) 根據(jù)電阻的定義式根據(jù)電阻的定義式 ；當(dāng)有變化量；當(dāng)有變化量、l l、A A時(shí)，其相對變化率為：時(shí)，其相對變化率為： AlRAAllRRll為軸向應(yīng)變?yōu)檩S向應(yīng)變A=AA=A-A=-A=（d-d-d d）2 2-d-d2 2/4=2/4=2d/d (d/d (略去高階無窮?。?。再引進(jìn)力學(xué)中的泊略去高階無窮小）。再引進(jìn)力學(xué)中的泊松比松比 ；故故 ；最后；最后得：得： ； 2KsllllllRR)/21 ()21 (對于直徑為對于直

4、徑為d d的圓柱形截面的電阻絲，因?yàn)榈膱A柱形截面的電阻絲，因?yàn)锳=dA=d2 2/4/4；故：；故：ll /KsKs：應(yīng)變靈敏系數(shù)。其中：（：應(yīng)變靈敏系數(shù)。其中：（1+21+2）是由幾何尺寸改變引起的，金屬導(dǎo)體以此為主；）是由幾何尺寸改變引起的，金屬導(dǎo)體以此為主； 是由材料的電阻率隨應(yīng)變所引起的變化，半導(dǎo)體材料以此為主是由材料的電阻率隨應(yīng)變所引起的變化，半導(dǎo)體材料以此為主，尺寸改變尺寸改變小小。半導(dǎo)體應(yīng)變片由壓阻效應(yīng)原理做成，某一軸向受外力作用電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。半導(dǎo)體應(yīng)變片由壓阻效應(yīng)原理做成，某一軸向受外力作用電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。20143用應(yīng)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，是把應(yīng)變片粘貼于被測對

5、象上的。在外力作用用應(yīng)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，是把應(yīng)變片粘貼于被測對象上的。在外力作用下，被測對象表面產(chǎn)生微小的機(jī)械變形，應(yīng)變片隨其發(fā)生相同變化，同時(shí)應(yīng)變片下，被測對象表面產(chǎn)生微小的機(jī)械變形，應(yīng)變片隨其發(fā)生相同變化，同時(shí)應(yīng)變片電阻也發(fā)生相應(yīng)的變化。如果能測得應(yīng)變片電阻值的變化，則據(jù)電阻也發(fā)生相應(yīng)的變化。如果能測得應(yīng)變片電阻值的變化，則據(jù) 可可以得到被測對象的應(yīng)變值以得到被測對象的應(yīng)變值 ，再根據(jù)應(yīng)力，再根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，可得試件的應(yīng)力。應(yīng)變關(guān)系，可得試件的應(yīng)力。 式中：式中： 為試件的應(yīng)力；為試件的應(yīng)力； 為試件的應(yīng)變；為試件的應(yīng)變；E 為試件材料的彈性模量（為試件材料的彈性模量（ ）。）。 電

6、阻應(yīng)變片的種類繁多，形式多樣，但其電阻應(yīng)變片的種類繁多，形式多樣，但其基本結(jié)構(gòu)大體相同?，F(xiàn)以金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)基本結(jié)構(gòu)大體相同?，F(xiàn)以金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)為例說明。如下圖所示，圖中電阻絲繞成構(gòu)為例說明。如下圖所示，圖中電阻絲繞成S形形狀的敏感柵，敏感柵為應(yīng)變片的敏感元件，直狀的敏感柵，敏感柵為應(yīng)變片的敏感元件，直徑一般為徑一般為0.0l 0.05mm的電阻絲平行排列而成，的電阻絲平行排列而成，作用是感受應(yīng)變的變化或大小。敏感柵粘貼在作用是感受應(yīng)變的變化或大小。敏感柵粘貼在基片（基底）上，基片具有固定敏感柵和絕緣基片（基底）上，基片具有固定敏感柵和絕緣作用，很薄，一般為作用，很薄，一般為0.030

7、.06mm。敏感柵上。敏感柵上面有覆蓋層，而且敏感柵電阻絲兩端接有引出面有覆蓋層，而且敏感柵電阻絲兩端接有引出線用以和外接導(dǎo)線相連。線用以和外接導(dǎo)線相連。 E2mmkgKsRdR2.1.2應(yīng)變片的測試原理應(yīng)變片的測試原理2.1.3應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)201442.1.3應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)20145 如圖如圖2.1.1a所示，它是將金屬絲按圖示形狀彎曲后用粘合劑貼在襯底上而成，基所示，它是將金屬絲按圖示形狀彎曲后用粘合劑貼在襯底上而成，基底可分為紙基，膠基和紙浸膠基等。電阻絲兩端焊有引出線，使用時(shí)只要將應(yīng)變片底可分為紙基，膠基和紙浸膠基等。電阻絲兩端焊有引出線，使用時(shí)只

8、要將應(yīng)變片貼于彈性體上就可構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。它結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低，強(qiáng)度高，但允許通過貼于彈性體上就可構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。它結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低，強(qiáng)度高，但允許通過的電流較小，測量精度較低，適用于測量要求不很高的場合使用。的電流較小，測量精度較低，適用于測量要求不很高的場合使用。a ) 絲 式b ) 箔 式圖 2 . 1 . 1 金 屬 電 阻 應(yīng) 變 片 結(jié) 構(gòu)112233圖 2 . 1 . 2 體 型 半 導(dǎo) 體 應(yīng) 變 片2.1.4 電阻應(yīng)變片的類型電阻應(yīng)變片的類型 金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片2.1.4.1 金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片（絲式、箔式和薄膜式三種）（絲式

9、、箔式和薄膜式三種）20146 它是采用真空蒸鍍或?yàn)R射式陰它是采用真空蒸鍍或?yàn)R射式陰極擴(kuò)散等方法，在薄的基底材料極擴(kuò)散等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以上制成一層金屬電阻材料薄膜以形成應(yīng)變片。這種應(yīng)變片有較高形成應(yīng)變片。這種應(yīng)變片有較高的靈敏度系數(shù)，允許電流密度大，的靈敏度系數(shù)，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。工作溫度范圍較廣。 該類應(yīng)變片的敏感柵是通過光刻、腐蝕等工藝制成。箔柵厚度一般在該類應(yīng)變片的敏感柵是通過光刻、腐蝕等工藝制成。箔柵厚度一般在0.003-0.01mm之間，它結(jié)構(gòu)如圖之間，它結(jié)構(gòu)如圖2.1.1b所示。箔式應(yīng)變片與絲式應(yīng)變片比較其面積大，散所示。箔式應(yīng)變片與

10、絲式應(yīng)變片比較其面積大，散熱性好，允許通過較大的電流。由于它的厚度薄，因此具有較好的可繞性，靈敏度熱性好，允許通過較大的電流。由于它的厚度薄，因此具有較好的可繞性，靈敏度系數(shù)較高。箔式應(yīng)變片還可以根據(jù)需要制成任意形狀，適合批量生產(chǎn)。系數(shù)較高。箔式應(yīng)變片還可以根據(jù)需要制成任意形狀，適合批量生產(chǎn)。20147 1）體型半導(dǎo)體應(yīng)變片）體型半導(dǎo)體應(yīng)變片 這是一種將半導(dǎo)體材料硅或鍺晶體按一定方向切割成的片狀小條，經(jīng)腐蝕壓焊粘這是一種將半導(dǎo)體材料硅或鍺晶體按一定方向切割成的片狀小條，經(jīng)腐蝕壓焊粘貼在基片上而成的應(yīng)變片，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。貼在基片上而成的應(yīng)變片，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。 半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體材料

11、的半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件。而制成的一種純電阻性元件。 對一塊半導(dǎo)體材料的某一軸向施加一定的載荷而產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，它的電阻率會(huì)發(fā)生對一塊半導(dǎo)體材料的某一軸向施加一定的載荷而產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，它的電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片有以下幾種類型：變化，這種物理現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片有以下幾種類型：2.1.4.2 半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片20148 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 將將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到型雜質(zhì)擴(kuò)散到N型硅單晶基底上，形成一層極薄的型硅單晶基底上，形成一層極薄的P型導(dǎo)電層，再通過超聲波型導(dǎo)電層，

12、再通過超聲波和熱壓焊法接上引出線就形成了擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。圖和熱壓焊法接上引出線就形成了擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。圖2.1.4為擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變?yōu)閿U(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片示意圖。這是一種應(yīng)用很廣的半導(dǎo)體應(yīng)變片。片示意圖。這是一種應(yīng)用很廣的半導(dǎo)體應(yīng)變片。 2）薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片）薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片 這種應(yīng)變片是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣層的試件上而制成，這種應(yīng)變片是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣層的試件上而制成，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2.1.3。1234圖2.1.3 薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片1鍺膜 2-絕緣層3金屬箔基底 4-引線21345圖2.1.4 擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片1

13、-N型硅 2-P型硅擴(kuò)散層3-二氧化硅絕緣層 4鋁電極 5-引線1234圖2.1.3 薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片1鍺膜 2-絕緣層3金屬箔基底 4-引線21345圖2.1.4 擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片1-N型硅 2-P型硅擴(kuò)散層3-二氧化硅絕緣層 4鋁電極 5-引線20149I.I. 應(yīng)變片的檢查與選擇應(yīng)變片的檢查與選擇 觀察應(yīng)變片的敏感柵是否整齊、均勻，是否有銹斑、短路和觀察應(yīng)變片的敏感柵是否整齊、均勻，是否有銹斑、短路和折彎等現(xiàn)象；要對選用的應(yīng)變片的阻值進(jìn)行測量，阻值選取合適將對傳感器的平衡調(diào)折彎等現(xiàn)象；要對選用的應(yīng)變片的阻值進(jìn)行測量，阻值選取合適將對傳感器的平衡調(diào)整帶來方便。整帶來方便。 II.II.

14、試件的表面處理試件的表面處理 為了獲得良好的粘合強(qiáng)度，必須對試件表面進(jìn)行為了獲得良好的粘合強(qiáng)度，必須對試件表面進(jìn)行處理，清除試件表面雜質(zhì)、油污及疏松層等。一般的處理辦法可采用砂紙打磨，較好處理，清除試件表面雜質(zhì)、油污及疏松層等。一般的處理辦法可采用砂紙打磨，較好的處理方法是采用無油噴砂法，這樣不但能得到比拋光更大的表面積，而且可以獲得的處理方法是采用無油噴砂法，這樣不但能得到比拋光更大的表面積，而且可以獲得質(zhì)量均勻的結(jié)果。也可用化學(xué)請洗劑如氯化碳、丙酮、甲苯等進(jìn)行反復(fù)清洗，也可采質(zhì)量均勻的結(jié)果。也可用化學(xué)請洗劑如氯化碳、丙酮、甲苯等進(jìn)行反復(fù)清洗，也可采用超聲波清洗。值得注意的是，為避免氧化，應(yīng)

15、變片的粘貼盡快進(jìn)行。如果不立刻貼用超聲波清洗。值得注意的是，為避免氧化，應(yīng)變片的粘貼盡快進(jìn)行。如果不立刻貼片，可涂上一層凡士林暫作保護(hù)。片，可涂上一層凡士林暫作保護(hù)。III.III. 底層處理底層處理 為了保證應(yīng)變片能牢固地貼在拭件為了保證應(yīng)變片能牢固地貼在拭件上，并具有足夠的絕緣電阻，改善膠接性能，可在粘貼位置涂上一層底膠。上，并具有足夠的絕緣電阻，改善膠接性能，可在粘貼位置涂上一層底膠。 .貼片貼片 將應(yīng)變片底面用清潔劑清洗干凈，然后在拭件表面和應(yīng)變片底面各涂上一層薄而均勻?qū)?yīng)變片底面用清潔劑清洗干凈，然后在拭件表面和應(yīng)變片底面各涂上一層薄而均勻的粘合劑。待稍干后，將應(yīng)變片對準(zhǔn)劃線位置迅速

16、貼上，然后蓋一層玻璃紙，用手指的粘合劑。待稍干后，將應(yīng)變片對準(zhǔn)劃線位置迅速貼上，然后蓋一層玻璃紙，用手指或膠錕加壓，擠出氣泡及多余的膠水，保證膠層盡可能薄而均勻?；蚰z錕加壓，擠出氣泡及多余的膠水，保證膠層盡可能薄而均勻。.固化固化 粘合劑粘合劑的固化是否完全，直接影響到膠的物理機(jī)械性能。關(guān)鍵是要掌握好溫度、時(shí)間和循環(huán)的固化是否完全，直接影響到膠的物理機(jī)械性能。關(guān)鍵是要掌握好溫度、時(shí)間和循環(huán)周期。無論是自然干燥還是加熱固化都要嚴(yán)格按照工藝規(guī)范進(jìn)行。為了防止強(qiáng)度降低、周期。無論是自然干燥還是加熱固化都要嚴(yán)格按照工藝規(guī)范進(jìn)行。為了防止強(qiáng)度降低、絕緣破壞以及電化腐蝕，在固化后的應(yīng)變片上應(yīng)涂上防潮保護(hù)層

17、，防潮層一般可采用絕緣破壞以及電化腐蝕，在固化后的應(yīng)變片上應(yīng)涂上防潮保護(hù)層，防潮層一般可采用稀釋的粘合膠。稀釋的粘合膠。 .粘貼質(zhì)量檢查粘貼質(zhì)量檢查 首先是從外觀上檢查粘貼位置是否正確，粘合層首先是從外觀上檢查粘貼位置是否正確，粘合層是否有氣泡、漏粘、破損等。然后是測量應(yīng)變片敏感柵是否有斷路或短路現(xiàn)象以及測是否有氣泡、漏粘、破損等。然后是測量應(yīng)變片敏感柵是否有斷路或短路現(xiàn)象以及測量敏感柵的絕緣電阻。量敏感柵的絕緣電阻。.引線焊接與組橋連線引線焊接與組橋連線 檢查合格后既可焊接引出導(dǎo)線，引檢查合格后既可焊接引出導(dǎo)線，引線應(yīng)適當(dāng)加以固定。應(yīng)變片之間通過粗細(xì)合適的漆包線連接組成橋路。連接長度應(yīng)盡線應(yīng)

18、適當(dāng)加以固定。應(yīng)變片之間通過粗細(xì)合適的漆包線連接組成橋路。連接長度應(yīng)盡量一致，且不宜過多。量一致，且不宜過多。 2.2 2.2 應(yīng)變片的粘貼工藝步驟應(yīng)變片的粘貼工藝步驟201410應(yīng)變片是由軸向直線段（縱柵）和徑向圓弧段（橫柵）組成的，當(dāng)試件承受單向應(yīng)力時(shí)，其表應(yīng)變片是由軸向直線段（縱柵）和徑向圓弧段（橫柵）組成的，當(dāng)試件承受單向應(yīng)力時(shí)，其表面處于平面應(yīng)變狀態(tài)中，即軸向拉伸面處于平面應(yīng)變狀態(tài)中，即軸向拉伸 和徑向壓縮和徑向壓縮 ，如下圖所示。粘貼在試件表面上的，如下圖所示。粘貼在試件表面上的應(yīng)變片，其直線段（縱柵）和圓弧段（橫柵）分別敏感應(yīng)變片，其直線段（縱柵）和圓弧段（橫柵）分別敏感 , ，

19、從而引起總的電阻變化為：，從而引起總的電阻變化為： xyxyyyxxKKRRKLrnnlKx2) 1(2KLrnKy2) 1( (a)應(yīng)變片軸向受力應(yīng)變片軸向受力 (b)應(yīng)變片橫向效應(yīng)應(yīng)變片橫向效應(yīng) 令：令： 稱為稱為應(yīng)變片的橫向應(yīng)變片的橫向靈敏度（又叫雙向應(yīng)變靈敏系靈敏度（又叫雙向應(yīng)變靈敏系數(shù)比）數(shù)比），表明橫（徑）向應(yīng)變，表明橫（徑）向應(yīng)變對應(yīng)變片電阻相對變化的影響對應(yīng)變片電阻相對變化的影響程度，通常用實(shí)驗(yàn)法來測定。程度，通常用實(shí)驗(yàn)法來測定。 xyKKC 由上可見：由上可見：將直的金屬絲繞成應(yīng)變片敏感柵之后，雖然長度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，將直的金屬絲繞成應(yīng)變片敏感柵之后，雖然長度相同，但應(yīng)

20、變狀態(tài)不同，應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲小（即橫向應(yīng)變總是起著抵消縱向應(yīng)變的作應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲?。礄M向應(yīng)變總是起著抵消縱向應(yīng)變的作用），因此靈敏系數(shù)有所降低（即相對電阻變化量減?。朔N現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。用），因此靈敏系數(shù)有所降低（即相對電阻變化量減?。朔N現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。為了減小橫向效應(yīng)，常采用箔式電阻應(yīng)變片。電阻相對變化的理論計(jì)算如式為了減小橫向效應(yīng)，常采用箔式電阻應(yīng)變片。電阻相對變化的理論計(jì)算如式 橫向效應(yīng)大小常用的百分?jǐn)?shù)表示即橫向效應(yīng)大小常用的百分?jǐn)?shù)表示即 yyxxKKRR%100 xyKKC橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)2014112.3 2.3 電阻應(yīng)變片的溫度誤差

21、及其補(bǔ)償法電阻應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償法 實(shí)際在應(yīng)用時(shí)，環(huán)境（工作）溫度經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化，使應(yīng)變片工作條件實(shí)際在應(yīng)用時(shí)，環(huán)境（工作）溫度經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化，使應(yīng)變片工作條件改變，影響其輸出特性。這種單純由溫度變化引起的應(yīng)變片電阻值變化的改變，影響其輸出特性。這種單純由溫度變化引起的應(yīng)變片電阻值變化的現(xiàn)象，稱為現(xiàn)象，稱為溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)。設(shè)工作溫度變化為。設(shè)工作溫度變化為 ，則由此引起粘貼在試件上，則由此引起粘貼在試件上的應(yīng)變片電阻的相對變化為：的應(yīng)變片電阻的相對變化為：式中：式中： 為敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)；為敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)； 為試件的線膨脹系數(shù)；為試件的線膨脹系數(shù)； 為敏為敏感柵材料的

22、線膨脹系數(shù)；感柵材料的線膨脹系數(shù)； 應(yīng)變片因環(huán)境溫度變化而引起的附加電阻變化或附加輸出應(yīng)變由兩部分應(yīng)變片因環(huán)境溫度變化而引起的附加電阻變化或附加輸出應(yīng)變由兩部分組成。一部分為敏感柵電阻變化所造成的，大小為組成。一部分為敏感柵電阻變化所造成的，大小為 ；另一部分為；另一部分為敏感柵與試件熱膨脹不匹配所引起的，大小為敏感柵與試件熱膨脹不匹配所引起的，大小為 。一般情況。一般情況下，應(yīng)變片由溫度變化所引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾下，應(yīng)變片由溫度變化所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。乎有相同的數(shù)量級。在工作溫度變化較大時(shí)，這種誤差必須加以補(bǔ)償在工作溫度變化較大

23、時(shí)，這種誤差必須加以補(bǔ)償。 CttKtRRts)(stttKts2014122.3 2.3 電阻應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償法電阻應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償法 1.溫度自補(bǔ)償法溫度自補(bǔ)償法：也稱為應(yīng)變片自補(bǔ)償法，粘貼在被測對象上的是一種特殊的應(yīng)也稱為應(yīng)變片自補(bǔ)償法，粘貼在被測對象上的是一種特殊的應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?，這種特殊的應(yīng)變片稱為變片，當(dāng)溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?，這種特殊的應(yīng)變片稱為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。2.2.橋路補(bǔ)償法橋路補(bǔ)償法：也稱為補(bǔ)償片法，應(yīng)變片通常是作為平衡電橋的一個(gè)臂測量應(yīng)變：也稱為補(bǔ)償片法，應(yīng)變片通常是作為平衡電橋的一

24、個(gè)臂測量應(yīng)變的。如下圖所示。的。如下圖所示。 2.3.1應(yīng)變片溫度誤差補(bǔ)償方法（應(yīng)變片溫度誤差補(bǔ)償方法（3 3種）種） 橋路補(bǔ)償法橋路補(bǔ)償法 201413如右圖所示，如右圖所示， 為熱敏電阻且處在與應(yīng)變片相為熱敏電阻且處在與應(yīng)變片相同的溫度下，當(dāng)應(yīng)變片的靈敏度隨溫度升高而同的溫度下，當(dāng)應(yīng)變片的靈敏度隨溫度升高而下降時(shí)，下降時(shí)， 的阻值也下降，使輸入電壓隨溫度的阻值也下降，使輸入電壓隨溫度升高而增加，從而提高輸出升高而增加，從而提高輸出 來補(bǔ)償應(yīng)變片引來補(bǔ)償應(yīng)變片引起的輸出下降。選擇分流電阻起的輸出下降。選擇分流電阻 的值，就可以的值，就可以得到良好的補(bǔ)償。得到良好的補(bǔ)償。 3.熱敏電阻補(bǔ)償法熱

25、敏電阻補(bǔ)償法tRtR0U5R熱敏電阻補(bǔ)償法熱敏電阻補(bǔ)償法2.4 2.4 電阻應(yīng)變片的信號調(diào)節(jié)（測量）電路電阻應(yīng)變片的信號調(diào)節(jié)（測量）電路工程中，用于測量應(yīng)變變化而引起的電阻變化的電橋電路通常有直流電橋和交流電工程中，用于測量應(yīng)變變化而引起的電阻變化的電橋電路通常有直流電橋和交流電橋兩種。電橋電路的主要指標(biāo)是橋路靈敏度、非線性和負(fù)載特性。橋兩種。電橋電路的主要指標(biāo)是橋路靈敏度、非線性和負(fù)載特性。 2.4.1直流電橋的工作原理直流電橋的工作原理 直流電橋直流電橋1.電橋的平衡條件電橋的平衡條件 4321RRRR201414201415電橋處于不平衡狀態(tài)，輸出電壓為：電橋處于不平衡狀態(tài)，輸出電壓為：

26、3412111134432114143321111011RRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRREU令：橋臂比為令：橋臂比為 12RRn 1RR可忽略不記，于是上式可寫為可忽略不記，于是上式可寫為 ERRnnU1120)1 (電橋電壓靈敏度定義為：電橋電壓靈敏度定義為： EnnRRUKU2110)1 ( 從上式可知：從上式可知： （1 1）電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越高，電壓靈敏度越高，）電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越高，電壓靈敏度越高，但供電電壓的提高受到應(yīng)變片允許功耗和應(yīng)變電橋電阻的溫度誤差的限制，所以但供電電壓的提高受到應(yīng)變片允許功耗和應(yīng)變電橋電

27、阻的溫度誤差的限制，所以要作適當(dāng)選擇，一般取要作適當(dāng)選擇，一般取13V左右；左右；（2）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 的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比 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。（2）當(dāng)）當(dāng) 1 1時(shí)，時(shí)， 為最大值，即當(dāng)電源電壓和電阻相對變化一定時(shí)，電橋的輸出為最大值，即當(dāng)電源電壓和電阻相對變化一定時(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小無關(guān)。電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂電阻阻值大小無關(guān)。 nn4/EKUn2.電壓靈敏度電壓靈敏度 2014163.非線性誤差及其補(bǔ)償方法非線

28、性誤差及其補(bǔ)償方法 一般情況下，若應(yīng)變片承受的應(yīng)變較大時(shí)，分母中的一般情況下，若應(yīng)變片承受的應(yīng)變較大時(shí)，分母中的 就不能忽略，此時(shí)得到的刻就不能忽略，此時(shí)得到的刻度特性度特性 是非線性的。我們把實(shí)際的非線性特性曲線與理想的線性特性曲是非線性的。我們把實(shí)際的非線性特性曲線與理想的線性特性曲線的偏差稱之為絕對非線性誤差。線的偏差稱之為絕對非線性誤差。 R)(Rfu設(shè)理想情況下電橋輸出電壓為：設(shè)理想情況下電橋輸出電壓為： 1104 RREU實(shí)際情況下電橋輸出電壓為：實(shí)際情況下電橋輸出電壓為： nRRnRRnEU1111110非線性誤差為：非線性誤差為： 11110/001RRnRRUUU 常采用如下

29、圖所示差動(dòng)電橋。在試常采用如下圖所示差動(dòng)電橋。在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受拉件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變，接入電橋相鄰應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變，接入電橋相鄰橋臂，稱為半橋差動(dòng)電橋，如下圖橋臂，稱為半橋差動(dòng)電橋，如下圖 (a)所示；兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，所示；兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，接入電橋橋臂，稱為全橋差動(dòng)電橋，接入電橋橋臂，稱為全橋差動(dòng)電橋，如下圖如下圖 (b)所示。所示。(a)半橋電路半橋電路 (b)全橋電路全橋電路 4.4.減小和克服非線性誤差減小和克服非線性誤差201417半橋差動(dòng)電橋，該電橋輸出電壓為：半橋差動(dòng)電橋，該電橋輸出電壓為： 43322111

30、10RRRRRRRRREU若電橋初始是平衡的，在對稱情況下有若電橋初始是平衡的，在對稱情況下有 ， ， ， 21RR21RR 43RR 1102RREU半橋差動(dòng)電橋無非線性誤差，而且電壓靈敏度半橋差動(dòng)電橋無非線性誤差，而且電壓靈敏度 ，是單臂電橋工，是單臂電橋工作時(shí)的作時(shí)的2倍，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。倍，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。 211ERRUKOU全橋差動(dòng)電橋全橋差動(dòng)電橋，若電橋初始是平衡的，在對稱情況下有，若電橋初始是平衡的，在對稱情況下有， ， = ，則全橋差動(dòng)電橋輸出電壓為：，則全橋差動(dòng)電橋輸出電壓為： 4321RRRR21RR 43RR110RREU全橋差動(dòng)電橋沒有非線性誤差，而且

31、電壓靈敏度為單片工作時(shí)的全橋差動(dòng)電橋沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度為單片工作時(shí)的4 倍倍 ，同，同時(shí)具有溫度補(bǔ)償作用。時(shí)具有溫度補(bǔ)償作用。 EKU高內(nèi)阻的恒流源測量電橋電路高內(nèi)阻的恒流源測量電橋電路 如右圖所示。若電橋初始平衡，有如右圖所示。若電橋初始平衡，有 3241RRRR當(dāng)任一臂改當(dāng)任一臂改變時(shí)，有變時(shí)，有 RRRIIRRRRUO411414與恒壓源電路相比，分母中與恒壓源電路相比，分母中R被被4 4R 除，非除，非線性誤差減少了一倍。線性誤差減少了一倍。 高內(nèi)阻的恒流源電橋高內(nèi)阻的恒流源電橋2014182.5 應(yīng)變電阻傳感器的應(yīng)用應(yīng)變電阻傳感器的應(yīng)用 傳感器由彈性元件、應(yīng)變片和外殼所組成。彈性元件是傳感器的基礎(chǔ)，把被測量傳感器由彈性元件、應(yīng)變片和外殼所組成。彈性元件是傳感器的基礎(chǔ)，把被測量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變量的變化；彈性元件上的應(yīng)變片是傳感器的核心，它