電阻應(yīng)變應(yīng)變片式傳感器—傳感器

1、第四第四章章 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 制作人制作人: : 2016.03.18 2016.03.18第四第四章章 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片第一節(jié)第一節(jié)基本測(cè)量電路基本測(cè)量電路電橋電路電橋電路第二節(jié)第二節(jié)電阻應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用第三節(jié)第三節(jié)學(xué)學(xué) 習(xí)習(xí) 要要 求求1 1、掌握電阻應(yīng)變片的、掌握電阻應(yīng)變片的工作原理工作原理2 2、掌握電阻應(yīng)變式傳感器的掌握電阻應(yīng)變式傳感器的溫度補(bǔ)償、零溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)調(diào)整點(diǎn)調(diào)整的的方法方法3 3、熟悉不同種類熟悉不同種類電橋電橋檢測(cè)電路檢測(cè)電路的特點(diǎn)的特點(diǎn)4 4、熟悉電阻應(yīng)變式傳感器的典型熟悉電阻應(yīng)變式傳感器的

2、典型應(yīng)用應(yīng)用第一節(jié)第一節(jié) 電阻應(yīng)變電阻應(yīng)變片片1.1電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)1.2電阻應(yīng)變效應(yīng)（重點(diǎn)）電阻應(yīng)變效應(yīng)（重點(diǎn)）1.3應(yīng)變片分類應(yīng)變片分類1.4電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變片的選型（主要參數(shù)和選用方法）選型（主要參數(shù)和選用方法）1.5溫度誤差溫度誤差及其補(bǔ)償及其補(bǔ)償 電阻應(yīng)變式傳感器是將被測(cè)量的應(yīng)力電阻應(yīng)變式傳感器是將被測(cè)量的應(yīng)力（壓力、（壓力、 荷重、扭力等）通過所產(chǎn)生的金屬?gòu)椥孕巫冝D(zhuǎn)換成荷重、扭力等）通過所產(chǎn)生的金屬?gòu)椥孕巫冝D(zhuǎn)換成 電阻變化的檢測(cè)元電阻變化的檢測(cè)元件件。 它由電阻應(yīng)變片和測(cè)量線路兩部分組成它由電阻應(yīng)變片和測(cè)量線路兩部分組成。目目前應(yīng)用最廣泛的電阻應(yīng)變片有兩種前應(yīng)用

3、最廣泛的電阻應(yīng)變片有兩種：電阻絲應(yīng)變電阻絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。1.1 1.1 電阻應(yīng)變片的組成結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的組成結(jié)構(gòu)金屬電阻金屬電阻絲（敏感柵）絲（敏感柵）：轉(zhuǎn)換原件，由高電阻率的金屬絲制成：轉(zhuǎn)換原件，由高電阻率的金屬絲制成 直徑為直徑為0.010.010.05mm0.05mm，排列成柵網(wǎng)狀，面積一般，排列成柵網(wǎng)狀，面積一般3 310mm210mm2，阻值，阻值6060150150歐；歐；敏感柵常用下列材料制成：敏感柵常用下列材料制成：（1 1）康銅（銅鎳合金）：最常用；）康銅（銅鎳合金）：最常用；（2 2）鎳 鉻鎳 鉻 合 金合 金 ： 多多用于動(dòng)態(tài)；用于動(dòng)態(tài)；（3 3）

4、鎳鉻鋁合金：作中、高溫應(yīng)變片；）鎳鉻鋁合金：作中、高溫應(yīng)變片；（4 4）鎳鉻鐵合金：疲勞壽命要求高的應(yīng)變片；）鎳鉻鐵合金：疲勞壽命要求高的應(yīng)變片；（5 5）鉑及鉑合金：高溫動(dòng)態(tài)）鉑及鉑合金：高溫動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量應(yīng)變測(cè)量. .基基 底底：將被測(cè)構(gòu)件的應(yīng)變不失真的傳遞到敏感柵上的中間介質(zhì)將被測(cè)構(gòu)件的應(yīng)變不失真的傳遞到敏感柵上的中間介質(zhì), , 0.03 0.03 0.06mm0.06mm，絕緣要好、抗潮、耐熱、隨外界溫度變化的變形?。?，絕緣要好、抗潮、耐熱、隨外界溫度變化的變形?。桓采w層覆蓋層：粘貼在敏感柵上部的保護(hù)層；：粘貼在敏感柵上部的保護(hù)層；引出引出線線：與外電路連接的金屬導(dǎo)線：與外電路連接的金屬

5、導(dǎo)線, , 通常通常取直徑約取直徑約0.10.10.15mm0.15mm的低阻鍍錫銅線的低阻鍍錫銅線. .1.2應(yīng)變電阻效應(yīng)應(yīng)變電阻效應(yīng)（重點(diǎn)）（重點(diǎn)） 電阻絲的電阻隨著它所承受的機(jī)械變形電阻絲的電阻隨著它所承受的機(jī)械變形（伸長(zhǎng)伸長(zhǎng)或縮短）的大小發(fā)生變化或縮短）的大小發(fā)生變化的一種物理現(xiàn)象的一種物理現(xiàn)象稱為稱為金屬金屬的應(yīng)變電阻效應(yīng)的應(yīng)變電阻效應(yīng)。1.2.1 基本原理基本原理金屬絲金屬絲受拉時(shí)，受拉時(shí)，l 變長(zhǎng)、變長(zhǎng)、r （截面積截面積s）變變小，導(dǎo)致小，導(dǎo)致R變大變大llrrFF 設(shè)一根長(zhǎng)為設(shè)一根長(zhǎng)為l，截面積為，截面積為S，電阻系數(shù)為，電阻系數(shù)為的的電阻絲，其電阻值電阻絲，其電阻值R為：為

6、：lRSldlSdSd導(dǎo)線兩端受到力導(dǎo)線兩端受到力F作用時(shí)作用時(shí)dRddldSRlS2dSdrSr2Srdrdlrl dll將上式取對(duì)數(shù)再微分，則引起電阻值變化將上式取對(duì)數(shù)再微分，則引起電阻值變化dR：因因， 由由材料力學(xué)可知材料力學(xué)可知：（在彈性限度范圍內(nèi)）（在彈性限度范圍內(nèi)）式式中中泊泊松系數(shù)松系數(shù)(00.5之間之間)表示表示電阻絲軸向的相對(duì)電阻絲軸向的相對(duì)變化。變化。(1 2 )(1 2 )dRddldRl dRRK(1 2 )dKdRddldSRlS令令則則上式說明電阻絲受力發(fā)生應(yīng)變時(shí)上式說明電阻絲受力發(fā)生應(yīng)變時(shí)應(yīng)變片電阻變化率由兩個(gè)因素引起：應(yīng)變片電阻變化率由兩個(gè)因素引起：（1）受力

7、后材料的幾何尺寸變化所引起的；即）受力后材料的幾何尺寸變化所引起的；即 （2）電阻絲電阻絲材料材料的電阻率發(fā)生變化引起的；的電阻率發(fā)生變化引起的；即即(1 2 )項(xiàng)項(xiàng)dl/ldp/p項(xiàng)項(xiàng)1.31.3應(yīng)變應(yīng)變片分類：片分類： 金屬絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片使用最早，但由于金屬絲式應(yīng)變片蠕變較大，金使用最早，但由于金屬絲式應(yīng)變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢(shì)。但其價(jià)格便宜，多用于應(yīng)屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢(shì)。但其價(jià)格便宜，多用于應(yīng)變、應(yīng)力的大批量、一次性試驗(yàn)變、應(yīng)力的大批量、一次性試驗(yàn)。 箔箔式應(yīng)變片式應(yīng)變片與與基底基底的的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長(zhǎng)時(shí)間接觸面積大

8、得多，散熱條件較好，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量時(shí)的蠕變較小，一致性較好，能將溫度影響減小到最小的程度，測(cè)量時(shí)的蠕變較小，一致性較好，能將溫度影響減小到最小的程度，適合于大批量生產(chǎn)。適合于大批量生產(chǎn)。 按應(yīng)變片敏感柵按應(yīng)變片敏感柵的材料分類的材料分類按應(yīng)變片的工作溫度分為：按應(yīng)變片的工作溫度分為：基底材料非粘貼式紙基安裝方式應(yīng)變片膠基浸膠基臨時(shí)基粘貼式金屬基焊接式噴涂式常溫應(yīng)變片（-3060 ）中溫應(yīng)變片（60300 ）高溫應(yīng)變片（300以上）低溫應(yīng)變片（低于-30）按應(yīng)變片基底材料和安裝方法分為按應(yīng)變片基底材料和安裝方法分為：各種金屬應(yīng)變片花各種金屬應(yīng)變片花1.4 電阻應(yīng)變片的選型電阻應(yīng)變片的選型 1.4.

9、1 應(yīng)變片的主要特性參數(shù)應(yīng)變片的主要特性參數(shù)： （1）應(yīng)變片電阻值（未使用且不受力、室溫）應(yīng)變片電阻值（未使用且不受力、室溫） （2）絕緣電阻（敏感柵與基底間的阻值）絕緣電阻（敏感柵與基底間的阻值） （3）敏感系數(shù)）敏感系數(shù)K （4）機(jī)械滯后）機(jī)械滯后 （5）允許電流（是指應(yīng)變片不因電流產(chǎn)生的熱量）允許電流（是指應(yīng)變片不因電流產(chǎn)生的熱量而影響測(cè)量準(zhǔn)確度所允許通過的最大電流）而影響測(cè)量準(zhǔn)確度所允許通過的最大電流） （6）線性度（一般要求在）線性度（一般要求在0.05%1%內(nèi)內(nèi)） （7）應(yīng)變極限（）應(yīng)變極限（衡量應(yīng)變計(jì)測(cè)量范圍和過載能力的指標(biāo)） （8）零漂和蠕變零漂和蠕變（3）靈敏系數(shù)）靈敏系數(shù)

10、1物理意義：物理意義：?jiǎn)挝粦?yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量。 2電阻絲的應(yīng)變靈敏度系數(shù)表達(dá)式電阻絲的應(yīng)變靈敏度系數(shù)表達(dá)式:dRdRK210 xRRK3電阻電阻應(yīng)變片應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)定義為：的靈敏度系數(shù)定義為：x為軸向應(yīng)變。為軸向應(yīng)變。其中其中 實(shí)驗(yàn)證明，實(shí)驗(yàn)證明，電阻絲電阻絲的應(yīng)變靈敏度系數(shù)不等的應(yīng)變靈敏度系數(shù)不等于于電阻絲應(yīng)變片電阻絲應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏度系數(shù)，即的應(yīng)變靈敏度系數(shù)，即0KK。橫向橫向效應(yīng)效應(yīng)(transverse effect) 如如圖，若將應(yīng)變片粘貼在單向拉伸試件圖，若將應(yīng)變片粘貼在單向拉伸試件上，這時(shí)各直線段上的金屬絲只感受沿上，這時(shí)各直線段上的金屬

11、絲只感受沿其軸向拉應(yīng)變其軸向拉應(yīng)變x x，故其各微段電阻都，故其各微段電阻都將增加，但在圓弧段上，沿各微段軸向?qū)⒃黾?，但在圓弧段上，沿各微段軸向( (即微段圓弧的切向即微段圓弧的切向) )的應(yīng)變卻并非是的應(yīng)變卻并非是x x。所產(chǎn)生的電阻變化與直線段上同。所產(chǎn)生的電阻變化與直線段上同長(zhǎng)微段的不一樣，在長(zhǎng)微段的不一樣，在=90=90的的微弧段處最為明顯。由于單向位伸時(shí)，除了沿軸向微弧段處最為明顯。由于單向位伸時(shí)，除了沿軸向( (水平方向水平方向) )產(chǎn)生產(chǎn)生拉應(yīng)變外，按泊松關(guān)系同時(shí)在垂直方向上產(chǎn)生負(fù)的壓應(yīng)變拉應(yīng)變外，按泊松關(guān)系同時(shí)在垂直方向上產(chǎn)生負(fù)的壓應(yīng)變y y（= =x x），因此該段上的電阻不

12、僅不增加，反而是減少的。），因此該段上的電阻不僅不增加，反而是減少的。 而而在圓弧的其他各微段上，其軸向感受的應(yīng)變是由在圓弧的其他各微段上，其軸向感受的應(yīng)變是由+ +x x變化變化到到- -y y的，的，因此圓弧段部分的電阻變化，顯然將小于其同樣長(zhǎng)度沿軸向安因此圓弧段部分的電阻變化，顯然將小于其同樣長(zhǎng)度沿軸向安放的金屬絲的電阻變化放的金屬絲的電阻變化。 由此可見由此可見，將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變，將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)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，因此靈敏系數(shù)狀態(tài)不同，應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲小，因此靈敏系數(shù)有所降低，這

13、種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的有所降低，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。橫向效應(yīng)。000(1)(1)2(1)xrnnRlRKKrnnl經(jīng)推導(dǎo)得：經(jīng)推導(dǎo)得：n直線部分柵絲的數(shù)目；直線部分柵絲的數(shù)目；n-1彎角部分的個(gè)數(shù)。彎角部分的個(gè)數(shù)。 可見可見 ，即應(yīng)變片存在橫向效應(yīng)使應(yīng)變片的靈敏即應(yīng)變片存在橫向效應(yīng)使應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)度系數(shù)小于小于電阻絲的應(yīng)變靈敏度系數(shù)電阻絲的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。0KK 半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料制成的半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料制成的, 其工作原理是基于半導(dǎo)體材其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的料的壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)。所謂壓阻效應(yīng)，是指半導(dǎo)體材料在某一軸向受外力作。所謂壓阻效應(yīng)，是指半導(dǎo)體材料在某一

14、軸向受外力作用時(shí)用時(shí),會(huì)暫時(shí)改變晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，因而改變了半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)，會(huì)暫時(shí)改變晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，因而改變了半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)， 其電阻率其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象發(fā)生變化的現(xiàn)象。 半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí), 其電阻相對(duì)變化其電阻相對(duì)變化為為dRdR)21 (4半導(dǎo)體半導(dǎo)體應(yīng)變應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)片的靈敏度系數(shù)半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對(duì)變化量與所受的應(yīng)變力有關(guān)：半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對(duì)變化量與所受的應(yīng)變力有關(guān)：Ed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; E半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料的彈性模量彈性模量; 半導(dǎo)

15、體材料的應(yīng)變。半導(dǎo)體材料的應(yīng)變。因此：因此：)21 (ERdR 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)證明，在半導(dǎo)體材料中，證明，在半導(dǎo)體材料中，E比比1+2大上百倍，大上百倍，所以所以1+2可以忽略，因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為可以忽略，因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為 ERdRK 半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式高半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式高5080倍，倍， 但半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非線性比較嚴(yán)重但半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非線性比較嚴(yán)重，使使它的應(yīng)用范圍受到一定的限制。它的應(yīng)用范圍受到一定的限制。 應(yīng)變應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加片粘貼在被測(cè)試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特性與卸載特性不重合

16、，即為載特性與卸載特性不重合，即為。 1 1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 主要原因：敏感柵基底和粘合劑主要原因：敏感柵基底和粘合劑在承受機(jī)械應(yīng)變之后留下的殘余變形在承受機(jī)械應(yīng)變之后留下的殘余變形所致所致。 通常通常在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件預(yù)先加、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)卸載若干次，以減少因機(jī)械滯后所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差生的實(shí)驗(yàn)誤差。 指在一定的溫度下，指示應(yīng)變值與真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)差值不指在一定的溫度下，指示應(yīng)變值與真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)差值不超過規(guī)定值（一般為超過規(guī)定值（一般為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。也就是。也就是說，當(dāng)指示

17、應(yīng)變值大于真實(shí)應(yīng)變值的說，當(dāng)指示應(yīng)變值大于真實(shí)應(yīng)變值的10%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值，時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值，即為應(yīng)變片的應(yīng)變極限即為應(yīng)變片的應(yīng)變極限j真實(shí)應(yīng)變真實(shí)應(yīng)變 g g指示應(yīng)變指示應(yīng)變 i i100%190%產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因： 應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后的殘余應(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)生少量不可逆變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；變化； 在制造或粘貼應(yīng)變片時(shí)，敏感柵在制造或粘貼應(yīng)變片時(shí)，敏感柵受到的不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘辰Y(jié)劑固化不受到的不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘辰Y(jié)劑固化不充分等。充分等。 對(duì)于對(duì)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)

18、間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移。零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因：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。化；粘結(jié)劑固化不充分等。(8)(8)零零漂和蠕變漂和蠕變 如果如果在一定溫度下，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值隨時(shí)間增加而變化的特性稱為蠕變?nèi)渥儭?產(chǎn)生產(chǎn)生原因原因：由于膠層之間發(fā)生由于膠層之間發(fā)生“滑動(dòng)滑動(dòng)”，使力傳到敏感柵的，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。應(yīng)變量逐漸減少。 這這是兩項(xiàng)衡量

19、應(yīng)變片特性對(duì)時(shí)間穩(wěn)定性的指標(biāo)，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)是兩項(xiàng)衡量應(yīng)變片特性對(duì)時(shí)間穩(wěn)定性的指標(biāo)，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量中其意義更為突出。實(shí)際上，蠕變中包含零漂，它是一個(gè)特例。量中其意義更為突出。實(shí)際上，蠕變中包含零漂，它是一個(gè)特例。1.4.2 1.4.2 應(yīng)變片的選用方法應(yīng)變片的選用方法 在選用應(yīng)變片時(shí)，應(yīng)從應(yīng)變片的類型、材料、阻值和在選用應(yīng)變片時(shí)，應(yīng)從應(yīng)變片的類型、材料、阻值和尺寸等方面進(jìn)行考慮尺寸等方面進(jìn)行考慮（1 1）選擇類型：按使用目的、要求、對(duì)象和環(huán)境條件等選）選擇類型：按使用目的、要求、對(duì)象和環(huán)境條件等選擇；擇；（2 2）材料的考慮：根據(jù)使用溫度、時(shí)間、最大應(yīng)變量及精）材料的考慮：根據(jù)使用溫度、時(shí)間、最大應(yīng)

20、變量及精度要求等選用合適的材料（包括敏感柵和基底材料）；度要求等選用合適的材料（包括敏感柵和基底材料）；（3 3）選擇阻值：根據(jù)測(cè)量線路和儀器選定應(yīng)變片的標(biāo)稱阻）選擇阻值：根據(jù)測(cè)量線路和儀器選定應(yīng)變片的標(biāo)稱阻值值; ;（4 4）選擇尺寸：根據(jù)試件表面粗糙度、應(yīng)力分布狀態(tài)和粘）選擇尺寸：根據(jù)試件表面粗糙度、應(yīng)力分布狀態(tài)和粘貼面積的大小等選擇應(yīng)變片的尺寸。貼面積的大小等選擇應(yīng)變片的尺寸。電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片的應(yīng)用特點(diǎn)的應(yīng)用特點(diǎn)（1）電阻的熱效應(yīng)。即敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差，當(dāng)環(huán)境溫度變化t 時(shí)，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為t，則引起的電阻相對(duì)變化為（2）試件材料的線膨脹引起的誤差。當(dāng)溫度變化t

21、時(shí)，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片將產(chǎn)生附加應(yīng)變（拉長(zhǎng)或壓縮），引起的電阻相對(duì)變化 溫度溫度誤差誤差 2()egRKtR1tRtR2()tegt1.5 1.5 溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差及其補(bǔ)償 單絲自補(bǔ)償法單絲自補(bǔ)償法 自補(bǔ)償法自補(bǔ)償法 組合式自補(bǔ)償法組合式自補(bǔ)償法 線路補(bǔ)償法線路補(bǔ)償法溫度溫度補(bǔ)償補(bǔ)償 方法方法 電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法熱敏電阻補(bǔ)償法熱敏電阻補(bǔ)償法可得由于溫度變化而引起的總電阻相對(duì)變化為可得由于溫度變化而引起的總電阻相對(duì)變化為12()tegtRRRtKtRRR 溫度溫度對(duì)應(yīng)變片特性的影響對(duì)應(yīng)變片特性的影響還有（次要因素）：還有（次要因素）： 影響影響粘合劑傳遞變形

22、的能力粘合劑傳遞變形的能力； 過高過高的溫度使粘合劑軟化而使其完全喪失傳遞變形的能力的溫度使粘合劑軟化而使其完全喪失傳遞變形的能力（1）單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片）單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片由以上分析可知，要使應(yīng)變片在溫度變化時(shí)熱輸出值為零，則由以上分析可知，要使應(yīng)變片在溫度變化時(shí)熱輸出值為零，則 當(dāng)當(dāng)被測(cè)試件的線膨脹系數(shù)被測(cè)試件的線膨脹系數(shù)g已知時(shí)，通過選擇敏感柵材料，已知時(shí)，通過選擇敏感柵材料， 使下式成立使下式成立 t敏感敏感柵材料柵材料電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù) 即可達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。即可達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?)tgeK /()0tttegRRttKK 優(yōu)點(diǎn)：易加工，成本低，優(yōu)點(diǎn)：易加工，成本低，缺點(diǎn)

23、：只適用特定試件材料，溫度補(bǔ)償范圍較窄缺點(diǎn)：只適用特定試件材料，溫度補(bǔ)償范圍較窄。R1R2組合自補(bǔ)償法組合自補(bǔ)償法 （2） 雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片敏感柵絲由兩種不同敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)溫度系數(shù)(一正一副一正一副)的的金屬絲串接組成金屬絲串接組成 選用兩種具有選用兩種具有不同符號(hào)的不同符號(hào)的電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù),調(diào)整調(diào)整R1和和R2的比例，使溫度變化時(shí)產(chǎn)生的比例，使溫度變化時(shí)產(chǎn)生的電的電阻阻變化變化滿足（大小相等、方向相反）滿足（大小相等、方向相反）t2t1)()(RR優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：通過通過調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長(zhǎng)度來調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長(zhǎng)度來控制應(yīng)變控制應(yīng)變片的溫度自補(bǔ)

24、償片的溫度自補(bǔ)償，在工作溫度范圍內(nèi)可在工作溫度范圍內(nèi)可達(dá)達(dá)0.45m/的高精度的高精度 ；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：成本高，在制造工藝上不易達(dá)標(biāo)。成本高，在制造工藝上不易達(dá)標(biāo)。)()(/111222112221ggttKKRRRRRR（3） 電橋補(bǔ)償電橋補(bǔ)償R1R3RBR4UoR1RB(a)(b)R1工 作 應(yīng) 變 片 ；RB補(bǔ) 償 應(yīng) 變 片F(xiàn)FU 測(cè)量應(yīng)變時(shí)，工作應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變時(shí)，工作應(yīng)變片R1粘貼在被測(cè)試件表面上，補(bǔ)償粘貼在被測(cè)試件表面上，補(bǔ)償應(yīng)變片應(yīng)變片RB粘貼在與被測(cè)試件材料完全相同的補(bǔ)償塊上，且僅工粘貼在與被測(cè)試件材料完全相同的補(bǔ)償塊上，且僅工作應(yīng)變片承受應(yīng)變。作應(yīng)變片承受應(yīng)變。 當(dāng)被測(cè)試件不承

25、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)境溫度為又處于同一環(huán)境溫度為t的溫度場(chǎng)中，調(diào)整電橋參數(shù)使之達(dá)到平衡的溫度場(chǎng)中，調(diào)整電橋參數(shù)使之達(dá)到平衡。R1R3RBR4UoR1RB(a)(b)R1工 作 應(yīng) 變 片 ；RB補(bǔ) 償 應(yīng) 變 片F(xiàn)FU130134143143()()()BBiBRRUURRRRUR RR RRA R RR R令：R1 = RB = R3 = R4=R011432211()() TBTTTUA RRRRRRRA RR RR RRR RAR R當(dāng)當(dāng)R1上有應(yīng)力產(chǎn)生，上有應(yīng)力產(chǎn)生，R1和和RB上的溫度影響一致時(shí)：上的溫度影響一致時(shí)：表明：表明：輸出輸出與溫度無關(guān)

26、與溫度無關(guān)為達(dá)到完全補(bǔ)償，需滿足下列三個(gè)條件：為達(dá)到完全補(bǔ)償，需滿足下列三個(gè)條件： R1和和R2須屬于同一批號(hào)的，即它們的電阻溫度系數(shù)須屬于同一批號(hào)的，即它們的電阻溫度系數(shù)、線膨脹、線膨脹系數(shù)系數(shù)、應(yīng)變靈敏系數(shù)、應(yīng)變靈敏系數(shù)K都相同，兩片的初始電阻值也要求相同；都相同，兩片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者材料必須相同，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；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。 此此方法簡(jiǎn)單易行，能在較大溫度范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償。方法簡(jiǎn)單易行，能在較大溫度范圍

27、內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償。缺點(diǎn)缺點(diǎn)是三個(gè)條件不易滿足，尤其是條件。在某些測(cè)試條件下，是三個(gè)條件不易滿足，尤其是條件。在某些測(cè)試條件下，溫度場(chǎng)梯度較大，溫度場(chǎng)梯度較大，R1和和R2很難處于相同溫度點(diǎn)。很難處于相同溫度點(diǎn)。 將熱敏電阻將熱敏電阻R Rt t置于應(yīng)變片相同的溫度下，可以進(jìn)行溫置于應(yīng)變片相同的溫度下，可以進(jìn)行溫 度補(bǔ)償，有下列多種方式：度補(bǔ)償，有下列多種方式：U UB BT TR R1 1R Rt tU U0 0不變不變T TR R1 1R Rt tU U0 0不變不變R R1 1R R2 2R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4R Rt tU U0 0R Rt tR R3 3U U0 0

28、B B（4）熱敏電阻補(bǔ)償法）熱敏電阻補(bǔ)償法第二節(jié)第二節(jié) 基本測(cè)量電基本測(cè)量電路路（電橋電路電橋電路） 2.1電橋電橋概述概述 2.2不平衡不平衡單臂電橋的工作單臂電橋的工作特性特性 2.3差動(dòng)電橋的工作特性差動(dòng)電橋的工作特性 2.4雙差雙差動(dòng)電橋的工作動(dòng)電橋的工作特性特性 2.5相對(duì)相對(duì)臂電橋的工作臂電橋的工作特性特性 2.6提高不平衡電橋輸出線性度的提高不平衡電橋輸出線性度的方法方法 2.7電橋調(diào)電橋調(diào)零零 2.8交流電橋交流電橋1 1電橋工作原理電橋工作原理平衡條件：平衡條件：R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4U US SU U0 02.1電橋概述電橋概述 2 2 電橋分類電

29、橋分類 按輸入電源分按輸入電源分： 直流電橋直流電橋、交流電橋交流電橋、恒壓源電橋恒壓源電橋 恒流源電橋恒流源電橋 按被測(cè)電阻的接入方式分按被測(cè)電阻的接入方式分： 單臂電橋單臂電橋 四個(gè)橋臂中只有一個(gè)橋臂是敏感元件四個(gè)橋臂中只有一個(gè)橋臂是敏感元件， 其它均為電阻其它均為電阻； 差動(dòng)電橋差動(dòng)電橋四個(gè)橋臂中有兩個(gè)敏感元件是相鄰四個(gè)橋臂中有兩個(gè)敏感元件是相鄰橋橋臂臂， 這兩個(gè)敏感元件在測(cè)量對(duì)象中這兩個(gè)敏感元件在測(cè)量對(duì)象中,阻阻值值變化變化 大小相等大小相等、方向相反方向相反變化的敏感元件變化的敏感元件； 雙差動(dòng)電橋雙差動(dòng)電橋 四個(gè)敏感元件四個(gè)敏感元件，相鄰橋臂阻值變化大小相相鄰橋臂阻值變化大小相 等

30、等, ,方向相反，相對(duì)橋臂組織變化大小相方向相反，相對(duì)橋臂組織變化大小相 等、方向相同；等、方向相同； 相對(duì)臂相對(duì)臂電電 橋橋 四個(gè)橋臂中兩個(gè)敏感元件是相對(duì)四個(gè)橋臂中兩個(gè)敏感元件是相對(duì)橋橋臂，臂， 變化大小相對(duì)，方向相同。變化大小相對(duì)，方向相同。按橋臂電阻的配備方式分：按橋臂電阻的配備方式分： a)a)對(duì)稱電橋?qū)ΨQ電橋串聯(lián)對(duì)稱電橋串聯(lián)對(duì)稱電橋( (第一類對(duì)稱電橋第一類對(duì)稱電橋) )R R1 1 R R2 2 ,R ,R3 3 R R4 4并聯(lián)對(duì)稱電橋并聯(lián)對(duì)稱電橋( (第二類對(duì)稱電橋第二類對(duì)稱電橋) )R R1 1R R3 3，R R2 2R R4 4等臂電橋等臂電橋按電橋的工作方式分：按電橋的

31、工作方式分：平衡電橋平衡電橋 不平衡電橋不平衡電橋R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4U US SU U0 0R R1 1R R2 2R R3 3 R R4 4b)b)不對(duì)稱電橋不對(duì)稱電橋（不（不滿足上述條件的滿足上述條件的電橋）電橋）滿足滿足R R1 1R R4 4R R2 2R R3 3又稱又稱“全對(duì)稱電橋全對(duì)稱電橋”單臂單臂R R1 1為敏感元件變化的電橋輸出為：為敏感元件變化的電橋輸出為： 對(duì)串聯(lián)對(duì)稱電橋?qū)Υ?lián)對(duì)稱電橋: :由由R R1 1=R=R2 2,R,R3 3= =R R4 4, ,得得由由于于 (Q(Q是微小量是微小量) ) 可展成泰勒級(jí)數(shù)：可展成泰勒級(jí)數(shù)：11

32、Q11 +Q 1 Q Q 2所以得：所以得：2.2 不平衡單臂電橋的工作特性不平衡單臂電橋的工作特性忽略后一項(xiàng)忽略后一項(xiàng) 2 2/8/8，得，得理想理想 輸出輸出電橋電壓靈敏度：電橋電壓靈敏度：非線性度：非線性度：可見，可見，輸入量變輸入量變化化 越大越大，非線性誤差越大，非線性誤差越大。 電橋電壓靈敏度電橋電壓靈敏度定義為定義為：應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化引起的電橋輸出應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化引起的電橋輸出電壓；電壓； 線性度線性度就是評(píng)價(jià)傳感器的實(shí)際輸出特性對(duì)理論擬合的線性輸出就是評(píng)價(jià)傳感器的實(shí)際輸出特性對(duì)理論擬合的線性輸出特性的接近程度的一個(gè)性能指標(biāo)特性的接近程度的一個(gè)性能指標(biāo) 其結(jié)論同其結(jié)論同：

33、并聯(lián)對(duì)稱電橋和：并聯(lián)對(duì)稱電橋和全對(duì)稱電橋全對(duì)稱電橋。 2 f Uos Uo 1osU2.32.3差動(dòng)電橋的工作特性差動(dòng)電橋的工作特性 設(shè)：設(shè)：（R R1 1和和R R2 2為敏感元件為敏感元件）則則靈敏度靈敏度比單臂電橋高一倍比單臂電橋高一倍非非線性度線性度2.4 2.4 雙差動(dòng)電橋的工作特性雙差動(dòng)電橋的工作特性靈敏度靈敏度比差動(dòng)電橋高一倍比差動(dòng)電橋高一倍 是單臂電橋的四倍是單臂電橋的四倍線性度線性度初始狀態(tài)：初始狀態(tài)：R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4且且均為敏感元件均為敏感元件設(shè)設(shè)得得靈敏度較高，但非線性誤差較大，常用于極性顯示。靈敏度較高，但非線性誤差較大，常用于極性顯示。

34、2.2.5 5 相對(duì)臂相對(duì)臂電橋的工作特性電橋的工作特性( (我們把實(shí)際的非線性特性曲線與理想的特我們把實(shí)際的非線性特性曲線與理想的特性曲線的偏差稱為非線性誤差）性曲線的偏差稱為非線性誤差）11011(1)(1) RnRUURnnR1021(1)RnUUnR1111212RRRRL 2.6提高不平衡電橋輸出線性度的方法提高不平衡電橋輸出線性度的方法11110001RRnRRUUUL RKR1111212RRRRL 1采用差動(dòng)電橋工作方式采用差動(dòng)電橋工作方式 前面已述前面已述： 非線性誤差為零非線性誤差為零； 電壓靈敏度比單臂時(shí)提高了一倍或二倍；電壓靈敏度比單臂時(shí)提高了一倍或二倍； 有溫度補(bǔ)償作

35、用有溫度補(bǔ)償作用提高不平衡電橋輸出線性度的方法提高不平衡電橋輸出線性度的方法2 2采用恒流源供電方式采用恒流源供電方式若若R R2 2R R4 4R R1 1R R3 3I IS SU Uo o理想輸出理想輸出：U os Us4非非線性度線性度： 靈敏度：靈敏度：結(jié)果表明，恒流源電橋與結(jié)果表明，恒流源電橋與U US SR RI IS S供電的恒壓源電橋相比，電橋的輸供電的恒壓源電橋相比，電橋的輸出靈敏度近似不變，但非線性誤差卻減小了一倍。出靈敏度近似不變，但非線性誤差卻減小了一倍。等臂電橋等臂電橋R R1 1為為敏感元件敏感元件，有：，有：3 3 采用有源電橋方式采用有源電橋方式由由得得 有源

36、電橋的輸出在較小范圍內(nèi)為線性有源電橋的輸出在較小范圍內(nèi)為線性, ,靈敏度較等靈敏度較等臂電橋提高一倍臂電橋提高一倍, ,輸出信號(hào)的極性與無源電輸出信號(hào)的極性與無源電橋相反橋相反。R RR RR RR+R+ R RE Eo oU Us s同相輸入同相輸入反相輸入反相輸入 原被測(cè)量的總元件無變化時(shí)，輸出量應(yīng)為零。即滿原被測(cè)量的總元件無變化時(shí)，輸出量應(yīng)為零。即滿 足足 。若不平衡，則須調(diào)零。一般有兩種。若不平衡，則須調(diào)零。一般有兩種 調(diào)零方式：調(diào)零方式：串聯(lián)調(diào)零串聯(lián)調(diào)零 應(yīng)用于應(yīng)用于R R1 1、R R2 2值較大值較大 的場(chǎng)合，此時(shí)，的場(chǎng)合，此時(shí)，R RW W越小，越小， 對(duì)傳感器靈敏度的影響對(duì)傳

37、感器靈敏度的影響 越小。越小。U US SR R1 1R R2 2R R3 3R R4 4U U0 0R RW W2.7電橋調(diào)零電橋調(diào)零? ? ?并聯(lián)調(diào)零并聯(lián)調(diào)零U US S 該方式應(yīng)用于橋臂電阻該方式應(yīng)用于橋臂電阻R R2 2、R R4 4值較小的場(chǎng)合。此時(shí)，值較小的場(chǎng)合。此時(shí)， R Rw w越大，對(duì)橋路影響越小。越大，對(duì)橋路影響越小。R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4U U0 0R RW WZ Z1 1Z Z2 2Z Z3 3Z Z4 4 采用交流電源采用交流電源供電的電橋稱為供電的電橋稱為 “交流交流電電橋橋”。設(shè)設(shè) Z Z1 1z z1 1e ej j 1 1Z Z2 2

38、z z2 2e ej j 2 2 Z Z3 3z z3 3e ej j 3 3 Z Z4 4z z4 4e ej j 4 4交流電橋平衡的條件是：交流電橋平衡的條件是：Z Z1 1Z Z4 4Z Z2 2Z Z3 3 或或z z1 1z z4 4z z2 2z z3 3 1 1 4 4 2 2 3 3交流電橋的調(diào)零交流電橋的調(diào)零要調(diào)兩個(gè)參數(shù)要調(diào)兩個(gè)參數(shù)。2.8交流電橋交流電橋UoU 由于供橋電源為交流電由于供橋電源為交流電源源, , 引線分布電容使得引線分布電容使得橋臂應(yīng)橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性。11111CjwRRRZ22222CjwRRRZ33RZ 44RZ 即即相當(dāng)于相

39、當(dāng)于兩兩只只應(yīng)變片各并聯(lián)了應(yīng)變片各并聯(lián)了一個(gè)電容一個(gè)電容, , 則每一橋臂上復(fù)阻則每一橋臂上復(fù)阻抗分別為：抗分別為：14231234()()()ioUZ ZZ ZUZZZZ3412RRRR2112CCRR3412RRRR4132RCRC24241313CjwRRRCjwRRR第三節(jié)第三節(jié) 電阻應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用3.13.1力的測(cè)量（柱式轉(zhuǎn)換法、差動(dòng)法、環(huán)狀法）力的測(cè)量（柱式轉(zhuǎn)換法、差動(dòng)法、環(huán)狀法）3.23.2加速度的測(cè)量加速度的測(cè)量3.33.3流體壓力的測(cè)量流體壓力的測(cè)量3.13.1力的測(cè)量力的測(cè)量R R1 1受縱向力變化受縱向力變化柱式轉(zhuǎn)換法柱式轉(zhuǎn)換法F FR R2 2受橫向力變化受橫向力變化F FR5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF 采用采用八個(gè)