電阻式應(yīng)變片傳感器

關(guān)于電阻式應(yīng)變片傳感器第1頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)14分，星期五1、金屬的應(yīng)變效應(yīng)金屬絲的電阻隨著它所受的機(jī)械變形（拉伸或壓縮）的大小而發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象稱為金屬的應(yīng)變效應(yīng)。

R＝ρl/A；在外力的作用下ρ、l、A變化，故R發(fā)生改變。（對(duì)于半導(dǎo)體材料，稱此現(xiàn)象為壓阻效應(yīng)）

2、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和工作原理

1)基本結(jié)構(gòu)（絲繞式）

金屬絲繞制成敏感柵，敏感應(yīng)變的變化；基底用來(lái)固定敏感柵，同時(shí)還有絕緣作用；覆蓋層主要起保護(hù)作用。敏感柵焊接引出線用以和外接導(dǎo)線相連。第2頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)14分，星期五2)靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)就是單位應(yīng)變所能引起的電阻的相對(duì)變化。在外力作用下，電阻絲的電阻變化為電阻絲的軸向應(yīng)變橫向應(yīng)變

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在彈性范圍內(nèi)金屬的軸向應(yīng)變?chǔ)排c橫向應(yīng)變?chǔ)牛С烧龋从校害蹋剑牛?ε；稱μ為泊松比或橫向變形系數(shù)。有：Ks為金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)，Ks越大，單位變形引起的電阻相對(duì)變化越大。Ks受兩個(gè)因素的影響：①第一項(xiàng)（1＋2μ），這主要是金屬受拉伸后，材料幾何尺寸發(fā)生變化引起--金屬應(yīng)變效應(yīng)②第二項(xiàng)是由于受力后，材料的電阻率變化引起--半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)在金屬絲的變形在彈性范圍內(nèi)，電阻的相對(duì)變化ΔR/R與應(yīng)變?chǔ)攀浅烧鹊?，即Ks為一常數(shù)。應(yīng)注意的是：當(dāng)金屬絲做成敏感柵之后，電阻―應(yīng)變特性與直線時(shí)不同，這主要是由于受到橫向效應(yīng)的影響，但在很大范圍內(nèi)ΔR/R與ε仍有較好的線性關(guān)系即ΔR/R=K·ε。其中K稱為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于同一材料金屬絲的靈敏系數(shù)Ks。第4頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)14分，星期五3、應(yīng)變片測(cè)試原理當(dāng)測(cè)試應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，將應(yīng)變片貼于被測(cè)對(duì)象上，當(dāng)被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生變形時(shí)，應(yīng)變片也發(fā)生相應(yīng)變化。此時(shí)測(cè)出電阻值的變化ΔR即可得到應(yīng)變值ε。再由虎克定律：σ＝E·ε即可得到應(yīng)力值。(應(yīng)力：F/S)3.2金屬應(yīng)變片的特性

1、橫向效應(yīng)直線金屬絲受拉伸時(shí)與圓弧金屬絲拉伸情況不同，圓弧金屬絲受拉抻時(shí)，有垂直于軸線方向壓應(yīng)變，但此壓應(yīng)變會(huì)使圓弧段金屬絲直徑增加，從而使該段面積增加，所以電阻減小。因此圓弧段的電阻變化將小于直線段電阻變化，直的金屬絲繞成敏感柵后，靈敏系數(shù)有所降低。這種現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。εxεy第5頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)14分，星期五2、溫度效應(yīng)應(yīng)變片由于溫度變化所引起的電阻相對(duì)變化，稱此現(xiàn)象為溫度效應(yīng)。1）產(chǎn)生原因

I、溫度變化引起應(yīng)變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應(yīng)變。敏感柵的溫度特性：

Rt＝Ro（1＋αΔt）；ΔRtα=Rt－Ro＝αRoΔtRt——溫度為t的電阻值Ro——溫度為t0的電阻值室

α——敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)Δt——溫度的變化值

ΔRtα——溫度變化Δt時(shí)的電阻變化II、試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加變形。

由于試件材料與應(yīng)變片材料線膨脹系數(shù)不同，在同樣的溫度增量時(shí)，二者的伸長(zhǎng)量也不一樣，會(huì)使應(yīng)變片產(chǎn)生附加變形第6頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)14分，星期五2）溫度誤差補(bǔ)償方法應(yīng)變片由于溫度效應(yīng)而產(chǎn)生的誤差稱為溫度誤差。

I、橋路補(bǔ)償法采用電橋如圖，R1為工作片，RB為補(bǔ)償片。工作片貼在試件上，而補(bǔ)償片貼在材料、溫度與試件相同的補(bǔ)償塊上，R3、R4為固定電阻。

當(dāng)溫度變化時(shí)，R1、RB都發(fā)生變化，但由于R1、RB完全相同、工作環(huán)境相同，則由于溫度產(chǎn)生的附加電阻變化，ΔR1、ΔRB符號(hào)、數(shù)值均相等，電橋仍平衡，故無(wú)輸出。工作時(shí)只有工作片感受應(yīng)變，補(bǔ)償片不感受應(yīng)變，此時(shí)，電橋輸出就只與被測(cè)試件的應(yīng)變有關(guān)而與溫度無(wú)關(guān)。電橋平衡條件：R1·R4＝RB·R3第7頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)14分，星期五II、應(yīng)變片自補(bǔ)償法――使溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)?或互相抵消的方法。

a）選擇自補(bǔ)償應(yīng)變片：根據(jù)試件選用合適的敏感柵材料，使其電阻溫度系數(shù)α恰好滿足使附加應(yīng)變?yōu)?。

b）雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片利用兩種電阻絲材料的電阻溫度系數(shù)不同，一個(gè)為正，一個(gè)為負(fù)，使二者互相抵消。第8頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)14分，星期五3.3應(yīng)變式電阻傳感器的測(cè)量電路

應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變是通過(guò)敏感柵的電阻相對(duì)變化而得到的。通常金屬電阻應(yīng)變片靈敏度系數(shù)K值很小，機(jī)械應(yīng)變一般在10με～3000με之間，可見電阻相對(duì)變化是很小的。

例如某傳感器彈性元件在額定載荷下產(chǎn)生應(yīng)變1000με，應(yīng)變片的電阻值為120Ω，靈敏度系數(shù)K=2，則電阻的相對(duì)變化量為：電阻變化率只有0.2%。這樣小的電阻變化，用一般測(cè)量電阻的儀表很難直接測(cè)出來(lái)，必須用專門的電路，最常用的電路為電橋電路。即利用電橋電路將電阻的相對(duì)變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，再經(jīng)電壓放大或電流放大，測(cè)出相應(yīng)的電壓或電流值第9頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)14分，星期五

電橋有直流電橋和交流電橋。各種類電橋中，若電橋各臂為R1、R2、R3、R4。當(dāng)四臂相等時(shí)，稱為等臂電橋。若電橋一個(gè)臂接入應(yīng)變片，其余為固定電阻時(shí)，稱單臂工作，兩個(gè)臂接入應(yīng)變片時(shí)稱半橋，四個(gè)臂均為應(yīng)變片時(shí)稱全橋。第10頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)14分，星期五1、直流電橋⑴平衡條件：⑵電壓靈敏度

設(shè)R1為應(yīng)變片，其余為固定電阻。RL為放大器的輸入阻抗，即單臂工作。放大器輸入阻抗可以比電橋的輸出電阻高得多，看成開路。R1·R4＝R2·R3，此時(shí)流過(guò)負(fù)載電阻的電流為0。第11頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)14分，星期五設(shè)橋臂比R2∶R1＝R4∶R3＝n

，同時(shí)一般有ΔR1<<R1，則理想情況：電橋電壓靈敏度SV

可見SV正比于電橋供電電壓，E越高，SV越高。但供橋電壓越高，功耗也越大，故E應(yīng)適當(dāng)選擇。同時(shí)SV與n也有關(guān)，故必須合適的橋臂比。為求SV的最大值，可對(duì)n求偏微分。則當(dāng)該式為0時(shí)有極值。當(dāng)n＝1時(shí)，SV為最大。即當(dāng)R1＝R2；R3＝R4時(shí)SV最大。此時(shí)有第12頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)14分，星期五⑶非線性誤差及其補(bǔ)償方法前述分析中忽略ΔR1/R1，這是一種理想情況。若ΔR1/R1不可忽略，則實(shí)際輸出電壓Uo與ΔR1/R1是非線性的。

可見ΔR1/R1較大，非線性誤差也較大，常用的減小非線性誤差的方法有：

a、提高橋臂比由上式可見提高R2/R1（即橋臂比n）能減小非線性誤差。但由于提高n，Sv將下降。故為了既能減小非線性誤差又不會(huì)使Sv下降太多，通常適當(dāng)提高供橋電壓E。第13頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)14分，星期五b、采用差動(dòng)電橋采用差動(dòng)電橋時(shí)一般有半橋差動(dòng)和全橋差動(dòng)兩種方式。

半橋差動(dòng)方式：兩個(gè)工作應(yīng)變片如圖中R1、R2，一個(gè)應(yīng)變片受壓，一個(gè)受拉，則應(yīng)變符號(hào)相反。同時(shí)，測(cè)試時(shí)將兩個(gè)應(yīng)變片接入相鄰的橋臂上，則輸出電壓Uo為：若ΔR1＝ΔR2；R2＝R1；R3＝R4；則得第14頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)14分，星期五

全橋差動(dòng)方式：4個(gè)應(yīng)變片，兩個(gè)受拉，兩個(gè)受壓，將應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上。若ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4，則Uo＝U?ΔR1/R1

采用差動(dòng)方式工作時(shí)，電橋無(wú)非線性誤差。同時(shí)Sv提高，半橋比單臂工作Sv提高了一倍，而全橋又比半橋提高了一倍。第15頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)14分，星期五2、交流電橋（1）交流電橋平衡條件：直流電橋輸出的電阻變化信號(hào)為直流量，后續(xù)電路一般為直流放大器，而直流放大器易產(chǎn)生零漂，所以也常用交流電橋。由于供橋電源為交流電源，引線分布電容必須考慮，即相當(dāng)于應(yīng)變片并聯(lián)一個(gè)電容。此時(shí)四個(gè)橋臂具有復(fù)數(shù)阻抗特性，其輸出電壓為：為供橋交流電壓，Z1~Z4為橋臂復(fù)阻抗橋路平衡條件為：Z1Z4＝Z2Z3（實(shí)部、虛部應(yīng)分別相等，達(dá)到平衡較直流電橋難）第16頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)14分，星期五（2）交流電橋的輸出特性及平衡調(diào)節(jié)1）輸出特性設(shè)電橋的初始狀態(tài)是平衡的，Z1Z4＝Z2Z3。當(dāng)應(yīng)變片R1改變?chǔ)1后，引起Z1變化ΔZ1，可得出2）電橋調(diào)平法電阻調(diào)平法、電容調(diào)平法第17頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)14分，星期五（四）應(yīng)用舉例

電阻應(yīng)變片除可測(cè)量試件應(yīng)力之外，還可制造成各種應(yīng)變式傳感器用于測(cè)量力、荷重、扭矩、加速度、位移、壓力等多種物理量。第18頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)14分，星期五吊鉤秤

第19頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)14分，星期五圓柱式力傳感器R1、R3串接，R2、R4串接，粘貼于相對(duì)臂，減小彎矩影響