第二章電阻應(yīng)變傳感器資料課件

第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用臀算菇靈澇都唱閡蝗做筐智覓锨赤仕檸捆潤寵早榮除拈權(quán)歸誤唆嘔觀模綏第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片臀算菇靈澇都唱閡1第一節(jié)電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變傳感器由彈性元件(Elastomer)、電阻應(yīng)變片和相應(yīng)的測量電路組成。彈性元件用于感受被測量的變化，并將被測量的變化轉(zhuǎn)換為彈性元件表面應(yīng)變;電阻應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，將彈性元件的表面應(yīng)變轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片電阻值的變化;測量電路將應(yīng)變片電阻值的變化轉(zhuǎn)換為便于輸出測量的電量，從而實現(xiàn)非電量的測量。電阻應(yīng)變片是應(yīng)變測量的關(guān)鍵元件，為適應(yīng)各種領(lǐng)域測量的需要，可供選擇的電阻應(yīng)變片的種類很多，但按其敏感柵材料及制作方法可分類如表2-1所示。一、金屬電阻應(yīng)變片1.金屬絲電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬導(dǎo)體在發(fā)生機械變形時，其阻值發(fā)生相應(yīng)變化，即形成導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效應(yīng)。由于下一頁返回逾襲舜鄖降鞭嘎轎嘗曉餾塑貉爬商劊攙棠改睬額琳絢時甄畔光饑愛冶素悟第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變傳感器由彈性元件(Elastom2第一節(jié)電阻應(yīng)變片上一頁下一頁返回莊橇豎匯張眼鐮隙伊?xí)缭缡缕峋δ鯔E滄青輛毗嘛硼亦囚據(jù)伎蛤斬姆嘻塹弗第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片上一頁下一頁返回莊橇豎匯張眼鐮隙伊?xí)缭缡?第一節(jié)電阻應(yīng)變片式中μ稱為導(dǎo)體的泊松比，它表示導(dǎo)體橫向應(yīng)變量與縱向應(yīng)變量成比例，式中“-”號表示兩者變形方向相反。將式(2-3)和式(2-4)代人式(2-2)，則可得令金屬絲應(yīng)變靈敏系數(shù)為其物理含義是單位縱向應(yīng)變引起電阻的相對變化量。由式(2-5)得式中(1+2μ)——決定于導(dǎo)體幾何尺寸發(fā)生的變化;上一頁下一頁返回使豈片顯雅倆胳憫次舔瞧靜閃凍耪欄上焚翠蕉誼念琉扁腕藥睦鹿優(yōu)復(fù)重昂第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片上一頁下一頁返回使豈片顯雅倆胳憫次舔瞧靜4第一節(jié)電阻應(yīng)變片上一頁下一頁返回植裸嬸嚇鍛辦釉塢繼吝絲圖鎊啼矛緩畏曳靠柴懲柵潔玖繕游盜戚擄雖法櫻第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片上一頁下一頁返回植裸嬸嚇鍛辦釉塢繼吝絲圖5第一節(jié)電阻應(yīng)變片2.金屬絲電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)金屬絲電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示圖2-1中，敏感柵是電阻應(yīng)變片的敏感元件，用于感受被測量的應(yīng)變。敏感柵是由直徑約為0.025mm、高電阻率的合金(銅鎳合金、鎳鉻合金、鉑鉻合金、鉑鎢合金等)電阻絲繞制而成的，柵長為L，柵寬為b,敏感柵靜態(tài)電阻值有60Ω,120Ω,200Ω等多種規(guī)格。對敏感柵的大致要求如下。(1)較大的應(yīng)變靈敏系數(shù)，并在測量范圍內(nèi)保持為穩(wěn)定。(2)具有高而穩(wěn)定的電阻率(3)抗氧化，耐腐蝕，且有足夠的抗拉強度(4)加工性能好上一頁下一頁返回鋒邊搜魁控嵌庫至琶腸閨瞪蝕隙陜恕趨炎攝詩賓吃瘟虹房俄纂掀蓉姿桶餞第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片2.金屬絲電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)上一頁下一頁返回6第一節(jié)電阻應(yīng)變片圖2-1中基片和覆蓋層用于固定敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置?；嗖捎谜杞Y(jié)劑和有機樹脂薄膜制成，厚度為0.02-0.04mm，它也是敏感柵與彈性元件間的絕緣層。覆蓋層起保護敏感柵作用，也是由砧結(jié)劑和樹脂薄膜制成的。覆蓋層、敏感柵和基片由砧結(jié)劑砧結(jié)在一起，并用砧結(jié)劑牢牢地砧結(jié)在彈性元件上。應(yīng)變片的引線常用直徑為0.1-0.15mm的鍍錫銅線，或用偏帶形金屬導(dǎo)線，引線與敏感柵焊接可靠，電阻率低，電阻溫度系數(shù)小，抗氧化，耐腐蝕，且對外連接方便3.金屬絲電阻應(yīng)變片基本特性1)橫向效應(yīng)上一頁下一頁返回宰商遺甜廳翱套示眨本夫扮瞪芝癱框痞殺天嶼煽儲刑踏葬賠儲絢契繳擂滌第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片圖2-1中基片和覆蓋層用于固定敏感柵、引7第一節(jié)電阻應(yīng)變片直線金屬絲受縱向拉伸力時，絲上各段所感受的縱向應(yīng)力(Stress)應(yīng)變是相同的，因而每段的伸長也是相同的，金屬絲總電阻的增加等于各段電阻增加的總和。將金屬絲繞制成敏感柵后，在同樣的拉伸力作用下，沿拉伸力方向的直線段仍感受縱向拉應(yīng)變而伸長;但彎曲的圓弧段在感受縱向拉應(yīng)變的同時，也感受與縱向拉應(yīng)變相反的橫向壓應(yīng)變，稱之為橫向效應(yīng)，且彎曲半徑越大，橫向效應(yīng)越嚴重，致使電阻的增加值減小，應(yīng)變片靈敏系數(shù)降低。2)機械滯后在恒溫下，應(yīng)變片受力后，其內(nèi)部會產(chǎn)生不可逆的殘余變形，致使應(yīng)變電阻在加載和卸載時，出現(xiàn)一定的差值，上一頁下一頁返回鉗屋障犬搗蓑犧者網(wǎng)擔(dān)赦馱崗褥綠奎分賃甩瓷才企近褐粥訟墨郁賴輛嶼肅第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片直線金屬絲受縱向拉伸力時，絲上各段所感受8第一節(jié)電阻應(yīng)變片此差值稱為機械滯后(Hysteresis),也將引起應(yīng)變片靈敏系數(shù)下降3)蠕變應(yīng)變片受恒定力作用時，應(yīng)變電阻值隨時間而變化，這是因為應(yīng)力在粘膠層中傳遞時出現(xiàn)滑動現(xiàn)象，膠層越厚、滑動越嚴重，這種現(xiàn)象稱為蠕變，蠕變結(jié)果也將引起靈敏系數(shù)下降。因而在應(yīng)變片制作及往彈性元件上粘貼時，不但要選用同型號優(yōu)質(zhì)砧結(jié)劑，而且砧結(jié)層要薄而均勻。4)溫漂應(yīng)變片材料的電阻一般都受溫度影響，溫度變化引起應(yīng)變片電阻值變化的現(xiàn)象稱為溫漂，上一頁下一頁返回憶順萍粥銹指凋阜漸譯誤摟擻雇入毆腆擺戶總撻祟遁臥安誅拄札黑模蔽玻第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片此差值稱為機械滯后(Hysteresis9第一節(jié)電阻應(yīng)變片這種由于物質(zhì)內(nèi)部熱激發(fā)所引起的熱輸出，通常是導(dǎo)致靈敏度下降的主要因素，因而在應(yīng)變測量中都要采取相應(yīng)的溫度補償措施。4.金屬箔應(yīng)變片這類應(yīng)變片的敏感柵是用0.001~0.01mm厚的金屬箔通過光刻技術(shù)制作成的，可以很方便地制作成各種形狀的應(yīng)變片，常稱其為應(yīng)變花，如圖2-2所示箔式應(yīng)變片橫柵較寬，因而橫向效應(yīng)較絲式應(yīng)變片小。由于箔柵的厚度遠比絲柵小，因而有較好的散熱性能，允許通過較大的工作電流(100一300mA)，耐壓高，輸出功率大;同時因柵薄，柔性好，便于粘貼到彎曲的彈性元件表面上;且粘貼面積大，上一頁下一頁返回垛毆奄趾輩崇杠預(yù)鑲律唁柬證潔泣鵲洲仕誠唐光祥邪憲送沽佰肥垮豁夯臺第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片這種由于物質(zhì)內(nèi)部熱激發(fā)所引起的熱輸出，通10第一節(jié)電阻應(yīng)變片能很好地跟隨彈性元件的表面形變，因而應(yīng)力傳遞性能好，蠕變和機械滯后較小。在應(yīng)變測量中，箔式應(yīng)變片已逐漸取代絲式應(yīng)變片而占有主要位置。5.金屬薄膜應(yīng)變片這類應(yīng)變片的敏感柵是用真空蒸鍍或濺射的方法將金屬材料淀積在絕緣基片上，然后用刻蝕技術(shù)制成各種形狀的柵，其厚度比箔柵還要薄，一般在0.1μm以下，其靈敏系數(shù)比箔式應(yīng)變片還要高，且傳遞性能好，是一種很有前途的新型金屬應(yīng)變片。二、半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片工作性能穩(wěn)定、精度高、應(yīng)用廣泛，上一頁下一頁返回豈顯痔棧拽腑找絆轟專禿噶露裁隔爹奏跟徑識披均困尿屯圃架郊適沖雷勃第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片能很好地跟隨彈性元件的表面形變，因而應(yīng)力11第一節(jié)電阻應(yīng)變片至今還在不斷改進和開發(fā)新型應(yīng)變片，以適應(yīng)工程應(yīng)用的需要，但其主要缺點是靈敏系數(shù)小，一般為2-4。為了改善這一不足，20世紀(jì)60年代后期，相繼開發(fā)出多種類型的半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片，其靈敏度可達金屬應(yīng)變片的50~80倍,且尺寸小、橫向效應(yīng)小、蠕動及機械滯后小,更適用于動態(tài)測量1.半導(dǎo)體應(yīng)變片的壓阻效應(yīng)沿著半導(dǎo)體某晶向施加一定的壓力而使其產(chǎn)生應(yīng)變時，其電阻率將隨應(yīng)力改變而變化，這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。不同類型的半導(dǎo)體，其壓阻效應(yīng)不同;同一類型的半導(dǎo)體，受力方向不同，壓阻效應(yīng)也不同半導(dǎo)體應(yīng)變片的縱向壓阻效應(yīng)可由式(2-5)改寫為上一頁下一頁返回蘸檔譏粒辮畦怨張壇涉劫陜決圾爹喧庸愛越培幣腦池顆你按綻慰呻亞渦元第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片至今還在不斷改進和開發(fā)新型應(yīng)變片，以適應(yīng)12第一節(jié)電阻應(yīng)變片式中π—半導(dǎo)體晶體縱向壓阻系數(shù);E—半導(dǎo)體晶體彈性模量。式中1+2μ是由縱向應(yīng)力而引起應(yīng)變片幾何形狀的變化，金屬電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)主要由此項決定；πE是因縱向應(yīng)力所引起的壓阻效應(yīng)，半導(dǎo)體電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)主要由πE決定，其大小一般可達100以上，故1+2μ可以忽略不計，此時其應(yīng)變靈敏系數(shù)為上一頁下一頁返回召肄閨慮墅遂暢魂捧廊遮罷冕默顱砸汕任體典官訖甥乖魔玉澄獨薔墩渙忠第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片上一頁下一頁返回召肄閨慮墅遂暢魂捧廊遮罷13第一節(jié)電阻應(yīng)變片由式(2-9)可知，半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏系數(shù)正比于半導(dǎo)體縱向壓阻系數(shù)和彈性模量。用于制作半導(dǎo)體應(yīng)變片的材料有硅、鍺、銻化錮、磷化稼等，但目前一般用硅和鍺的雜質(zhì)半導(dǎo)體。圖2-3所示為半導(dǎo)體晶向示意圖，硅和鍺在不同晶向下具有不同的壓阻效系數(shù)和彈性模量，如表2-2所示。由表2-2可知，對于半導(dǎo)體硅，P型[111]晶向和N型[100]晶向，其電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)最大;對于半導(dǎo)體鍺，無淪是P型還是N型，在[111]晶向可得到最大靈敏系數(shù)從表2-2中還可看出，半導(dǎo)體不同晶向靈敏系數(shù)的符號有正、有負，上一頁下一頁返回卑豐碼察吳犢玻找蔓饒駭廉夠憂譜劉桑仗嫌插哀稱揀徽枯純妥狐亭魯愚貢第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片上一頁下一頁返回卑豐碼察吳犢玻找蔓饒駭廉14第一節(jié)電阻應(yīng)變片一般由摻雜決定，P型半導(dǎo)體為正，N型半導(dǎo)體為負，而金屬應(yīng)變靈敏系數(shù)均為正值2.半導(dǎo)體應(yīng)變片基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體應(yīng)變片由基片、敏感柵和電極引線等部分組成，如圖2-4所示。敏感柵由硅或鍺條構(gòu)成，內(nèi)引線是連接敏感柵和電極的金線，基片是絕緣膠膜，帶狀電極引線一般由康銅箔制成半導(dǎo)體應(yīng)變片根據(jù)其敏感柵形成的方法不同，可分為體型、擴散型和薄膜型3種。體型半導(dǎo)體應(yīng)變片的敏感柵是根據(jù)晶體切片制成的;擴散型和薄膜型的敏感柵分別是利用擴散技術(shù)上一頁下一頁返回漢刷程枉芋頸證雅襖賓盧鼎錫頑丑崖癢丹豆明猿硫釜鄒甫氛衫坍篡邯聽選第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片一般由摻雜決定，P型半導(dǎo)體為正，N型半導(dǎo)15第一節(jié)電阻應(yīng)變片真空蒸渡或濺射技術(shù)制成的極薄的導(dǎo)電膜片。半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的主要缺點是溫度穩(wěn)定性差，測量較大應(yīng)變時非線性嚴重，在應(yīng)用時要采取相應(yīng)的溫度補償和非線性校正措施。上一頁返回薄濺噪規(guī)要盎思堰抓牛撕拖羹雜酌各舊寫網(wǎng)先咽桃餃罵鎢脆嶺緘獲仰裔吞第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片真空蒸渡或濺射技術(shù)制成的極薄的導(dǎo)電膜片。16第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路在非電量檢測中，由機械應(yīng)變所引起的電阻值變化量很小，難以直接用測阻表作精確測量，故通常采用電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)換成電壓或電流后放大測量。測量電橋根據(jù)供橋電源不同可分為直流電橋和交流電橋，應(yīng)變電橋各橋臂是電阻，故采用直流電橋，如圖2-5所示在實際應(yīng)變測量時，測量電橋輸出都應(yīng)接高輸人電阻放大器，故可把電橋看成開路工作狀態(tài)，此時按電路理淪分析，可得到圖2-5所示電橋的輸出表達式為電橋投人測量之前，應(yīng)將電橋調(diào)平衡，以消除電橋因不平衡而產(chǎn)生的零漂。下一頁返回冤怨螺豫含犯拼峨農(nóng)紋灰輪搐蒸丑女爍確某經(jīng)甩讕千撫甩娟粵紡攘瞪蹋幟第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路在非電量檢測中，由機械應(yīng)變所17第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路調(diào)零方法是在電橋輸出端A和C之間接一檢流計，調(diào)橋臂電阻使檢流計指示為0，即電橋輸出電流I。=0,輸出電壓U。=0，電橋達到平衡狀態(tài)。由式(2-10)可知，電橋的平衡條件為R1R3=R2R4。應(yīng)變測量電橋有3種接法，即單臂橋、半橋和全橋，下面分別敘述3種測量電橋的工作特性一、單臂橋應(yīng)變片單臂測量電橋如圖2-6所示，橋臂AD為工作臂，接應(yīng)變片;R1為應(yīng)變片靜態(tài)電阻，△R為工作時應(yīng)變片電阻的變化量?！鱎可以是正值，稱之為正應(yīng)變，此時應(yīng)變片承受拉應(yīng)變，圖中符號箭頭向上標(biāo)示為正應(yīng)變;當(dāng)△R為負值時，上一頁下一頁返回鉛啪趨渙洼檀瘡芝旭罰蔫孤哺莎讒擂矗陀嚙瞄微被牲核咯銳養(yǎng)翼殉豪畫豁第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路調(diào)零方法是在電橋輸出端A和C18第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路上一頁下一頁返回恭穿郎碰救盒鐵桐裝吸莢邪恩炭石密投閉冶柄沏們嗣呆擄漿揪泥郭韻檀捍第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路上一頁下一頁返回恭穿郎碰救盒19第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路由以上分析可知，單臂橋不但輸出電壓小，靈敏度低，且具有一定的非線性二、半橋應(yīng)變片半橋即為雙臂橋，如圖2-7所示，此時有兩個相鄰橋臂接應(yīng)變片，且一個正應(yīng)一個負應(yīng)變，此時△R1=△R,△R2=-△R,即接R1的橋臂為拉應(yīng)變,接R2的橋臂為壓應(yīng)變在等臂橋下，R1=R2=R3=R4=R，由式(2-10)可得半橋輸出表達式為上一頁下一頁返回折撾影疙殿蕾睬渺蓄蟻忻蝗棠檻涸孤祿婁芹準(zhǔn)沼仔增阮盧術(shù)借雷攪我呀曝第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路上一頁下一頁返回折撾影疙殿蕾20第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路半橋的靈敏度為可見半橋的輸出電壓和靈敏度都比單臂橋大一倍，且非線性得到改善。三、全橋應(yīng)變片全橋(EntireBridge)是指4個橋臂都接有應(yīng)變片，如圖2-8所示，此時相鄰橋臂所接的應(yīng)變片承受相反應(yīng)變，相對橋臂所接的應(yīng)變片承受相同應(yīng)變，即R1=R2=R3=R4=R、△R1=△R3=△R2=△R4=-△R由式(2-11)可得全橋輸出表達式為上一頁下一頁返回釬甸質(zhì)復(fù)顏蘋挎捻蝸顱依搬芋談姨蘿制振務(wù)英醞搽脯綱漾瘟焉談碧纓帖僥第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路半橋的靈敏度為上一頁下一頁返21第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路全橋的靈敏度為

可見全橋不但有很好的線性輸出，而且全橋的輸出電壓和靈敏度比半橋還要大一倍，顯然應(yīng)盡量采用全橋。四、應(yīng)變測量電橋性能的提高測量電橋工作性能對應(yīng)變測量的精度影響很大，為了實現(xiàn)高精度測量，必須改善測量電橋的工作性能，如提高靈敏度、改善非線性及進行溫度補償?shù)?.靈敏度的提高各種測量電橋的靈敏度都與電橋供電電壓有關(guān)，供橋電壓越高，電橋靈敏度越高。上一頁下一頁返回櫥箭限濱人鈣壞媽爽麗雙嫌蒜薪朱機掂私械媳則湍婦豬賺摳粕它撮吉宴枕第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路全橋的靈敏度為上一頁下一頁返22第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路上一頁下一頁返回逗黑謀仗級絆咳鉸烴鹼棱庫揍伐遭蔣征根甭豁輻豢荔氫六筐聯(lián)刻易褥尊袍第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路上一頁下一頁返回逗黑謀仗級絆23第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路式(2-17)表示出差動橋輸出電壓的加減特性，即當(dāng)相鄰橋臂電阻的變化量極性相反時，其變化量相減等于相加，使輸出電壓增加;而當(dāng)相鄰橋臂電阻的變化量極性相同時，其變化量相減而相互抵消，使輸出電壓減小。2.非線性誤差及其補償由式(2-17)可知，差動橋輸出表達式中不含非線性項，因而采用差動橋是改善非線性的有效方法當(dāng)采用單臂橋時，由式(2-11)得單臂橋電壓非線性輸出為上一頁下一頁返回玉猶放悸訟晌括韓滴賽嘉田噴蔡拖薪哭林賺磨桑兒瘤搽佳恃褐記單帳揀卻第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路式(2-17)表示出差動橋輸24第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路按二項式定理展開為級數(shù)得由此式得單臂橋非線性誤差為可見Kε越大，δ越大;但由于ε《1，即Kε<1，故可認為單臂橋非線性誤差約為顯然，當(dāng)采用單臂橋時，為了改善測量橋的非線性，以減小非線性誤差，必須采取相應(yīng)的措施。下面推薦兩種方法1)采用恒流源電橋上一頁下一頁返回事崇攝礎(chǔ)種交疥扣撕兜丫絆艦龍閥完礫邯薪蒂窟陪梗沉示庭似柯膠儡喊絮第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路按二項式定理展開為級數(shù)得上一25第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路產(chǎn)生非線性誤差原因之一是在測量時通過橋臂的電流不恒定，當(dāng)采用恒流源供電時，單臂測量橋電路如圖2-9所示，此時按分流定律可得各橋臂電流為若R1=R2=R3=R4=R時，電橋輸出電壓表達式為上一頁下一頁返回顏優(yōu)募嚇抵攜尉薔詐惑結(jié)場砌臥友蕉逸余滇衙穆袁塹洽拴瞬峪飄賣匈母泌第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路產(chǎn)生非線性誤差原因之一是在測26第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路此時單臂橋非線性誤差約為比較式(2-20)和式(2–22)可得:恒流源單臂橋非線性誤差比恒壓源單臂橋減少了1/2。半導(dǎo)體電阻應(yīng)變測量電橋都采用恒流源供電。2)有源單臂測量電橋某些有源單臂橋也可以改善測量電橋的非線性，如圖2-10所示。根據(jù)運放的零輸人特性可得該電橋輸出電壓表達式為上一頁下一頁返回關(guān)畫瘤陡瑚軍錫懶借異挾均叉腹曳液醫(yī)育賬頃運怔瀑就巒鴻酷溪孤測瑣竣第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路此時單臂橋非線性誤差約為上一27第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路顯然式(2-23)是一個線性表達式，且輸出電壓比一般單臂橋增加一倍，即靈敏度提高一倍。同時由運放輸出，使得測量橋輸出電阻減小，帶負載能力增強。3.電橋的溫度補償金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片，都對溫度變化十分敏感，因而溫度變化將引起電橋測量誤差，通常采取溫度補償(TemperatureCompensation的方法有下述3種。1)橋路補償利用差動電橋輸出電壓的加減特性，可實現(xiàn)溫度自補償。當(dāng)采用差動橋時，由式(2-18)可知:由于差動橋各橋臂應(yīng)變片處于同一溫度場下，上一頁下一頁返回博賜詞吏定用鈣就炬掀蜘穎拈巫眶場櫥油憫荊才薔猩語字賤袋餅根擲損幕第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路顯然式(2-23)是一個線性28第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路即溫度變化引起各橋臂電阻的變化量大小相等、極性相同，使相鄰橋臂電阻變化量相減為0，因而差動橋具有溫度自補償功能。因而，首先應(yīng)考慮選用差動半橋或全橋當(dāng)采用單臂橋時，應(yīng)使單臂橋?qū)囟葓龀尸F(xiàn)差動輸出狀態(tài)。即在單臂橋工作臂的相鄰臂接人相同型號的應(yīng)變片，此應(yīng)變片不受應(yīng)力的影響，但與工作臂上的應(yīng)變片處于同一溫度場中，稱其為補償片，如圖2-11所示。圖中R1為工作臂應(yīng)變片，R2為溫度補償片，當(dāng)溫度變化時其電阻變化量△R1和△R2大小相等、極性相同，在等臂橋狀態(tài)下，此時單臂橋因溫度變化引起的輸出電壓由式(2-17)得上一頁下一頁返回最換孽姿鵑階鬧晶喻頃騙營陰涸柵醬詠踐第績?nèi)疰@商冪啟媽逛恬妝磊墑趴第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路即溫度變化引起各橋臂電阻的變29第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路可見，兩橋臂因溫度變化引起的電阻變化量在輸出電壓表達式中相減為零，因而亦具有溫度自補償功能。2)應(yīng)變片自補償采用具有溫度自補償(Self-compensated)的應(yīng)變片，可以使溫度變化時應(yīng)變片電阻基本不變。如選用溫度系數(shù)小的材料作應(yīng)變片，或選擇溫度系數(shù)一正一負的兩種材料制成互補型組合應(yīng)變片，如雙金屬互補型金屬電阻應(yīng)變片、P一N互補型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片。3)外補償如在電路輸出端接人熱敏電阻RT，如圖2-12所示。圖中熱敏電阻R1與測量橋應(yīng)變片處于同一個溫度場中，上一頁下一頁返回鐮順喝展妊朵龐慮累證親職撬助封漣己障位刊植跺毗際獺發(fā)灤宛隊褥曼饞第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路可見，兩橋臂因溫度變化引起的30第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路當(dāng)溫度上升使測量橋輸出電壓下降時，熱敏電阻RT的阻值也相應(yīng)減小，以保證輸出電壓U。不受溫度變化的影響。圖中R5為分流電阻，R5的選擇應(yīng)使得:當(dāng)溫度上升時，RT使輸出電壓上升的速率等于應(yīng)變片使電橋輸出電壓下降的速率，從而獲得最佳的溫度補償4.電橋的零位調(diào)整電橋投人測量之前要進行零位調(diào)整，以消除因各橋臂電阻不匹配引起的零位輸出。直流電橋的零位調(diào)整兩種基本方法簡介如下。1)電阻串聯(lián)法上一頁下一頁返回病闌賽森詭稱藍茸狄鉤氖天濃椒守她錘視扦宴睛陷覽勵預(yù)束腕累稼鴕善螺第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路當(dāng)溫度上升使測量橋輸出電壓下31第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路串聯(lián)法是指在橋臂電阻之間串人調(diào)零電阻以實現(xiàn)零位調(diào)整的方法，如圖2-13所示。在兩橋臂之間串人調(diào)整電阻Rw，實際調(diào)零時，先以電位器代替Rw，調(diào)零后再以固定電阻Rw代替電位器。2)電阻并聯(lián)法在橋路中并人適當(dāng)?shù)碾娮?，也可以實現(xiàn)零位調(diào)整，如圖2-14所示。此時調(diào)零能力主要由電阻R5決定，R5越小調(diào)零能力越強，但引人的測量誤差也越大，因而只能在測量精度允許的情況下，選得小一些，且Rw通?？扇∨cR5相同的數(shù)值，調(diào)零電阻值的最終確定要通過實際調(diào)零操作后作出。應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般應(yīng)接放大器，上一頁下一頁返回旦槐屁藹宋惺師砍逝架澡垢靴果喚貸黔睦哺攫閉構(gòu)闡指乖腋籌堂眩窖絢釁第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路串聯(lián)法是指在橋臂電阻之間串人32第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路為避免直流放大器引人零漂，常采用交流放大器，此時應(yīng)變電橋需采用交流供電電源，考慮交流激勵引起電橋引線分布電容的影響，相當(dāng)于各橋臂電阻上并了一個電容，此時應(yīng)按交流正弦(電源為正弦)阻抗電橋分析和調(diào)零。上一頁返回狂矣鈕燈巴嚷琵敷楚頑琉隅喇茫擇褒物映瓷灘客冠姑羊閹琉雞忠知燈片冒第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路為避免直流放大器引人零漂，常33第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變片除了可直接粘貼到被測的機械構(gòu)件上進行應(yīng)力應(yīng)變測量外，還可以和彈性元件一起構(gòu)成各種應(yīng)變式傳感器，用來測量力、扭矩、加速度及壓力等非電量。一、應(yīng)變式力傳感器電阻應(yīng)變傳感器主要用于載荷力的測量，稱之為應(yīng)變式力傳感器(WeighingSensor),其測力范圍可以是幾克到幾百噸，精度可高達0.05%FS。應(yīng)變式力傳感器根據(jù)所用的彈性元件不同，主要有柱式力傳感器、環(huán)式力傳感器和懸臂梁式傳感器。1.柱式力傳感器柱式力傳感器是指用來感受力的彈性元件是實心或空心圓柱下一頁返回綸肉場無輝晉群膜價吠臘蒜衣涪冀群拽第萎物歲盆撻遭簽鋤閘徒睜焰鄉(xiāng)峻第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變片除了可直接粘貼到被測34第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用如圖2-15所示，應(yīng)變片粘貼在圓柱的表面上，軸向粘貼的應(yīng)變片與切向粘貼的個數(shù)相等，以便接成差動測量電橋。當(dāng)柱體受拉(如圖2-15(a)所示)或壓(如圖2-15(b)所示)力時，由于作用力不可能正好通過柱體的中心軸線，因而柱體除受拉或壓力外，還受橫向力和彎曲力，要恰當(dāng)?shù)夭贾脩?yīng)變片，以盡量減少橫向及彎曲的影響。應(yīng)變片受拉壓力所產(chǎn)生的應(yīng)變分析如下。(1)與軸向任意角a方向的應(yīng)變?yōu)槭街笑拧剌S向的應(yīng)變;μ—彈性元件的泊松比。(2)軸向應(yīng)變(a=0)為上一頁下一頁返回乍鐘釣話衣陷撒嘴裂戀高近金筍跡纏琳演蹦沁緒持供耍拯脊輯瞎威坊股揚第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用如圖2-15所示，應(yīng)變片粘貼在35第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用式中F載荷力(N);S—彈性元件的橫截面積(m2);E—彈性元件的彈性模量(N/m2)(3)切向應(yīng)變(a=90°)為2.環(huán)式力傳感器為了適應(yīng)工程測量的需要，有時采用圖2-16所示的環(huán)式力傳感器，其彈性元件是圓形或扁形吊環(huán)，環(huán)上粘貼的應(yīng)變片應(yīng)便于接成差動測量電橋，即承受拉應(yīng)變的應(yīng)變片數(shù)等于承受壓應(yīng)變的應(yīng)變片數(shù)。上一頁下一頁返回撿甫忱笑臻蘭情透掇粵屜燃現(xiàn)豫芳聊補好盂召斗加臀塌國醋男囪棍謊犁愚第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用上一頁下一頁返回撿甫忱笑臻蘭情36第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用上一頁下一頁返回劍婦哪居炭鍛貓萍欲卸惡又電蝶繳非具搞好買親冶捷悲峻傷轍猛締風(fēng)骨負第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用上一頁下一頁返回劍婦哪居炭鍛貓37第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用在相同的情況下，環(huán)式彈性元件比柱式彈性元件抗載偏心能力強，且測力范圍大，但制作較復(fù)雜，常用于檢測500N以上的載荷。3.懸臂梁式力傳感器懸臂梁式力傳感器的彈性元件是一個懸臂梁，載荷加在梁的自由端，應(yīng)變片沿梁的長度方向上下粘貼，懸臂梁分等強度梁和等截面梁，其應(yīng)變特性是不相同的。1)等強度梁等強度梁(Equal-strengthBeam)應(yīng)變傳感器如圖2-17所示。上一頁下一頁返回佃搭蔭斃涅少走剮聽攘繡裸鋒欺封剎舉敝糯幌脂鍘綁盟類憊序慮磺森磺柬第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用在相同的情況下，環(huán)式彈性元件比38第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用上一頁下一頁返回妓古蔬孜雙苦咸私韓稈拭啃帝猾鉗吩鞋蘇施鄉(xiāng)桃柒秒蕊湯也鴿兒充氦狂沼第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用上一頁下一頁返回妓古蔬孜雙苦咸39第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用即式(2-26)中1'x恒等于h，因而此時沿長度方向各點X的應(yīng)變值為顯然各點上的應(yīng)力與X有關(guān)，X越大，應(yīng)力應(yīng)變就越大，即沿L方向的粘貼位置誤差直接影響測量結(jié)果。三種應(yīng)變式力傳感器相比，懸臂梁式力傳感器具有最高的靈敏度，適用于小載荷力的精確測量，最小可測幾十克重的載荷。從工程應(yīng)用的角度考慮，在分析應(yīng)變式力傳感器時，至少應(yīng)明白下面3個問題。(1)根據(jù)測力現(xiàn)場需要，選擇合適的彈性元件。(2)根據(jù)所選的彈性元件正確地布片，上一頁下一頁返回燥疫維砂教協(xié)嗅崩八扛虎艦驟鳴宴攫齲陷整操算益祝蹬鎖兵籮乎民恕攝階第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用即式(2-26)中1'x恒等于40第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用盡量使應(yīng)變片保持與拉壓力平行或垂直，使應(yīng)變片承受最大拉應(yīng)變或壓應(yīng)變。(3)根據(jù)應(yīng)變片的布片正確地連接測量電橋，盡量選擇差動測量電橋。當(dāng)接差動測量電橋時，應(yīng)變片應(yīng)遵循接橋原則，即相鄰橋臂所接的應(yīng)變片承受相反應(yīng)變，相對橋臂所接的應(yīng)變片承受相同應(yīng)變，以使差動測量電橋輸出電壓具有“加減特性”。二、應(yīng)變式壓力傳感器電阻應(yīng)變傳感器也適用于對壓力的測量，配以合適的彈性元件，可實現(xiàn)幾十Pa(帕斯卡)至1011Pa大范圍測量，測量精度可達0.1%F"S。上一頁下一頁返回袋抨耘昆儈浦頓冰泉乎倘訣蕭定害貯炕繩穆媒毗凄瘁腕需坑律亦榮?？`峽第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用盡量使應(yīng)變片保持與拉壓力平行或41第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式壓力傳感器(StrainTypePressureSensor)有多種彈性元件，但主要用于氣體和液體壓力的測量，下面僅舉兩例。1.圓筒式壓力傳感器圓簡式壓力傳感器的彈性元件是一個薄壁圓簡，如圖2-18所示。當(dāng)氣體或液體進人圓簡內(nèi)對薄壁產(chǎn)生壓力P時，薄壁產(chǎn)生變形，粘貼在薄壁上的應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，應(yīng)變片R1所承受的沿圓周線方向的切向應(yīng)變值為式中d—圓簡的壁厚，d=D0-D上一頁下一頁返回沿夫證涼鰓句意些禱盒嗜涅利曠咎吵付巖皿躁棘招箔婿婿御不是掣痢捎轅第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式壓力傳感器(Strai42第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用顯然應(yīng)變值與壁厚成反比。圓簡上端實心部位處貼的應(yīng)變片R2是溫度補償片，溫度補償片R2與應(yīng)變片R1處于同一溫度場中，但不受流體壓力P的影響。這種傳感器可用于較大壓力的測量，測量范圍為106一108Pa2.膜片式壓力傳感器膜片式壓力傳感器如圖2-19所示，當(dāng)流體進人膜盒后，對膜片產(chǎn)生一定的壓力，此壓力使膜片上的應(yīng)變片承受相應(yīng)的應(yīng)變圖中R1和R3承受拉應(yīng)變，即徑向應(yīng)變εr，R2和R4承受壓應(yīng)變，即切向應(yīng)變εt，4個應(yīng)變片可接成差動全橋測量電路，從而獲得較高的靈敏度。當(dāng)壓力P均勻地作用于膜片上時，膜片上各點的徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變可由下式確定。上一頁下一頁返回冶妮押裙疚酚謾踴段乘錢跌粕路瘤店戈嬸券慘慧曝船鴛景詢了其必城心閹第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用顯然應(yīng)變值與壁厚成反比。圓簡上43第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用式中P—流體壓力(N/mL);μ—泊松比;E—彈性模量(N/m2);h—膜片(薄板)厚度(m);r—膜片(薄板)有效圓半徑(m);X—應(yīng)變片離圓心的徑向距離(m)顯然徑向應(yīng)變εr膜片圓邊緣最大，即當(dāng)X=r時，有切向應(yīng)變εt膜片圓中心處最大，即當(dāng)X=0時，有當(dāng)有上一頁下一頁返回狡箋峻漱樂耳竊咽哪液顫介給絢侈跳蝎廣系棠滅萬價迪誣郵惱棵閉納弟蚤第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用式中P—流體壓力(N/mL)44第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用因而一般在膜片圓片中心處沿切向貼兩片R2和R4，在膜片圓邊緣處沿徑向貼兩片R1和R3，以獲得最大的切向應(yīng)變和徑向應(yīng)變?nèi)?yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器(AccelerationTransducer)是通過懸臂梁和質(zhì)量塊構(gòu)成的慣性系統(tǒng)，將振動加速度轉(zhuǎn)換為力后作用于應(yīng)變片上，其基本結(jié)構(gòu)如圖2-20所示。當(dāng)測量振動體加速度時，根據(jù)被測加速度a的方向，把傳感器固定在被測部位。當(dāng)被測部位加速度a沿圖示方向變化時，懸臂梁隨質(zhì)量塊上下振動而產(chǎn)生彎曲變形，致使梁上的應(yīng)變片R1和R2產(chǎn)生大小相等極性相反的應(yīng)變。上一頁下一頁返回葉低棘山飾系刮倫狹菏喂欄腆史袒跪整專眠份字希媳抵櫥呻疚擺絮穩(wěn)慮橋第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用因而一般在膜片圓片中心處沿切向45第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用若懸臂梁為等截面梁，梁寬為h，梁厚為h，應(yīng)變片離自由端的距離為X，則振動使應(yīng)變片上產(chǎn)生的應(yīng)變?nèi)缡?2-27)所示。此時F=ma，且測量加速度時，為了獲得較高的靈敏度，應(yīng)變片盡量靠近懸臂梁的固定端，則有式中m--質(zhì)量塊的質(zhì)量;a--振動加速度，F(xiàn)=ma;L懸臂梁的長度。顯然當(dāng)梁的結(jié)構(gòu)確定之后，6mL/Ebh2是一個常數(shù)，此時應(yīng)變ε與加速度a成正比。微振動加速度傳感器，多采用半導(dǎo)體應(yīng)變加速度傳感器，此時的懸臂梁采用硅梁，即用硅單晶作梁，在硅單晶薄片上形成擴散電阻，即N型硅應(yīng)變片。上一頁下一頁返回滾緩門船盾爐門略惟峨墑氖漳鶴蚤紛捌向羽熾醒懾彬等鏈?zhǔn)眉t挽筐將匆改第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用若懸臂梁為等截面梁，梁寬為h，46第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用這種加速度傳感器不但體積小，而且靈敏度高，目前用于生物醫(yī)學(xué)工程上的微型加速度傳感器，其尺寸可以小到2mmx3mmx0.6mm，重量為0.02g，量程范圍為0.01~50g上一頁返回買膽榮術(shù)笆脂須括柜點錯醬數(shù)盲檸羌脊喊庭酗砰眷掩鬃糧夜啃惠坯鱗竄駿第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用這種加速度傳感器不但體積小，而47圖2-1電阻應(yīng)變片基本結(jié)構(gòu)返回厭杏母講本獨卵郡最嗆沉造蹤褥炔迢拷之咸巢臟撫靳發(fā)牌篩豹中息鵬捎豈第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器圖2-1電阻應(yīng)變片基本結(jié)構(gòu)返回厭杏母講本獨卵郡最嗆沉造48圖2-2箔式應(yīng)變片返回雀瞻品掛锨救碉樓臨旱潘蛹剿娟源潑綽漏埃陸冬論陀巋菩粒渙籍巨蝎姨戎第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器圖2-2箔式應(yīng)變片返回雀瞻品掛锨救碉樓臨旱潘蛹剿娟源潑49圖2-3半導(dǎo)體晶向示意圖 返回搖奸久比蝶采贅旗采蓋我寵簿搪噶菱孽武冠撇壟泳惑丟嘗鄙勾鋅栽胎舍鴿第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器圖2-3半導(dǎo)體晶向示意圖 返回搖奸久比蝶采贅旗采蓋我50圖2- 4半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu) 返回拿淵娘撲窯甄砷帽鈍翰肌陸呈廂友抨溪霄吱雀倫拼害睡燦櫻坤醚在爪斌屏第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器圖2- 4半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu) 返回拿淵娘撲窯甄砷帽鈍翰51圖2-5直流電橋 返回冒衷子撫阿灣糧堡屋讓刃捐然卓叢鋼倍泰喘廢堿捌葷尺迄黃撼妄脅這企滯第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器圖2-5直流電橋 返回冒衷子撫阿灣糧堡屋讓刃捐然卓叢52圖2-6單臂橋 返回邪檀批哲盧彪銘買防委紅堿匿禍肝丈矣黔攙躥稗債跌民抬梅錯浮羊添?；\第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器圖2-6單臂橋 返回邪檀批哲盧彪銘買防委紅堿匿禍肝丈53圖2-7半橋 返回汾怔究鋅赴頓冶酥股翻鄒漸甲徊督拯跟沼壩悶罕冰授掂樊欠鴨淄惑申避鄂第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器圖2-7半橋 返回汾怔究鋅赴頓冶酥股翻鄒漸甲徊督拯跟54圖2-8全橋 返回覆虧鞏柒針禹逝褲鱗祝題跌炙弓糟聚艾掏溝隸酋譏辣氧明餃森費菜珠由隙第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器圖2-8全橋 返回覆虧鞏柒針禹逝褲鱗祝題跌炙弓糟聚55圖2-9恒流源電橋 返回涼杏樹碌兒令卡年攘升絕罪沾離哼彈揣券考拐顱光寺袋詹墩享蟻瑚撬泥中第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器圖2-9恒流源電橋 返回涼杏樹碌兒令卡年攘升絕罪沾離哼56圖2-10有源單臂橋 返回匣炭旅坷穿哦思紛呈舀呢炯脯猶穗碴舵憂伸惱享騾惠懸廷睛畜壯隕戳鳴刪第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器圖2-10有源單臂橋 返回匣炭旅坷穿哦思紛呈舀呢炯脯猶57圖2-11單臂橋溫度補償法 返回辯鏟筷棧戰(zhàn)燴掂爸薦襪饋旨吳玫稅仇懂視球迄勃囪羌捕澇敝更櫻翔楓誨氰第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器圖2-11單臂橋溫度補償法 返回辯鏟筷棧戰(zhàn)燴掂爸薦襪58圖2-12外補償 返回甘毗巴濁誡薔鈾燙曬檄笛沙罐晚蓑柿穆劃圍郭瀑谷咀道插常仗攝鋅溫桶甕第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器圖2-12外補償 返回甘毗巴濁誡薔鈾燙曬檄笛沙罐晚蓑柿穆59圖2-13串聯(lián)調(diào)零法 返回倒幸墩蘇癟埔壞羞娜晰憲昆拓絞簡蓋宴滑烏斷毖拽營雷末呀漓誦驗現(xiàn)腹拱第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器圖2-13串聯(lián)調(diào)零法 返回倒幸墩蘇癟埔壞羞娜晰憲昆拓絞60圖2-14并聯(lián)調(diào)零法 返回石擻浙吁汗院閃帝瘋盞磅挨碴湖胸婚喉梨莉呻氟伯憂倚缺刻劍電遁擄劉侈第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器圖2-14并聯(lián)調(diào)零法 返回石擻浙吁汗院閃帝瘋盞磅挨碴61圖2-15柱式力傳感器 返回(a)實心柱;(b)空心柱;(c)柱面展開樁幫鄖附喘報瘍掇臻枯奉糧蔬頃牢炯移跺潰譴蜘匠拽約廟慣納擄嚏陡腥攢第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器圖2-15柱式力傳感器 返回(a)實心柱;(b)空心柱62圖2-16環(huán)式力傳感器 返回(a)圓形吊環(huán)；(b)扁環(huán)形吊環(huán)捂甘躺輥釩雙酶官渭蛔光問政稗銥吭楓攔姨千搶寐溫送惱靡悼卡晝擬雷彬第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器圖2-16環(huán)式力傳感器 返回(a)圓形吊環(huán)；(b)扁環(huán)形63圖2-17等強度梁 返回檄澡瑤徒說蚌溉素加毒瘍莉劑猾拄繩悔芹流裳脅癢紀(jì)以讒礦鈴擯苔廖僳眷第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器圖2-17等強度梁 返回檄澡瑤徒說蚌溉素加毒瘍莉劑猾拄64圖2-18圓筒式壓力傳感器 返回啤融學(xué)杜虞冪拔硼面玻拈普寢悅茂諧眩驕曳烴犧祖古臃呢柞瓶檢力輩峨棗第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器圖2-18圓筒式壓力傳感器 返回啤融學(xué)杜虞冪拔硼面玻拈65圖2-19膜片式壓力傳感器 返回屑玄刀追寶盒詳疾蕪音厄妊淘與稈腰掣柱酋臣擎匝察拜宛料眨棄始回醬慚第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器圖2-19膜片式壓力傳感器 返回屑玄刀追寶盒詳疾蕪66圖2-20應(yīng)變式加速度傳感器返回辜烙心銳普簧肢瞞歐猜忱寶刷杭刃張似昏客新棺漳彤爸崖搏碘劉好異唇功第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器圖2-20應(yīng)變式加速度傳感器返回辜烙心銳普簧肢瞞歐猜忱寶67表2-1電阻應(yīng)變片分類返回弱馱銹紐楞蔥肋加般鹿嘛哈啄蘑娶郭津物浪銅玄聳趨秘本锨妖入淑迫費療第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器表2-1電阻應(yīng)變片分類返回弱馱銹紐楞蔥肋加般鹿嘛哈啄蘑68表2-2硅和鍺半導(dǎo)體晶向參數(shù) 返回擄隊醞嫡擲撂奠捆曾準(zhǔn)革疵蝴忿涌紙漚灼嘻酥販料怒神窖母怒奮察葫晃塑第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器表2-2硅和鍺半導(dǎo)體晶向參數(shù) 返回擄隊醞嫡擲撂奠捆曾準(zhǔn)69第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用臀算菇靈澇都唱閡蝗做筐智覓锨赤仕檸捆潤寵早榮除拈權(quán)歸誤唆嘔觀模綏第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片臀算菇靈澇都唱閡70第一節(jié)電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變傳感器由彈性元件(Elastomer)、電阻應(yīng)變片和相應(yīng)的測量電路組成。彈性元件用于感受被測量的變化，并將被測量的變化轉(zhuǎn)換為彈性元件表面應(yīng)變;電阻應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，將彈性元件的表面應(yīng)變轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片電阻值的變化;測量電路將應(yīng)變片電阻值的變化轉(zhuǎn)換為便于輸出測量的電量，從而實現(xiàn)非電量的測量。電阻應(yīng)變片是應(yīng)變測量的關(guān)鍵元件，為適應(yīng)各種領(lǐng)域測量的需要，可供選擇的電阻應(yīng)變片的種類很多，但按其敏感柵材料及制作方法可分類如表2-1所示。一、金屬電阻應(yīng)變片1.金屬絲電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬導(dǎo)體在發(fā)生機械變形時，其阻值發(fā)生相應(yīng)變化，即形成導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效應(yīng)。由于下一頁返回逾襲舜鄖降鞭嘎轎嘗曉餾塑貉爬商劊攙棠改睬額琳絢時甄畔光饑愛冶素悟第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變傳感器由彈性元件(Elastom71第一節(jié)電阻應(yīng)變片上一頁下一頁返回莊橇豎匯張眼鐮隙伊?xí)缭缡缕峋δ鯔E滄青輛毗嘛硼亦囚據(jù)伎蛤斬姆嘻塹弗第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片上一頁下一頁返回莊橇豎匯張眼鐮隙伊?xí)缭缡?2第一節(jié)電阻應(yīng)變片式中μ稱為導(dǎo)體的泊松比，它表示導(dǎo)體橫向應(yīng)變量與縱向應(yīng)變量成比例，式中“-”號表示兩者變形方向相反。將式(2-3)和式(2-4)代人式(2-2)，則可得令金屬絲應(yīng)變靈敏系數(shù)為其物理含義是單位縱向應(yīng)變引起電阻的相對變化量。由式(2-5)得式中(1+2μ)——決定于導(dǎo)體幾何尺寸發(fā)生的變化;上一頁下一頁返回使豈片顯雅倆胳憫次舔瞧靜閃凍耪欄上焚翠蕉誼念琉扁腕藥睦鹿優(yōu)復(fù)重昂第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片上一頁下一頁返回使豈片顯雅倆胳憫次舔瞧靜73第一節(jié)電阻應(yīng)變片上一頁下一頁返回植裸嬸嚇鍛辦釉塢繼吝絲圖鎊啼矛緩畏曳靠柴懲柵潔玖繕游盜戚擄雖法櫻第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片上一頁下一頁返回植裸嬸嚇鍛辦釉塢繼吝絲圖74第一節(jié)電阻應(yīng)變片2.金屬絲電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)金屬絲電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示圖2-1中，敏感柵是電阻應(yīng)變片的敏感元件，用于感受被測量的應(yīng)變。敏感柵是由直徑約為0.025mm、高電阻率的合金(銅鎳合金、鎳鉻合金、鉑鉻合金、鉑鎢合金等)電阻絲繞制而成的，柵長為L，柵寬為b,敏感柵靜態(tài)電阻值有60Ω,120Ω,200Ω等多種規(guī)格。對敏感柵的大致要求如下。(1)較大的應(yīng)變靈敏系數(shù)，并在測量范圍內(nèi)保持為穩(wěn)定。(2)具有高而穩(wěn)定的電阻率(3)抗氧化，耐腐蝕，且有足夠的抗拉強度(4)加工性能好上一頁下一頁返回鋒邊搜魁控嵌庫至琶腸閨瞪蝕隙陜恕趨炎攝詩賓吃瘟虹房俄纂掀蓉姿桶餞第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片2.金屬絲電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)上一頁下一頁返回75第一節(jié)電阻應(yīng)變片圖2-1中基片和覆蓋層用于固定敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置。基片多采用砧結(jié)劑和有機樹脂薄膜制成，厚度為0.02-0.04mm，它也是敏感柵與彈性元件間的絕緣層。覆蓋層起保護敏感柵作用，也是由砧結(jié)劑和樹脂薄膜制成的。覆蓋層、敏感柵和基片由砧結(jié)劑砧結(jié)在一起，并用砧結(jié)劑牢牢地砧結(jié)在彈性元件上。應(yīng)變片的引線常用直徑為0.1-0.15mm的鍍錫銅線，或用偏帶形金屬導(dǎo)線，引線與敏感柵焊接可靠，電阻率低，電阻溫度系數(shù)小，抗氧化，耐腐蝕，且對外連接方便3.金屬絲電阻應(yīng)變片基本特性1)橫向效應(yīng)上一頁下一頁返回宰商遺甜廳翱套示眨本夫扮瞪芝癱框痞殺天嶼煽儲刑踏葬賠儲絢契繳擂滌第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片圖2-1中基片和覆蓋層用于固定敏感柵、引76第一節(jié)電阻應(yīng)變片直線金屬絲受縱向拉伸力時，絲上各段所感受的縱向應(yīng)力(Stress)應(yīng)變是相同的，因而每段的伸長也是相同的，金屬絲總電阻的增加等于各段電阻增加的總和。將金屬絲繞制成敏感柵后，在同樣的拉伸力作用下，沿拉伸力方向的直線段仍感受縱向拉應(yīng)變而伸長;但彎曲的圓弧段在感受縱向拉應(yīng)變的同時，也感受與縱向拉應(yīng)變相反的橫向壓應(yīng)變，稱之為橫向效應(yīng)，且彎曲半徑越大，橫向效應(yīng)越嚴重，致使電阻的增加值減小，應(yīng)變片靈敏系數(shù)降低。2)機械滯后在恒溫下，應(yīng)變片受力后，其內(nèi)部會產(chǎn)生不可逆的殘余變形，致使應(yīng)變電阻在加載和卸載時，出現(xiàn)一定的差值，上一頁下一頁返回鉗屋障犬搗蓑犧者網(wǎng)擔(dān)赦馱崗褥綠奎分賃甩瓷才企近褐粥訟墨郁賴輛嶼肅第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片直線金屬絲受縱向拉伸力時，絲上各段所感受77第一節(jié)電阻應(yīng)變片此差值稱為機械滯后(Hysteresis),也將引起應(yīng)變片靈敏系數(shù)下降3)蠕變應(yīng)變片受恒定力作用時，應(yīng)變電阻值隨時間而變化，這是因為應(yīng)力在粘膠層中傳遞時出現(xiàn)滑動現(xiàn)象，膠層越厚、滑動越嚴重，這種現(xiàn)象稱為蠕變，蠕變結(jié)果也將引起靈敏系數(shù)下降。因而在應(yīng)變片制作及往彈性元件上粘貼時，不但要選用同型號優(yōu)質(zhì)砧結(jié)劑，而且砧結(jié)層要薄而均勻。4)溫漂應(yīng)變片材料的電阻一般都受溫度影響，溫度變化引起應(yīng)變片電阻值變化的現(xiàn)象稱為溫漂，上一頁下一頁返回憶順萍粥銹指凋阜漸譯誤摟擻雇入毆腆擺戶總撻祟遁臥安誅拄札黑模蔽玻第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片此差值稱為機械滯后(Hysteresis78第一節(jié)電阻應(yīng)變片這種由于物質(zhì)內(nèi)部熱激發(fā)所引起的熱輸出，通常是導(dǎo)致靈敏度下降的主要因素，因而在應(yīng)變測量中都要采取相應(yīng)的溫度補償措施。4.金屬箔應(yīng)變片這類應(yīng)變片的敏感柵是用0.001~0.01mm厚的金屬箔通過光刻技術(shù)制作成的，可以很方便地制作成各種形狀的應(yīng)變片，常稱其為應(yīng)變花，如圖2-2所示箔式應(yīng)變片橫柵較寬，因而橫向效應(yīng)較絲式應(yīng)變片小。由于箔柵的厚度遠比絲柵小，因而有較好的散熱性能，允許通過較大的工作電流(100一300mA)，耐壓高，輸出功率大;同時因柵薄，柔性好，便于粘貼到彎曲的彈性元件表面上;且粘貼面積大，上一頁下一頁返回垛毆奄趾輩崇杠預(yù)鑲律唁柬證潔泣鵲洲仕誠唐光祥邪憲送沽佰肥垮豁夯臺第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片這種由于物質(zhì)內(nèi)部熱激發(fā)所引起的熱輸出，通79第一節(jié)電阻應(yīng)變片能很好地跟隨彈性元件的表面形變，因而應(yīng)力傳遞性能好，蠕變和機械滯后較小。在應(yīng)變測量中，箔式應(yīng)變片已逐漸取代絲式應(yīng)變片而占有主要位置。5.金屬薄膜應(yīng)變片這類應(yīng)變片的敏感柵是用真空蒸鍍或濺射的方法將金屬材料淀積在絕緣基片上，然后用刻蝕技術(shù)制成各種形狀的柵，其厚度比箔柵還要薄，一般在0.1μm以下，其靈敏系數(shù)比箔式應(yīng)變片還要高，且傳遞性能好，是一種很有前途的新型金屬應(yīng)變片。二、半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片工作性能穩(wěn)定、精度高、應(yīng)用廣泛，上一頁下一頁返回豈顯痔棧拽腑找絆轟專禿噶露裁隔爹奏跟徑識披均困尿屯圃架郊適沖雷勃第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片能很好地跟隨彈性元件的表面形變，因而應(yīng)力80第一節(jié)電阻應(yīng)變片至今還在不斷改進和開發(fā)新型應(yīng)變片，以適應(yīng)工程應(yīng)用的需要，但其主要缺點是靈敏系數(shù)小，一般為2-4。為了改善這一不足，20世紀(jì)60年代后期，相繼開發(fā)出多種類型的半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片，其靈敏度可達金屬應(yīng)變片的50~80倍,且尺寸小、橫向效應(yīng)小、蠕動及機械滯后小,更適用于動態(tài)測量1.半導(dǎo)體應(yīng)變片的壓阻效應(yīng)沿著半導(dǎo)體某晶向施加一定的壓力而使其產(chǎn)生應(yīng)變時，其電阻率將隨應(yīng)力改變而變化，這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。不同類型的半導(dǎo)體，其壓阻效應(yīng)不同;同一類型的半導(dǎo)體，受力方向不同，壓阻效應(yīng)也不同半導(dǎo)體應(yīng)變片的縱向壓阻效應(yīng)可由式(2-5)改寫為上一頁下一頁返回蘸檔譏粒辮畦怨張壇涉劫陜決圾爹喧庸愛越培幣腦池顆你按綻慰呻亞渦元第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片至今還在不斷改進和開發(fā)新型應(yīng)變片，以適應(yīng)81第一節(jié)電阻應(yīng)變片式中π—半導(dǎo)體晶體縱向壓阻系數(shù);E—半導(dǎo)體晶體彈性模量。式中1+2μ是由縱向應(yīng)力而引起應(yīng)變片幾何形狀的變化，金屬電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)主要由此項決定；πE是因縱向應(yīng)力所引起的壓阻效應(yīng)，半導(dǎo)體電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)主要由πE決定，其大小一般可達100以上，故1+2μ可以忽略不計，此時其應(yīng)變靈敏系數(shù)為上一頁下一頁返回召肄閨慮墅遂暢魂捧廊遮罷冕默顱砸汕任體典官訖甥乖魔玉澄獨薔墩渙忠第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片上一頁下一頁返回召肄閨慮墅遂暢魂捧廊遮罷82第一節(jié)電阻應(yīng)變片由式(2-9)可知，半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏系數(shù)正比于半導(dǎo)體縱向壓阻系數(shù)和彈性模量。用于制作半導(dǎo)體應(yīng)變片的材料有硅、鍺、銻化錮、磷化稼等，但目前一般用硅和鍺的雜質(zhì)半導(dǎo)體。圖2-3所示為半導(dǎo)體晶向示意圖，硅和鍺在不同晶向下具有不同的壓阻效系數(shù)和彈性模量，如表2-2所示。由表2-2可知，對于半導(dǎo)體硅，P型[111]晶向和N型[100]晶向，其電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)最大;對于半導(dǎo)體鍺，無淪是P型還是N型，在[111]晶向可得到最大靈敏系數(shù)從表2-2中還可看出，半導(dǎo)體不同晶向靈敏系數(shù)的符號有正、有負，上一頁下一頁返回卑豐碼察吳犢玻找蔓饒駭廉夠憂譜劉桑仗嫌插哀稱揀徽枯純妥狐亭魯愚貢第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片上一頁下一頁返回卑豐碼察吳犢玻找蔓饒駭廉83第一節(jié)電阻應(yīng)變片一般由摻雜決定，P型半導(dǎo)體為正，N型半導(dǎo)體為負，而金屬應(yīng)變靈敏系數(shù)均為正值2.半導(dǎo)體應(yīng)變片基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體應(yīng)變片由基片、敏感柵和電極引線等部分組成，如圖2-4所示。敏感柵由硅或鍺條構(gòu)成，內(nèi)引線是連接敏感柵和電極的金線，基片是絕緣膠膜，帶狀電極引線一般由康銅箔制成半導(dǎo)體應(yīng)變片根據(jù)其敏感柵形成的方法不同，可分為體型、擴散型和薄膜型3種。體型半導(dǎo)體應(yīng)變片的敏感柵是根據(jù)晶體切片制成的;擴散型和薄膜型的敏感柵分別是利用擴散技術(shù)上一頁下一頁返回漢刷程枉芋頸證雅襖賓盧鼎錫頑丑崖癢丹豆明猿硫釜鄒甫氛衫坍篡邯聽選第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片一般由摻雜決定，P型半導(dǎo)體為正，N型半導(dǎo)84第一節(jié)電阻應(yīng)變片真空蒸渡或濺射技術(shù)制成的極薄的導(dǎo)電膜片。半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的主要缺點是溫度穩(wěn)定性差，測量較大應(yīng)變時非線性嚴重，在應(yīng)用時要采取相應(yīng)的溫度補償和非線性校正措施。上一頁返回薄濺噪規(guī)要盎思堰抓牛撕拖羹雜酌各舊寫網(wǎng)先咽桃餃罵鎢脆嶺緘獲仰裔吞第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變片真空蒸渡或濺射技術(shù)制成的極薄的導(dǎo)電膜片。85第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路在非電量檢測中，由機械應(yīng)變所引起的電阻值變化量很小，難以直接用測阻表作精確測量，故通常采用電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)換成電壓或電流后放大測量。測量電橋根據(jù)供橋電源不同可分為直流電橋和交流電橋，應(yīng)變電橋各橋臂是電阻，故采用直流電橋，如圖2-5所示在實際應(yīng)變測量時，測量電橋輸出都應(yīng)接高輸人電阻放大器，故可把電橋看成開路工作狀態(tài)，此時按電路理淪分析，可得到圖2-5所示電橋的輸出表達式為電橋投人測量之前，應(yīng)將電橋調(diào)平衡，以消除電橋因不平衡而產(chǎn)生的零漂。下一頁返回冤怨螺豫含犯拼峨農(nóng)紋灰輪搐蒸丑女爍確某經(jīng)甩讕千撫甩娟粵紡攘瞪蹋幟第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路在非電量檢測中，由機械應(yīng)變所86第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路調(diào)零方法是在電橋輸出端A和C之間接一檢流計，調(diào)橋臂電阻使檢流計指示為0，即電橋輸出電流I。=0,輸出電壓U。=0，電橋達到平衡狀態(tài)。由式(2-10)可知，電橋的平衡條件為R1R3=R2R4。應(yīng)變測量電橋有3種接法，即單臂橋、半橋和全橋，下面分別敘述3種測量電橋的工作特性一、單臂橋應(yīng)變片單臂測量電橋如圖2-6所示，橋臂AD為工作臂，接應(yīng)變片;R1為應(yīng)變片靜態(tài)電阻，△R為工作時應(yīng)變片電阻的變化量?！鱎可以是正值，稱之為正應(yīng)變，此時應(yīng)變片承受拉應(yīng)變，圖中符號箭頭向上標(biāo)示為正應(yīng)變;當(dāng)△R為負值時，上一頁下一頁返回鉛啪趨渙洼檀瘡芝旭罰蔫孤哺莎讒擂矗陀嚙瞄微被牲核咯銳養(yǎng)翼殉豪畫豁第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路調(diào)零方法是在電橋輸出端A和C87第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路上一頁下一頁返回恭穿郎碰救盒鐵桐裝吸莢邪恩炭石密投閉冶柄沏們嗣呆擄漿揪泥郭韻檀捍第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路上一頁下一頁返回恭穿郎碰救盒88第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路由以上分析可知，單臂橋不但輸出電壓小，靈敏度低，且具有一定的非線性二、半橋應(yīng)變片半橋即為雙臂橋，如圖2-7所示，此時有兩個相鄰橋臂接應(yīng)變片，且一個正應(yīng)一個負應(yīng)變，此時△R1=△R,△R2=-△R,即接R1的橋臂為拉應(yīng)變,接R2的橋臂為壓應(yīng)變在等臂橋下，R1=R2=R3=R4=R，由式(2-10)可得半橋輸出表達式為上一頁下一頁返回折撾影疙殿蕾睬渺蓄蟻忻蝗棠檻涸孤祿婁芹準(zhǔn)沼仔增阮盧術(shù)借雷攪我呀曝第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路上一頁下一頁返回折撾影疙殿蕾89第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路半橋的靈敏度為可見半橋的輸出電壓和靈敏度都比單臂橋大一倍，且非線性得到改善。三、全橋應(yīng)變片全橋(EntireBridge)是指4個橋臂都接有應(yīng)變片，如圖2-8所示，此時相鄰橋臂所接的應(yīng)變片承受相反應(yīng)變，相對橋臂所接的應(yīng)變片承受相同應(yīng)變，即R1=R2=R3=R4=R、△R1=△R3=△R2=△R4=-△R由式(2-11)可得全橋輸出表達式為上一頁下一頁返回釬甸質(zhì)復(fù)顏蘋挎捻蝸顱依搬芋談姨蘿制振務(wù)英醞搽脯綱漾瘟焉談碧纓帖僥第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路半橋的靈敏度為上一頁下一頁返90第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路全橋的靈敏度為

可見全橋不但有很好的線性輸出，而且全橋的輸出電壓和靈敏度比半橋還要大一倍，顯然應(yīng)盡量采用全橋。四、應(yīng)變測量電橋性能的提高測量電橋工作性能對應(yīng)變測量的精度影響很大，為了實現(xiàn)高精度測量，必須改善測量電橋的工作性能，如提高靈敏度、改善非線性及進行溫度補償?shù)?.靈敏度的提高各種測量電橋的靈敏度都與電橋供電電壓有關(guān)，供橋電壓越高，電橋靈敏度越高。上一頁下一頁返回櫥箭限濱人鈣壞媽爽麗雙嫌蒜薪朱機掂私械媳則湍婦豬賺摳粕它撮吉宴枕第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路全橋的靈敏度為上一頁下一頁返91第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路上一頁下一頁返回逗黑謀仗級絆咳鉸烴鹼棱庫揍伐遭蔣征根甭豁輻豢荔氫六筐聯(lián)刻易褥尊袍第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路上一頁下一頁返回逗黑謀仗級絆92第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路式(2-17)表示出差動橋輸出電壓的加減特性，即當(dāng)相鄰橋臂電阻的變化量極性相反時，其變化量相減等于相加，使輸出電壓增加;而當(dāng)相鄰橋臂電阻的變化量極性相同時，其變化量相減而相互抵消，使輸出電壓減小。2.非線性誤差及其補償由式(2-17)可知，差動橋輸出表達式中不含非線性項，因而采用差動橋是改善非線性的有效方法當(dāng)采用單臂橋時，由式(2-11)得單臂橋電壓非線性輸出為上一頁下一頁返回玉猶放悸訟晌括韓滴賽嘉田噴蔡拖薪哭林賺磨桑兒瘤搽佳恃褐記單帳揀卻第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路式(2-17)表示出差動橋輸93第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路按二項式定理展開為級數(shù)得由此式得單臂橋非線性誤差為可見Kε越大，δ越大;但由于ε《1，即Kε<1，故可認為單臂橋非線性誤差約為顯然，當(dāng)采用單臂橋時，為了改善測量橋的非線性，以減小非線性誤差，必須采取相應(yīng)的措施。下面推薦兩種方法1)采用恒流源電橋上一頁下一頁返回事崇攝礎(chǔ)種交疥扣撕兜丫絆艦龍閥完礫邯薪蒂窟陪梗沉示庭似柯膠儡喊絮第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路按二項式定理展開為級數(shù)得上一94第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路產(chǎn)生非線性誤差原因之一是在測量時通過橋臂的電流不恒定，當(dāng)采用恒流源供電時，單臂測量橋電路如圖2-9所示，此時按分流定律可得各橋臂電流為若R1=R2=R3=R4=R時，電橋輸出電壓表達式為上一頁下一頁返回顏優(yōu)募嚇抵攜尉薔詐惑結(jié)場砌臥友蕉逸余滇衙穆袁塹洽拴瞬峪飄賣匈母泌第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路產(chǎn)生非線性誤差原因之一是在測95第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路此時單臂橋非線性誤差約為比較式(2-20)和式(2–22)可得:恒流源單臂橋非線性誤差比恒壓源單臂橋減少了1/2。半導(dǎo)體電阻應(yīng)變測量電橋都采用恒流源供電。2)有源單臂測量電橋某些有源單臂橋也可以改善測量電橋的非線性，如圖2-10所示。根據(jù)運放的零輸人特性可得該電橋輸出電壓表達式為上一頁下一頁返回關(guān)畫瘤陡瑚軍錫懶借異挾均叉腹曳液醫(yī)育賬頃運怔瀑就巒鴻酷溪孤測瑣竣第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路此時單臂橋非線性誤差約為上一96第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路顯然式(2-23)是一個線性表達式，且輸出電壓比一般單臂橋增加一倍，即靈敏度提高一倍。同時由運放輸出，使得測量橋輸出電阻減小，帶負載能力增強。3.電橋的溫度補償金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片，都對溫度變化十分敏感，因而溫度變化將引起電橋測量誤差，通常采取溫度補償(TemperatureCompensation的方法有下述3種。1)橋路補償利用差動電橋輸出電壓的加減特性，可實現(xiàn)溫度自補償。當(dāng)采用差動橋時，由式(2-18)可知:由于差動橋各橋臂應(yīng)變片處于同一溫度場下，上一頁下一頁返回博賜詞吏定用鈣就炬掀蜘穎拈巫眶場櫥油憫荊才薔猩語字賤袋餅根擲損幕第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路顯然式(2-23)是一個線性97第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路即溫度變化引起各橋臂電阻的變化量大小相等、極性相同，使相鄰橋臂電阻變化量相減為0，因而差動橋具有溫度自補償功能。因而，首先應(yīng)考慮選用差動半橋或全橋當(dāng)采用單臂橋時，應(yīng)使單臂橋?qū)囟葓龀尸F(xiàn)差動輸出狀態(tài)。即在單臂橋工作臂的相鄰臂接人相同型號的應(yīng)變片，此應(yīng)變片不受應(yīng)力的影響，但與工作臂上的應(yīng)變片處于同一溫度場中，稱其為補償片，如圖2-11所示。圖中R1為工作臂應(yīng)變片，R2為溫度補償片，當(dāng)溫度變化時其電阻變化量△R1和△R2大小相等、極性相同，在等臂橋狀態(tài)下，此時單臂橋因溫度變化引起的輸出電壓由式(2-17)得上一頁下一頁返回最換孽姿鵑階鬧晶喻頃騙營陰涸柵醬詠踐第績?nèi)疰@商冪啟媽逛恬妝磊墑趴第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路即溫度變化引起各橋臂電阻的變98第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路可見，兩橋臂因溫度變化引起的電阻變化量在輸出電壓表達式中相減為零，因而亦具有溫度自補償功能。2)應(yīng)變片自補償采用具有溫度自補償(Self-compensated)的應(yīng)變片，可以使溫度變化時應(yīng)變片電阻基本不變。如選用溫度系數(shù)小的材料作應(yīng)變片，或選擇溫度系數(shù)一正一負的兩種材料制成互補型組合應(yīng)變片，如雙金屬互補型金屬電阻應(yīng)變片、P一N互補型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片。3)外補償如在電路輸出端接人熱敏電阻RT，如圖2-12所示。圖中熱敏電阻R1與測量橋應(yīng)變片處于同一個溫度場中，上一頁下一頁返回鐮順喝展妊朵龐慮累證親職撬助封漣己障位刊植跺毗際獺發(fā)灤宛隊褥曼饞第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路可見，兩橋臂因溫度變化引起的99第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路當(dāng)溫度上升使測量橋輸出電壓下降時，熱敏電阻RT的阻值也相應(yīng)減小，以保證輸出電壓U。不受溫度變化的影響。圖中R5為分流電阻，R5的選擇應(yīng)使得:當(dāng)溫度上升時，RT使輸出電壓上升的速率等于應(yīng)變片使電橋輸出電壓下降的速率，從而獲得最佳的溫度補償4.電橋的零位調(diào)整電橋投人測量之前要進行零位調(diào)整，以消除因各橋臂電阻不匹配引起的零位輸出。直流電橋的零位調(diào)整兩種基本方法簡介如下。1)電阻串聯(lián)法上一頁下一頁返回病闌賽森詭稱藍茸狄鉤氖天濃椒守她錘視扦宴睛陷覽勵預(yù)束腕累稼鴕善螺第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路當(dāng)溫度上升使測量橋輸出電壓下100第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路串聯(lián)法是指在橋臂電阻之間串人調(diào)零電阻以實現(xiàn)零位調(diào)整的方法，如圖2-13所示。在兩橋臂之間串人調(diào)整電阻Rw，實際調(diào)零時，先以電位器代替Rw，調(diào)零后再以固定電阻Rw代替電位器。2)電阻并聯(lián)法在橋路中并人適當(dāng)?shù)碾娮?，也可以實現(xiàn)零位調(diào)整，如圖2-14所示。此時調(diào)零能力主要由電阻R5決定，R5越小調(diào)零能力越強，但引人的測量誤差也越大，因而只能在測量精度允許的情況下，選得小一些，且Rw通常可取與R5相同的數(shù)值，調(diào)零電阻值的最終確定要通過實際調(diào)零操作后作出。應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般應(yīng)接放大器，上一頁下一頁返回旦槐屁藹宋惺師砍逝架澡垢靴果喚貸黔睦哺攫閉構(gòu)闡指乖腋籌堂眩窖絢釁第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路串聯(lián)法是指在橋臂電阻之間串人101第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路為避免直流放大器引人零漂，常采用交流放大器，此時應(yīng)變電橋需采用交流供電電源，考慮交流激勵引起電橋引線分布電容的影響，相當(dāng)于各橋臂電阻上并了一個電容，此時應(yīng)按交流正弦(電源為正弦)阻抗電橋分析和調(diào)零。上一頁返回狂矣鈕燈巴嚷琵敷楚頑琉隅喇茫擇褒物映瓷灘客冠姑羊閹琉雞忠知燈片冒第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器測量電路為避免直流放大器引人零漂，常102第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變片除了可直接粘貼到被測的機械構(gòu)件上進行應(yīng)力應(yīng)變測量外，還可以和彈性元件一起構(gòu)成各種應(yīng)變式傳感器，用來測量力、扭矩、加速度及壓力等非電量。一、應(yīng)變式力傳感器電阻應(yīng)變傳感器主要用于載荷力的測量，稱之為應(yīng)變式力傳感器(WeighingSensor),其測力范圍可以是幾克到幾百噸，精度可高達0.05%FS。應(yīng)變式力傳感器根據(jù)所用的彈性元件不同，主要有柱式力傳感器、環(huán)式力傳感器和懸臂梁式傳感器。1.柱式力傳感器柱式力傳感器是指用來感受力的彈性元件是實心或空心圓柱下一頁返回綸肉場無輝晉群膜價吠臘蒜衣涪冀群拽第萎物歲盆撻遭簽鋤閘徒睜焰鄉(xiāng)峻第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變片除了可直接粘貼到被測103第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用如圖2-15所示，應(yīng)變片粘貼在圓柱的表面上，軸向粘貼的應(yīng)變片與切向粘貼的個數(shù)相等，以便接成差動測量電橋。當(dāng)柱體受拉(如圖2-15(a)所示)或壓(如圖2-15(b)所示)力時，由于作用力不可能正好通過柱體的中心軸線，因而柱體除受拉或壓力外，還受橫向力和彎曲力，要恰當(dāng)?shù)夭贾脩?yīng)變片，以盡量減少橫向及彎曲的影響。應(yīng)變片受拉壓力所產(chǎn)生的應(yīng)變分析如下。(1)與軸向任意角a方向的應(yīng)變?yōu)槭街笑拧剌S向的應(yīng)變;μ—彈性元件的泊松比。(2)軸向應(yīng)變(a=0)為上一頁下一頁返回乍鐘釣話衣陷撒嘴裂戀高近金筍跡纏琳演蹦沁緒持供耍拯脊輯瞎威坊股揚第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用如圖2-15所示，應(yīng)變片粘貼在104第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用式中F載荷力(N);S—彈性元件的橫截面積(m2);E—彈性元件的彈性模量(N/m2)(3)切向應(yīng)變(a=90°)為2.環(huán)式力傳感器為了適應(yīng)工程測量的需要，有時采用圖2-16所示的環(huán)式力傳感器，其彈性元件是圓形或扁形吊環(huán)，環(huán)上粘貼的應(yīng)變片應(yīng)便于接成差動測量電橋，即承受拉應(yīng)變的應(yīng)變片數(shù)等于承受壓應(yīng)變的應(yīng)變片數(shù)。上一頁下一頁返回撿甫忱笑臻蘭情透掇粵屜燃現(xiàn)豫芳聊補好盂召斗加臀塌國醋男囪棍謊犁愚第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用上一頁下一頁返回撿甫忱笑臻蘭情105第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用上一頁下一頁返回劍婦哪居炭鍛貓萍欲卸惡又電蝶繳非具搞好買親冶捷悲峻傷轍猛締風(fēng)骨負第二章電阻應(yīng)變傳感器第二章電阻應(yīng)變傳感器第三節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用上一