傳感器原理與應(yīng)用第四章：電阻應(yīng)變傳感器

傳感器原理與應(yīng)用第四章：電阻應(yīng)變傳感器第一頁，共四十七頁，2022年，8月28日學(xué)習(xí)要求1、掌握電阻應(yīng)變片的工作原理2、掌握電阻應(yīng)變式傳感器的檢測方法3、熟悉不同種類直流電橋的輸出特點4、熟悉電阻應(yīng)變式傳感器的典型應(yīng)用5、學(xué)習(xí)和掌握電阻應(yīng)變傳感器的創(chuàng)新應(yīng)用第二頁，共四十七頁，2022年，8月28日第三頁，共四十七頁，2022年，8月28日

電阻應(yīng)變式傳感器是將被測量的應(yīng)力（壓力、荷重、扭力等）通過所產(chǎn)生的金屬彈性形變轉(zhuǎn)換成電阻變化的檢測元件。

它由電阻應(yīng)變片和測量線路兩部分組成。目前應(yīng)用最廣泛的電阻應(yīng)變片有兩種：電阻絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。LFF第一節(jié)電阻應(yīng)變片第四頁，共四十七頁，2022年，8月28日各種金屬應(yīng)變片花第五頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.1應(yīng)變電阻效應(yīng)

導(dǎo)體產(chǎn)生機械變形時，電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“應(yīng)變電阻效應(yīng)”。

金屬絲受力拉長，截面積S變小，由 知，R將增大?！嗉磸较驊?yīng)變∵測量相對誤差：第六頁，共四十七頁，2022年，8月28日

金屬導(dǎo)線在受應(yīng)力拉長或縮短的時候,不僅長度要變,面積也要發(fā)生變化。其電阻的變化如何計算？第七頁，共四十七頁，2022年，8月28日

由材料力學(xué)知：橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變

的關(guān)系可以用泊松系數(shù)

來描述：∴應(yīng)變靈敏系數(shù)第八頁，共四十七頁，2022年，8月28日

要制成電阻應(yīng)變片，用單一金屬絲難以實現(xiàn)，所以用金屬絲繞制。如用直徑為0.015～0.05mm的細金屬絲繞成柵網(wǎng)狀，并粘貼在絕緣的基片上，兩側(cè)由引線接出，線柵上再覆蓋一層絕緣保護膜。一般線柵面積為310mm2,阻值為60～150

對于大多數(shù)金屬材料，泊松系數(shù)所以ks的數(shù)值在1.4～4.8之間，一般取ks為2（應(yīng)變片的靈敏度）左右。利用這種效應(yīng)制成傳感器，即為電阻應(yīng)變片。第九頁，共四十七頁，2022年，8月28日結(jié)構(gòu)及材料金屬絲電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)見圖。它主要由粘合層1、3，基底2、蓋片4，敏感柵5，引出線6構(gòu)成。第十頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.2

環(huán)境溫度對測量的影響

造成應(yīng)變片測量誤差的因素很多，測量時要加以考慮。其中環(huán)境溫度的影響是首要的誤差。而當(dāng)應(yīng)變金屬絲受環(huán)境溫度影響時，有：RT＝RT0[1+T（T－T0）]溫度系數(shù)T＝4.28×10-3/℃溫度變化1℃時，RT＝RT0（1+T），即，R/R＝(RT－RT0)/RT0=2×2140比較R/R＝ksl=2l（假設(shè)KS＝2）環(huán)境溫度變化1℃相當(dāng)于引起2140的應(yīng)變，必須解決。一般l應(yīng)變單位為幾百～幾千(1×10-6)第十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.3溫度補償措施1應(yīng)變片補償法

將兩個特性相同的應(yīng)變片，用同樣的方法粘貼在同樣材質(zhì)的兩個器件上，置于相同的溫度中，承受應(yīng)力的為工作片，不受應(yīng)力的為補償片。

測量時，如溫度變化兩個應(yīng)變片引起的電阻增量不但符號相同，而且數(shù)量相同，根據(jù)電橋平衡條件R1R4＝R2R3，電橋必然保持平衡。應(yīng)變片R1—測量元件應(yīng)變片R2—溫度補償元件R1R2R3R4U0第十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日2應(yīng)變片自補償

使用特殊的應(yīng)變片，使其溫度變化的電阻增量等于零或相互抵消，從而不產(chǎn)生測量誤差。

這是利用某些電阻材料的溫度系數(shù)有正負特性，將這兩種不同的電阻絲串聯(lián)成一個應(yīng)變片來實現(xiàn)的溫度補償，其條件是這兩段電阻絲柵隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，方向相反。即或，

這種溫度補償方法給應(yīng)變片的應(yīng)用帶來了方便，但不易達到理想的效果，而且成本較高。第十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日3熱敏電阻補償法

將熱敏電阻Rt置于應(yīng)變片相同的溫度下，可以進行溫度補償，有下列多種方式：UBTR1RtU0不變TR1RtU0不變R1R2R3R4RtU0R1R2RtR3U0B第十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日2.1電橋概述1〉電橋工作原理平衡條件：R1R2R3R4USU0第二節(jié)基本測量電路——電橋電路第十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日2〉電橋分類按輸入電源分：直流電橋、交流電橋、恒壓源電橋、恒流源電橋按被測電阻的接入方式分：—四個橋臂中只有一個橋臂是敏感元件，其它均為電阻；

—四個橋臂中有兩個敏感元件是相鄰橋 臂，這兩個敏感元件在測量對象中， 阻值變化大小相等，方向相反；

—四個橋臂中兩個敏感元件是相對橋 臂，變化大小相對，方向相同。單臂電橋差動電橋相對臂電橋雙差動電橋--四個敏感元件，分成大小相等、方向相反的兩對。第十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日按橋臂電阻的配備方式分：串聯(lián)對稱電橋(第一類對稱電橋)并聯(lián)對稱電橋(第二類對稱電橋)等臂電橋按電橋的工作方式分：平衡電橋不平衡電橋R1R2R3R4USU0a)對稱電橋R1＝R2,R3

＝R4R1＝R3，R2＝R4R1＝R2＝R3

＝R4b)不對稱電橋不滿足上述條件的電橋滿足R1R4＝R2R3又稱“全對稱電橋第十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日2.2不平衡單臂電橋的工作特性單臂R1為敏感元件變化的電橋輸出為：對串聯(lián)對稱電橋：由R1=R2,R3=R4,得由(Q是微小量)可展成泰勒級數(shù)：所以得：第十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日忽略后一項2/8，得理想輸出電橋電壓靈敏度：非線性度：可見，輸入量變化越大，非線性誤差越大。若要求電橋誤差小于0.03，即f≤3％則允許最大值為0.06（最大的測量范圍）其結(jié)論同全對稱電橋。第十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日2.3差動電橋的工作特性

設(shè)：且則靈敏度比單臂電橋高一倍線性度R1和R2為敏感元件第二十頁，共四十七頁，2022年，8月28日2.4雙差動電橋的工作特性靈敏度比差動電橋高一倍線性度

設(shè)：均為敏感元件R1＝R2＝R3＝R4且第二十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日2.4相對臂電橋的工作特性設(shè)得靈敏度較高，但非線性誤差較大，常用于極性顯示。第二十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日2.5提高不平衡電橋輸出線性度的方法2電橋輸出端串接一大阻值的電阻RLR1R2R3R4USU0RLIoU0R0RLIo當(dāng)RL>>R0電橋輸出電阻1采用差動電橋工作方式（前面已述）第二十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日3采用恒流源供電方式等臂電橋：若R1為敏感元件，有：R2R4R1R3ISUososUU4e=線性度：理想輸出：靈敏度：若US＝RIS供電，靈敏度近似不變，非線性誤差為

/2。第二十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日4采用有源電橋方式由得

有源電橋的輸出在較小范圍內(nèi)為線性，靈敏度較等臂電橋提高一倍，輸出信號的極性與無源電橋相反。RRRR+REoUs同相輸入反相輸入第二十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日2.6電橋調(diào)零

原被測量的總元件無變化時，輸出量應(yīng)為零。即滿足。若不平衡，則須調(diào)零。一般有兩種調(diào)零方式：串聯(lián)調(diào)零

應(yīng)用于R1、R2值較大的場合，此時，RW越小，對傳感器靈敏度的影響越小。USR1R2R3R4U0RW第二十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日并聯(lián)調(diào)零

該方式應(yīng)用于橋臂電阻R2、R4值較小的場合。此時，Rw越大，對橋路影響越小。R1R2R3R4USU0RW第二十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日2.7交流電橋Z1Z2Z3Z4～

采用交流電源供電的電橋稱為“交流電橋”。設(shè)Z1＝z1ej1Z2＝z2ej2Z3＝z3ej3Z4＝z4ej4交流電橋平衡的條件是：Z1Z4＝Z2Z3z1z4＝z2z31＋4＝2＋3交流電橋的調(diào)零要調(diào)兩個參數(shù)。第二十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日第三節(jié)電阻應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用第二十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日(1)力及扭矩的測量柱式轉(zhuǎn)換法差動法R1受縱向力變化R2受橫向力變化FFFR1R2環(huán)狀法FF在拉力作用下，內(nèi)環(huán)拉長，外環(huán)壓縮，可構(gòu)成雙差動電橋，靈敏度比差動電橋提高一倍。第三節(jié)電阻應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用第三十頁，共四十七頁，2022年，8月28日幾種梁式傳感器外形第三十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日(2)加速度的測量根據(jù)F=ma測得F便可以得到a。maF(3)流體壓力的測量測量原理：壓力位移應(yīng)力第三十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日第三十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置R1R2

R4第三十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF第三十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF第三十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日汽車衡第三十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日汽車衡第三十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日汽車衡稱重系統(tǒng)第三十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日電子天平電子天平的精度可達十萬分之一第四十頁，共四十七頁，2022年，8月28日人體秤

第四十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日吊鉤秤

便攜式第四十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手

可用于汽車、摩托車、飛機、內(nèi)燃機、機械制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2~500N.m，耗電量≤10mA，有公制/英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動斷電等功能。第四十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料應(yīng)變的測量斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測試

第四十四