第三章電阻應(yīng)變片式傳感器

第三章電阻應(yīng)變片式傳感器第一頁，共四十五頁，2022年，8月28日第三章、電阻應(yīng)變片式傳感器3.1概述1.傳感器定義傳感器是借助檢測(cè)元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。

物理量電量

目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。第二頁，共四十五頁，2022年，8月28日2.傳感器的構(gòu)成

傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測(cè)物理量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對(duì)敏感器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。3.1概述dV第三頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.傳感器的分類3.1概述1)按被測(cè)物理量分類常見的被測(cè)物理量機(jī)械量:長度,厚度,位移,速度,加速度,旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力,壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速,流量;聲:聲壓,噪聲.磁:磁通,磁場(chǎng).溫度:溫度,熱量,比熱.光：亮度，色彩第四頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.1概述機(jī)械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等.2)按工作的物理基礎(chǔ)分類:第五頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.1概述能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型.3)按信號(hào)變換特征:能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì).能量控制型:從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部供給能量的變化.例如:電阻應(yīng)變片.第六頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.1概述4)按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換.如:水銀溫度計(jì).結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變.例如:電容式和電感式傳感器.第七頁，共四十五頁，2022年，8月28日電阻應(yīng)變式傳感器--應(yīng)變片電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化象。3.2電阻應(yīng)變式傳感器第八頁，共四十五頁，2022年，8月28日1)工作原理(電阻應(yīng)變效應(yīng))上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會(huì)引起電阻變化,求導(dǎo)數(shù)3.2電阻應(yīng)變式傳感器金屬應(yīng)變片的電阻R為代入第九頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.2電阻應(yīng)變式傳感器有：金屬絲：金屬絲體積不變：第十頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.2電阻應(yīng)變式傳感器有：對(duì)金屬材料，導(dǎo)電率不變：金屬絲應(yīng)變片：第十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日應(yīng)變計(jì)3.2電阻應(yīng)變式傳感器金屬應(yīng)變計(jì)第十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.2電阻應(yīng)變式傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)簡化為：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度大;體積小;缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。第十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日3)應(yīng)變片的主要參數(shù)

4）其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。

3.2電阻應(yīng)變式傳感器1）幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用b×L表示。2）電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。3）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。第十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日1.直流電橋平衡條件E為電源電壓，R1、R2、R3及R4為橋臂電阻，RL為負(fù)載電阻當(dāng)RL→∞時(shí)，電橋輸出電壓為當(dāng)電橋平衡時(shí)，Uo=0，則有

或R1R4=R2R33)應(yīng)變片測(cè)量電路3.2電阻應(yīng)變式傳感器為電橋平衡條件第十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日2.電壓靈敏度

應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻值變化很小，電橋相應(yīng)輸出電壓也很小，一般需要加入放大器進(jìn)行放大。由于放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多，所以此時(shí)仍視電橋?yàn)殚_路情況。當(dāng)受應(yīng)變時(shí)，若應(yīng)變片電阻變化為ΔR，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo≠0，則電橋不平衡，輸出電壓為3.2電阻應(yīng)變式傳感器第十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.2電阻應(yīng)變式傳感器

設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于ΔR1<<R1，分母中ΔR1/R1可忽略，并考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3，則上式可寫為電橋電壓靈敏度定義為第十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日

從上式分析發(fā)現(xiàn)：①電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越高，電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓的提高受到應(yīng)變片允許功耗的限制，所以要作適當(dāng)選擇；②電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。當(dāng)E值確定后，n取何值時(shí)才能使KU最高。3.2電阻應(yīng)變式傳感器第十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日由dKU/dn=0求KU的最大值，得

求得n=1時(shí)，KU為最大值。這就是說，在供橋電壓確定后，當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，電橋電壓靈敏度最高，此時(shí)有

從上述可知，當(dāng)電源電壓E和電阻相對(duì)變化量ΔR1/R1一定時(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)。金屬絲應(yīng)變片：3.2電阻應(yīng)變式傳感器第十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日

3.非線性誤差及其補(bǔ)償方法

式

是略去分母中的ΔR1/R1項(xiàng)，電橋輸出電壓與電阻相對(duì)變化成正比的理想情況下得到的，實(shí)際情況則應(yīng)按下式計(jì)算，即

與ΔR1/R1的關(guān)系是非線性的，非線性誤差為3.2電阻應(yīng)變式傳感器第二十頁，共四十五頁，2022年，8月28日如果是四等臂電橋，R1=R2=R3=R4，即n=1，則

對(duì)于一般應(yīng)變片來說，所受應(yīng)變?chǔ)磐ǔＴ?000μ以下，若取KU=2，則ΔR1/R1=KUε=0.01，代入式計(jì)算得非線性誤差為0.5%；若KU=130，ε=1000μ時(shí)，ΔR1/R1=0.130，則得到非線性誤差為6%，故當(dāng)非線性誤差不能滿足測(cè)量要求時(shí)，必須予以消除。3.2電阻應(yīng)變式傳感器第二十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日

為了減小和克服非線性誤差，常采用差動(dòng)電橋如圖所示，在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變，接入電橋相鄰橋臂，稱為半橋差動(dòng)電路，如圖(a)所示。該電橋輸出電壓為圖差動(dòng)電橋

3.2電阻應(yīng)變式傳感器第二十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，則得

由式可知，Uo與ΔR1/R1成線性關(guān)系，差動(dòng)電橋無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度KU=E/2，是單臂工作時(shí)的兩倍，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。3.2電阻應(yīng)變式傳感器第二十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日

若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片，如圖（b）所示，即兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上，構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4，則

此時(shí)全橋差動(dòng)電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度為單片工作時(shí)的4倍，同時(shí)仍具有溫度補(bǔ)償作用。3.2電阻應(yīng)變式傳感器第二十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.2電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù)

1.目測(cè)電阻應(yīng)變片有無折痕.斷絲等缺陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。2.用數(shù)字萬用表測(cè)量應(yīng)變片電阻值大小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值相差不得大于0.5歐姆.3.試件表面處理：貼片處置用細(xì)紗紙打磨干凈，用酒精棉球反復(fù)擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。4.應(yīng)變片粘貼:在應(yīng)變片基底上擠一小滴502膠水，輕輕涂抹均勻，立即放在應(yīng)變貼片位置。第二十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.2電阻應(yīng)變式傳感器5.焊線:用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。6.用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng)大于500M歐。7.應(yīng)變片保護(hù)：用704硅橡膠覆于應(yīng)變片上，防止受潮。第二十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償1.應(yīng)變片的溫度誤差由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的改變而給測(cè)量帶來的附加誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差。產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要因素有下述兩個(gè)方面。1)電阻溫度系數(shù)的影響敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可用下式表示：

Rt=R0(1+α0Δt)

3.2電阻應(yīng)變式傳感器第二十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日式中:Rt——溫度為t時(shí)的電阻值；

R0——溫度為t0時(shí)的電阻值；α0——溫度為t0時(shí)金屬絲的電阻溫度系數(shù)；Δt——溫度變化值，Δt=t-t0。當(dāng)溫度變化Δt時(shí)，電阻絲電阻的變化值為：ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt

3.2電阻應(yīng)變式傳感器第二十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日

2)試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時(shí)，不論環(huán)境溫度如何變化，電阻絲的變形仍和自由狀態(tài)一樣，不會(huì)產(chǎn)生附加變形。當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時(shí)，由于環(huán)境溫度的變化，電阻絲會(huì)產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻變化。設(shè)電阻絲和試件在溫度為0℃時(shí)的長度均為l0,它們的線膨脹系數(shù)分別為βs和βg，若兩者不粘貼，則它們的長度分別為

ls=l0(1+βsΔt)lg=l0(1+βgΔt)3.2電阻應(yīng)變式傳感器第二十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日

當(dāng)兩者粘貼在一起時(shí)，電阻絲產(chǎn)生的附加變形Δl、附加應(yīng)變?chǔ)纽潞透郊与娮枳兓β分別為

3.2電阻應(yīng)變式傳感器第三十頁，共四十五頁，2022年，8月28日

由上式，可得由于溫度變化而引起的應(yīng)變片總電阻相對(duì)變化量為

由上式可知，因環(huán)境溫度變化而引起的附加電阻的相對(duì)變化量，除了與環(huán)境溫度有關(guān)外，還與應(yīng)變片自身的性能參數(shù)（K0,α0,βs）以及被測(cè)試件線膨脹系數(shù)βg有關(guān)。3.2電阻應(yīng)變式傳感器第三十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日

2.電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有線路補(bǔ)償和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。1)線路補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償是最常用且效果較好的線路補(bǔ)償。圖(a)是電橋補(bǔ)償法的原理圖。電橋輸出電壓Uo與橋臂參數(shù)的關(guān)系為：

Uo=A(R1R4-RBR3)3.2電阻應(yīng)變式傳感器第三十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日式中,A為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。由上式可知，當(dāng)R3和R4為常數(shù)時(shí)，R1和RB對(duì)電橋輸出電壓Uo的作用方向相反。利用這一基本關(guān)系可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償。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，且僅工作應(yīng)變片承受應(yīng)變,如圖3-8(b)所示。當(dāng)被測(cè)試件不承受應(yīng)變時(shí)，R1和RB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，此時(shí)有

工程上，一般按R1=RB=R3=R4選取橋臂電阻。

3.2電阻應(yīng)變式傳感器第三十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日

當(dāng)溫度升高或降低Δt=t-t0時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變片因溫度而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)，即

若此時(shí)被測(cè)試件有應(yīng)變?chǔ)诺淖饔?，則工作應(yīng)變片電阻R1又有新的增量ΔR1=R1Kε，而補(bǔ)償片因不承受應(yīng)變，故不產(chǎn)生新的增量，此時(shí)電橋輸出電壓為由上式可知，電橋的輸出電壓Uo僅與被測(cè)試件的應(yīng)變?chǔ)庞嘘P(guān)，而與環(huán)境溫度無關(guān)。3.2電阻應(yīng)變式傳感器第三十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日

應(yīng)當(dāng)指出，若要實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，上述分析過程必須滿足以下4個(gè)條件：①在應(yīng)變片工作過程中，保證R3=R4。②R1和RB兩個(gè)應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)α、線膨脹系數(shù)β、應(yīng)變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值R0。③粘貼補(bǔ)償片的補(bǔ)償塊材料和粘貼工作片的被測(cè)試件材料必須一樣，兩者線膨脹系數(shù)相同。④兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場(chǎng)。

3.2電阻應(yīng)變式傳感器第三十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日

2)應(yīng)變片的自補(bǔ)償法這種溫度補(bǔ)償法是利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片(稱之為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片)來補(bǔ)償?shù)?。根?jù)溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片的工作原理，可由式得出，要實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償，必須有

上式表明，當(dāng)被測(cè)試件的線膨脹系數(shù)βg已知時(shí)，如果合理選擇敏感柵材料，即其電阻溫度系數(shù)α0、靈敏系數(shù)K0以及線膨脹系數(shù)βs，則不論溫度如何變化，均有ΔRt/R0=0，從而達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?/p>