傳感器與檢測(cè)技術(shù)第二版陳潔黃鴻第三次課應(yīng)變片特性溫度補(bǔ)償電路測(cè)量2003

傳感器與檢測(cè)技術(shù)第二版陳潔黃鴻第三次課應(yīng)變片特性溫度補(bǔ)償電路測(cè)量2003第一頁(yè)，共59頁(yè)。復(fù)習(xí)1、傳感器的組成部分？

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件與測(cè)量電路組成。2、下列屬于按工作原理分類(lèi)的傳感器是？（

）A電阻式傳感器B力傳感器C位移傳感器D壓力傳感器A第二頁(yè)，共59頁(yè)。2.傳感器的構(gòu)成

傳感器一般由敏感元件與轉(zhuǎn)換元件組成。被測(cè)信息敏感元件轉(zhuǎn)換元件輔助電源信號(hào)調(diào)理電路輸出信息敏感元件(Sensingelement)是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分轉(zhuǎn)換元件(Transitionelement)是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性敵隽哭D(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分。第三頁(yè)，共59頁(yè)。敏感元件轉(zhuǎn)換元件

壓

力

作

用

膜片形變（應(yīng)變）

應(yīng)變片電阻改變

應(yīng)變式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖第四頁(yè)，共59頁(yè)。金屬電阻應(yīng)變片3、下列不屬于按輸出信號(hào)分類(lèi)的傳感器是？A開(kāi)關(guān)型傳感器B能量轉(zhuǎn)換型傳感器C模擬型傳感器D數(shù)字型傳感器4、常用的應(yīng)變片可分為兩類(lèi):()和()。5、半導(dǎo)體應(yīng)變片工作原理是基于半導(dǎo)體材料的()。金屬電阻應(yīng)變片的工作原理基于電阻的()。6、應(yīng)變效應(yīng)：半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片壓阻效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)第五頁(yè)，共59頁(yè)。

傳感器的分類(lèi)

(1)按被測(cè)物理量分類(lèi):(2)按工作原理分類(lèi):(3)按信號(hào)變換特征:(4)按被測(cè)量與輸出電量之間的關(guān)系:(5)按輸出信號(hào)分:位移,力,溫度等.電阻式、電容式、磁電式等.物性型,結(jié)構(gòu)型.能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型.開(kāi)關(guān)型（二值型）、模擬型和數(shù)字型.第六頁(yè)，共59頁(yè)。7、金屬應(yīng)變片有（）和（）。絲式電阻應(yīng)變片箔式應(yīng)變片第七頁(yè)，共59頁(yè)。電阻應(yīng)變片的特性

彈性敏感元件及其基本特性

物體在外力作用下而改變?cè)瓉?lái)尺寸或形狀的現(xiàn)象稱(chēng)為變形，而當(dāng)外力去掉后物體又能完全恢復(fù)其原來(lái)的尺寸和形狀，這種變形稱(chēng)為彈性變形。具有彈性變形特性的物體稱(chēng)為彈性元件。物理量應(yīng)變彈性元件應(yīng)變片電阻變化第八頁(yè)，共59頁(yè)。電阻應(yīng)變片的主要特性

第九頁(yè)，共59頁(yè)。2.橫向效應(yīng)

直線(xiàn)電阻絲繞成敏感柵后，雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變不同，園弧部分使靈敏系數(shù)K↓下降，這種現(xiàn)象稱(chēng)為橫向效應(yīng)。

不能滿(mǎn)足測(cè)量精度要求時(shí),應(yīng)進(jìn)行必要的修正,為了減小橫向效應(yīng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差,現(xiàn)在一般多采用箔式應(yīng)變片。第十頁(yè)，共59頁(yè)。3、機(jī)械滯后

實(shí)用中，由于敏感柵基底和粘結(jié)劑材料性能，或使用中的過(guò)載，過(guò)熱，都會(huì)使應(yīng)變產(chǎn)生殘余變形，導(dǎo)致在恒溫條件下增(加載)、減(卸載)試件應(yīng)變的過(guò)程中，對(duì)應(yīng)同一機(jī)械應(yīng)變所指示應(yīng)變輸出的不重合。這種不重合性用機(jī)械滯后(Zj)來(lái)衡量。第十一頁(yè)，共59頁(yè)。4、

應(yīng)變極限

應(yīng)變的線(xiàn)性(靈敏系數(shù)為常數(shù))特性，只有在一定的應(yīng)變限度范圍內(nèi)才能保持。當(dāng)試件輸入的真實(shí)應(yīng)變超過(guò)某一限值時(shí)，應(yīng)變的輸出特性將出現(xiàn)非線(xiàn)性。在恒溫條件下，使非線(xiàn)性誤差達(dá)到10%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值，稱(chēng)為應(yīng)變極限εlim。

第十二頁(yè)，共59頁(yè)。5、

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(lái)的附加誤差，稱(chēng)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2)試件材料和電阻絲材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)不同的影響第十三頁(yè)，共59頁(yè)。試件材料和電阻絲材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生附加形變會(huì)導(dǎo)致電阻變化實(shí)驗(yàn)：雙金屬片第十四頁(yè)，共59頁(yè)。電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法1)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(chēng)之為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片)來(lái)補(bǔ)償?shù)?。?yīng)變片的自補(bǔ)償法有（）和（）單絲自補(bǔ)償雙絲組合式自補(bǔ)償?shù)谑屙?yè)，共59頁(yè)。U0=A（R1R4-RBR3）

式中,A為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。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。2)橋路補(bǔ)償法第十六頁(yè)，共59頁(yè)。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。

第十七頁(yè)，共59頁(yè)。

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(wú)關(guān)。

第十八頁(yè)，共59頁(yè)。

應(yīng)當(dāng)指出，若要實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，上述分析過(guò)程必須滿(mǎn)足以下4個(gè)條件：

①在應(yīng)變片工作過(guò)程中，保證R3=R4②R1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(xiàn)膨脹系數(shù)β、應(yīng)變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值R0（應(yīng)變片型號(hào)相同）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(xiàn)膨脹系數(shù)相同。（R1，RB所粘貼試件相同）④兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場(chǎng)。（應(yīng)變片所處環(huán)境相同）第十九頁(yè)，共59頁(yè)。金屬電阻應(yīng)變片的材料對(duì)電阻絲(敏感柵)材料應(yīng)有如下要求：①靈敏系數(shù)大，且在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)；②ρ值大，即在同樣長(zhǎng)度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值；③電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會(huì)改變其阻值；④與銅線(xiàn)的焊接性能好，與其它金屬的接觸電勢(shì)?。虎輽C(jī)械強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。常用材料：康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金、貴金屬（鉑、鉑鎢合金等）材料第二十頁(yè)，共59頁(yè)。電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小,要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測(cè)量出來(lái),同時(shí)要把電阻相對(duì)變化ΔR/R轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。因此,需要有專(zhuān)用測(cè)量電路用于測(cè)量應(yīng)變引起的電阻變化,測(cè)量電路通常采用直流電橋和交流電橋第二十一頁(yè)，共59頁(yè)。4.4.1直流電橋

1.直流電橋平衡條件當(dāng)RL→∞時(shí)，電橋輸出電壓為直流電橋

電阻——→電壓（電流）測(cè)量電路第二十二頁(yè)，共59頁(yè)。當(dāng)電橋平衡時(shí)，Uo=0，則有

R1R4=R2R3或

為電橋平衡條件。這說(shuō)明欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，或相對(duì)兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。

第二十三頁(yè)，共59頁(yè)。單臂電橋試件測(cè)量電路的分類(lèi)------按工作應(yīng)變片個(gè)數(shù)來(lái)分第二十四頁(yè)，共59頁(yè)。雙臂電橋（差動(dòng)半橋）R1、R2為應(yīng)變片，R3、R4為固定電阻。應(yīng)變片R1、R2感受到的應(yīng)變1~2以及產(chǎn)生的電阻增量正負(fù)號(hào)相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。試件第二十五頁(yè)，共59頁(yè)。全橋差動(dòng)電路討論：?jiǎn)伪垭姌?、雙臂電橋、全橋誰(shuí)的靈敏度最高？為什么？F第二十六頁(yè)，共59頁(yè)。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，則可寫(xiě)為:

2.電壓靈敏度R1為應(yīng)變片.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，輸出電壓為第二十七頁(yè)，共59頁(yè)。電橋電壓靈敏度定義為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。第二十八頁(yè)，共59頁(yè)。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(shuō)，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(wú)關(guān)。第二十九頁(yè)，共59頁(yè)。

3.非線(xiàn)性誤差及其補(bǔ)償方法略去分母中的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(xiàn)性的，非線(xiàn)性誤差為第三十頁(yè)，共59頁(yè)。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(lái)說(shuō)，所受應(yīng)變?chǔ)磐ǔＴ?000μ以下，若取K=2，則ΔR1/R1=0.01，代入式計(jì)算得非線(xiàn)性誤差為0.5%；若K=100，ε=1000μ時(shí)，ΔR1/R1=0.1，則得到非線(xiàn)性誤差為6%，故當(dāng)非線(xiàn)性誤差不能滿(mǎn)足測(cè)量要求時(shí)，必須予以消除。第三十一頁(yè)，共59頁(yè)。全橋差動(dòng)電橋1.半橋差動(dòng)電路為了減小和克服非線(xiàn)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(chēng)為半橋差動(dòng)電路，如圖（a）所示。

半橋差動(dòng)電橋克服非線(xiàn)性誤差方法：第三十二頁(yè)，共59頁(yè)。該電橋輸出電壓為若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，則得由式可知，Uo與ΔR1/R1成線(xiàn)性關(guān)系，差動(dòng)電橋無(wú)非線(xiàn)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。

第三十三頁(yè)，共59頁(yè)。全橋差動(dòng)電橋

2.全橋差動(dòng)電路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。

半橋差動(dòng)電橋第三十四頁(yè)，共59頁(yè)。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4，則

此時(shí)全橋差動(dòng)電路不僅沒(méi)有非線(xiàn)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。第三十五頁(yè)，共59頁(yè)。4.5應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用4.5.1應(yīng)變式力傳感器被測(cè)物理量為荷重或力的應(yīng)變式傳感器時(shí)，統(tǒng)稱(chēng)為應(yīng)變式力傳感器。其主要用途是作為各種電子稱(chēng)與材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力元件、發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測(cè)等。應(yīng)變式力傳感器要求有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，當(dāng)傳感器在受到側(cè)向作用力或力的作用點(diǎn)少量變化時(shí)，不應(yīng)對(duì)輸出有明顯的影響。物理量應(yīng)變彈性元件應(yīng)變片電阻變化第三十六頁(yè)，共59頁(yè)。力傳感器的彈性元件有：柱式、梁式、環(huán)式、輪輻式等：1.柱式力傳感器有空心（筒形）、實(shí)心（柱形）在圓筒（柱）上按一定方式粘貼應(yīng)變片，圓柱（筒）在外力F作用下產(chǎn)生形變

柱式傳感器

(a)圓柱;(b)圓筒;(c)外形第三十七頁(yè)，共59頁(yè)。

1.柱（筒）式力傳感器第三十八頁(yè)，共59頁(yè)。式中：L為彈性元件的長(zhǎng)度，

S為彈性元件的橫截面積

F外力；σ為應(yīng)力，σ=F/S；

E為彈性模量

第三十九頁(yè)，共59頁(yè)。（c）圓柱面展開(kāi)圖說(shuō)明：R1和R3,R2和R4分別串聯(lián),放在相對(duì)臂內(nèi)。當(dāng)一方受拉時(shí),則另一方受壓。由此引起的電阻應(yīng)變計(jì)阻值的變化大小相等符號(hào)相反,從而減小彎矩的影響。R5和R6,R7和R8，橫向粘貼的應(yīng)變計(jì)作為溫度補(bǔ)償片。（d）橋路連線(xiàn)圖第四十頁(yè)，共59頁(yè)。第四十一頁(yè)，共59頁(yè)。2.梁式力傳感器

等截面梁：

懸臂梁的橫截面積處處相等，所以稱(chēng)等截面梁。當(dāng)外力F作用在梁的自由端時(shí)，固定端產(chǎn)生的應(yīng)變最大，粘貼在應(yīng)變片處的應(yīng)變?yōu)椋菏街校簂0是梁上應(yīng)變片至自由端距離，

b、h

分別為梁的寬度和梁的厚度。第四十二頁(yè)，共59頁(yè)。應(yīng)變片的應(yīng)用---力及壓力傳感器應(yīng)變式力傳感器第四十三頁(yè)，共59頁(yè)。

等強(qiáng)度梁：懸臂梁長(zhǎng)度方向的截面積按一定規(guī)律變化，是一種特殊形式的懸臂梁。當(dāng)力作用在自由端時(shí)，力距作用點(diǎn)任何截面積上應(yīng)力相等，應(yīng)變片的應(yīng)變大小為：第四十四頁(yè)，共59頁(yè)。

因?yàn)閼?yīng)變片的應(yīng)變大小與力作用的距離有關(guān)，所以應(yīng)變片應(yīng)貼在距固定端較近的表面，順梁的方向貼上下各貼兩只。四個(gè)應(yīng)變片組成全橋。上面兩個(gè)受壓時(shí)下面兩個(gè)受拉。這種傳感器適用于測(cè)量500Kg以下荷重。第四十五頁(yè)，共59頁(yè)。b0R1R3R2R4bxLFh

等強(qiáng)度梁設(shè)沿梁長(zhǎng)度方向上某一截面到力的作用點(diǎn)的距離為x，bx為與x值相應(yīng)的梁寬，則等強(qiáng)度梁各點(diǎn)的應(yīng)變值為L(zhǎng)xbx式中：E為傳感器的彈性模量第四十六頁(yè)，共59頁(yè)。3.環(huán)式力傳感器

環(huán)式常用于測(cè)幾十千克以上的大載荷,與柱式相比,它的特點(diǎn)是應(yīng)力分布變化大,且有正有負(fù),便于接成差動(dòng)電橋。(a)為拉力環(huán)(b)為壓力環(huán)第四十七頁(yè)，共59頁(yè)。2環(huán)式力傳感器第四十八頁(yè)，共59頁(yè)。輪轱1、輪圈2、輪輻條3、承壓應(yīng)變計(jì)4、拉伸應(yīng)變計(jì)5輪輻式傳感器(a)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)外形4.輪輻式測(cè)力傳感器（剪切力）在傳感器中實(shí)測(cè)的不是剪應(yīng)變?chǔ)?而是在剪切力作用下,輪輻對(duì)角線(xiàn)方向的線(xiàn)應(yīng)變。這時(shí),將應(yīng)變計(jì)在與輻條水平中心軸線(xiàn)成±45°角的方向上粘貼。八片應(yīng)變計(jì)分別貼在四根輻條的正反兩面,并組成全橋電路,以檢測(cè)線(xiàn)應(yīng)變。第四十九頁(yè)，共59頁(yè)。輪輻式傳感器測(cè)量橋路第五十頁(yè)，共59頁(yè)。4.5.2應(yīng)變式壓力傳感器

應(yīng)變式壓力傳感器由電阻應(yīng)變計(jì)、彈性元件、外殼及補(bǔ)償電阻組成。一般用于測(cè)量較大的壓力。它廣泛用于測(cè)量管道內(nèi)部壓力,內(nèi)燃機(jī)燃?xì)獾膲毫?壓差和噴射壓力,發(fā)動(dòng)機(jī)和導(dǎo)彈試驗(yàn)中的脈動(dòng)壓力,以及各種領(lǐng)域中的流體壓力等。第五十一頁(yè)，共59頁(yè)。圖2.32筒式壓力傳感器的彈性元件

1.筒式壓力傳感器

筒式壓力傳感器的彈性元件如圖2.32所示,一端肓孔,另一端有法蘭與被測(cè)系統(tǒng)連接。當(dāng)應(yīng)變管內(nèi)腔與被測(cè)壓力相通時(shí),圓筒部分周向應(yīng)變?yōu)榈谖迨?yè)，共59頁(yè)。

式中,p為被測(cè)壓力,D為圓筒外徑,d為圓筒內(nèi)徑。在薄壁筒上貼有兩片應(yīng)變計(jì)作為工作片,實(shí)心部分貼有兩片應(yīng)變計(jì)作為溫度補(bǔ)償片。第五十三頁(yè)，共59頁(yè)。