應(yīng)變式位移傳感器

應(yīng)變式位移傳感器電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇第1頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.1.1工作原理1.金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí) 其電阻值將發(fā)生變化F

Δl、ΔA、ΔρΔR上一頁(yè)返回下一頁(yè)第2頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電阻的靈敏系數(shù)對(duì)于半徑為r的圓導(dǎo)體，A=πr2，ΔA/A=2Δr/r又由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，

上一頁(yè)返回下一頁(yè)ε為導(dǎo)體的縱向應(yīng)變，其數(shù)值一般很小，常以微應(yīng)變度量；μ為電阻絲材料的泊松比，一般金屬μ=0.3~0.5；λ為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)；σ為應(yīng)力值；E為材料的彈性模量；第3頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六金屬電阻的靈敏系數(shù)材料的幾何尺寸變化引起的材料的電阻率ρ隨應(yīng)變引起的（壓阻效應(yīng)）金屬材料：k0以前者為主，則k0≈1+2μ=1.7~3.6半導(dǎo)體：k0值主要是由電阻率相對(duì)變化所決定上一頁(yè)返回下一頁(yè)第4頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類敏感柵直徑為0.025mm左右的合金電阻絲絲繞式基底絕緣覆蓋層保護(hù)位移、力、力矩、加速度、壓力彈性敏感元件

應(yīng)變外力作用被測(cè)對(duì)象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形應(yīng)變片敏感柵隨同變形電阻值發(fā)生相應(yīng)變化應(yīng)變片上一頁(yè)返回下一頁(yè)第5頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六應(yīng)變片的類型和材料

金屬絲式

金屬箔式

金屬薄膜式

回線式短接式上一頁(yè)返回下一頁(yè)第6頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六金屬絲式應(yīng)變片上一頁(yè)返回下一頁(yè)金屬電阻絲應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)1-基片；2-電阻絲；3-覆蓋層；4-引出線第7頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇金屬電阻應(yīng)變片，材料電阻率隨應(yīng)變產(chǎn)生的變化很小，可忽略應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變片縱向應(yīng)變成正比，并且對(duì)同一電阻材料，

K0=1+2μ是常數(shù)。其靈敏度系數(shù)多在1.7～3.6之間。上一頁(yè)返回下一頁(yè)第8頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六金屬箔式應(yīng)變片在絕緣基底上，將厚度為0.003～0.01mm電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀箔式應(yīng)變片上一頁(yè)返回下一頁(yè)第9頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六優(yōu)點(diǎn)：（1）尺寸準(zhǔn)確，線條均勻，適應(yīng)不同的測(cè)量要求，

（2）可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵（3）與被測(cè)試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。散熱條件好，允許電流大，靈敏度提高。（4）橫向效應(yīng)可以忽略。（5）蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)：電阻值的分散性大阻值調(diào)整上一頁(yè)返回下一頁(yè)第10頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六金屬薄膜應(yīng)變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1μm以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，再加上保護(hù)層，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)問(wèn)題：難控制電阻與溫度和時(shí)間的變化關(guān)系上一頁(yè)返回下一頁(yè)第11頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.1.2金屬應(yīng)變片的主要特性

（一）靈敏系數(shù)（二）橫向效應(yīng)（三）溫度誤差及其補(bǔ)償上一頁(yè)返回下一頁(yè)第12頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六應(yīng)變片的電阻值R應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力情況下，于室溫下測(cè)得的電阻值電阻系列：60、120、200、350、500、1000Ω

可以加大應(yīng)變片承受電壓，電阻值大輸出信號(hào)大，敏感柵尺寸也增大

上一頁(yè)下一頁(yè)返回第13頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（一）靈敏系數(shù)“標(biāo)稱靈敏系數(shù)”：受軸向單向力（拉或壓），試件材料為泊松系數(shù)μ=0.285的鋼等。一批產(chǎn)品中只能抽樣5％的產(chǎn)品來(lái)測(cè)定，取平均值及允許公差值。電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k<電阻絲的靈敏系數(shù)k0

粘結(jié)層傳遞變形失真還存在有橫向效應(yīng)原因：上一頁(yè)返回下一頁(yè)第14頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

（二）橫向效應(yīng)敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成直線段：沿軸向拉應(yīng)變?chǔ)舩，電阻圓弧段：沿軸向壓應(yīng)度εy

電阻K(箔式應(yīng)變片)上一頁(yè)下一頁(yè)返回lεyεxεy第15頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇橫向效應(yīng)應(yīng)變片的橫柵部分將縱向絲柵部分的電阻變化抵消了一部分，從而降低了整個(gè)電阻應(yīng)變片的靈敏度，帶來(lái)測(cè)量誤差，其大小與敏感柵的構(gòu)造及尺寸有關(guān)。敏感柵的縱柵愈窄、愈長(zhǎng)，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應(yīng)的影響愈小。第16頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（三）溫度誤差及其補(bǔ)償

上一頁(yè)返回下一頁(yè)1、敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。當(dāng)環(huán)境溫度變化△t時(shí)，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為，則引起的電阻相對(duì)變化為2、試件材料的線膨脹引起的誤差。當(dāng)溫度變化△t時(shí)，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片將產(chǎn)生附加拉長(zhǎng)（或壓縮），引起的電阻相對(duì)變化溫度誤差第17頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇相應(yīng)的虛假應(yīng)變輸出可得由于溫度變化而引起的總電阻變化為第18頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇溫度補(bǔ)償單絲自補(bǔ)償法自補(bǔ)償法組合式自補(bǔ)償法線路補(bǔ)償法〔電橋補(bǔ)償法、熱敏電阻〕溫度補(bǔ)償上一頁(yè)返回下一頁(yè)第19頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇

①電橋補(bǔ)償法U0R1R4R3URbFFR1RbR1+⊿RRb-⊿RU0R1＋⊿RR4R3URb－⊿R上一頁(yè)返回下一頁(yè)第20頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇電橋補(bǔ)償法優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、方便，在常溫下補(bǔ)償效果較好，缺點(diǎn)：在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致的情況，因而影響補(bǔ)償效果。第21頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇②應(yīng)變片的自補(bǔ)償法粘貼在被測(cè)部位上的是一種特殊應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒@種應(yīng)變片稱為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。利用這種應(yīng)變片來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǚQ為應(yīng)變片自補(bǔ)償法。a.選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片b.雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片第22頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇a.選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片優(yōu)點(diǎn)：容易加工，成本低，缺點(diǎn)：只適用特定試件材料，溫度補(bǔ)償范圍也較窄。上一頁(yè)返回下一頁(yè)由式(2.1.16)可知，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)臈l件為當(dāng)被測(cè)試件的線膨脹系數(shù)βg已知時(shí)，通過(guò)選擇敏感柵材料，使下式成立

(2.1.21)

即可達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。?3頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇R1R2組合自補(bǔ)償法b.雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成選用兩者具有不同符號(hào)的電阻溫度系數(shù)調(diào)整R1和R2的比例，使溫度變化時(shí)產(chǎn)生的電阻變化滿足通過(guò)調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長(zhǎng)度來(lái)控制應(yīng)變片的溫度自補(bǔ)償，可達(dá)±0.45μm/℃的高精度上一頁(yè)返回下一頁(yè)第24頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇③熱敏電阻補(bǔ)償

TKRtUiR1＋⊿RR4R3U0R2RtR5分流電阻UURtU=Ui-URtK上一頁(yè)返回下一頁(yè)第25頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.1.3

電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

上一頁(yè)返回下一頁(yè)1直流電橋2非線性誤差及其補(bǔ)償?shù)?6頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇1.直流電橋直流電橋的工作原理IL=0時(shí)電橋平衡平衡條件

:R1R4=R2R3

R1/R2=R3/R4

R1+⊿R1R2R4R3UILRL上一頁(yè)返回下一頁(yè)第27頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇2．不平衡直流電橋的工作原理及靈敏度

當(dāng)電橋后面接放大器時(shí),電橋輸出端看成開(kāi)路.電橋的輸出式為：應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化ΔR

上一頁(yè)返回下一頁(yè)第28頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇采用等臂電橋，即R1=R2=R3=R4=R

。此時(shí)式(2.1.24)可寫為當(dāng)ΔRi<<R(i=1,2,3,4)時(shí)，略去上式中的高階微量，則上一頁(yè)返回下一頁(yè)第29頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇上式表明：①

ΔRi<<R時(shí)，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。②若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)變時(shí)，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性不同，則輸出電壓為兩者之和。③若相對(duì)兩橋臂應(yīng)變的極性一致，輸出電壓為兩者之和；反之則為兩者之差。④電橋供電電壓U越高，輸出電壓U0越大。但是，當(dāng)U大時(shí)，電阻應(yīng)變片通過(guò)的電流也大，若超過(guò)電阻應(yīng)變片所允許通過(guò)的最大工作電流，傳感器就會(huì)出現(xiàn)蠕變和零漂。⑤增大電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K，可提高電橋的輸出電壓。上一頁(yè)返回下一頁(yè)第30頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇略去分母中的ΔR1/R1項(xiàng),假設(shè)ΔR1/R1<<1單臂電橋，即R1橋臂變化ΔR，理想的線性關(guān)系實(shí)際輸出電壓上一頁(yè)返回下一頁(yè)電橋的相對(duì)非線性誤差為2.非線性誤差及其補(bǔ)償?shù)?1頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇減小非線性誤差采用的措施為：（1）采用半橋差動(dòng)電橋R1R2FU0R1＋⊿R1R4R3UR2－⊿R2上一頁(yè)返回下一頁(yè)第32頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR

嚴(yán)格的線性關(guān)系電橋靈敏度比單臂時(shí)提高一倍溫度補(bǔ)償作用上一頁(yè)返回下一頁(yè)第33頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇輸出電壓為：U0R1＋⊿R1UR2－⊿R2R4＋⊿R4R3－⊿R3上一頁(yè)返回下一頁(yè)全橋差動(dòng)電路第34頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.1.4電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用1

應(yīng)變式力傳感器2

應(yīng)變式壓力傳感器3.應(yīng)變式液體重量（或液位）傳感器4

應(yīng)變式加速度傳感器上一頁(yè)返回下一頁(yè)第35頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇上一頁(yè)返回下一頁(yè)柱式力傳感器1

應(yīng)變式力傳感器（a）實(shí)心圓柱；（b）空心圓筒；第36頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF第37頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇(2)梁式力傳感器上一頁(yè)返回下一頁(yè)等截面梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工，靈敏度高適合于測(cè)5000N以下的載荷b0R1R2l0lFbh①等截面懸臂梁第38頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇b0R1R2XlFbh②等強(qiáng)度懸臂梁第39頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇③雙端固定梁第40頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇⑶薄壁圓環(huán)式力傳感器

上一頁(yè)返回下一頁(yè)在外力作用下，各點(diǎn)的應(yīng)力差別較大第41頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇BK-2S稱重傳感器產(chǎn)品詳細(xì)介紹

采用國(guó)際流行的雙梁式或剪切S梁結(jié)構(gòu)，拉、壓輸出對(duì)稱性好、

測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，廣泛用于機(jī)電結(jié)合秤、料斗秤、包裝秤等各種測(cè)力、稱重系統(tǒng)中

供橋電壓12VDC輸入阻抗380±20Ω

輸出阻抗350±10Ω絕緣電阻≥2000MΩ

工作溫度-10~+50℃

上一頁(yè)返回下一頁(yè)第42頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇BK－4輪輻式傳感器系列

采用輪輻式結(jié)構(gòu)，高度低，抗偏抗側(cè)能力強(qiáng)，測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定可靠安裝方便，是大、中量程精度傳感器中的最佳形式，廣泛用于各種電子衡器和各種力值測(cè)量，如汽車衡、軌道衡、吊勾秤、料斗秤技術(shù)參數(shù)

量程（t）1，2，5，10，20，30，50供橋電壓12VDC

靈敏度1．5~2mV/V輸入阻抗730±20Ω

非線性（%FS）0.03,0.05,0.1輸出阻抗700±10Ω

重復(fù)性（%FS）0.03,0.05,0.1絕緣電阻≥2000MΩ

滯后（%FS）0.03,0.05,0.1工作溫度-10~+50℃

允許過(guò)負(fù)荷120%FS熱零點(diǎn)偏移（%FS/10℃）上一頁(yè)返回下一頁(yè)第43頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇2.應(yīng)變式壓力傳感器

上一頁(yè)返回下一頁(yè)εtεrR4R3R1R2

UU0膜片PεrεtR1R2R3R4εrεt膜片式壓力傳感器第44頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電子發(fā)燒友電子技術(shù)論壇筒式壓力傳感器測(cè)較大壓力

機(jī)床液壓系統(tǒng)的壓力（106～107Pa），槍炮的膛內(nèi)壓力（108Pa），動(dòng)態(tài)特性和靈敏度主要由材料的E值和尺寸決定上一頁(yè)返回下一頁(yè)第45頁(yè)，共50頁(yè)，2023年