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1、12 2 电阻式传感器电阻式传感器 什么是电阻式传感器？是将非电量（如力、位移、形变、速度和加速度等）的变化量，转换成与之有一定关系的电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出的器件或装置。第1页/共77页2金属丝受拉时，l、r、变化，导致R 改变导电材料的应变电阻效应导电材料的应变电阻效应应变效应应变效应 导导导电电电材材材料料料在在在外外外力力力作作作用用用下下下发发发生生生机机机械械械变变变形形形时时时，其其其电电电阻阻阻值值值也也也相相相应地发生变化，这种现象称为应地发生变化，这种现象称为应地发生变化，这种现象称为应变效应应变效应应变效应。第2页/共77页导电材料的应变电阻效应导电材料
2、的应变电阻效应第3页/共77页4 电阻丝截面通常是圆形，,对 微分,得径向材料的径向线应变 由材料力学知识：轴向应变和径向应变的关系为由材料力学知识：轴向应变和径向应变的关系为 导体材料的泊松比导体材料的泊松比径向导电材料的应变电阻效应导电材料的应变电阻效应材料的轴向线应变，单位 对于金属导体或半导体，电阻率相对变化的受力效应是不一样的，需要分别讨论。第4页/共77页5 金属材料的电阻率相对变化与其体积变化之间的关系金属材料的电阻率相对变化与其体积变化之间的关系:C C由一定的材料和加工方式决定的常数由一定的材料和加工方式决定的常数V V金属丝的初始体积金属丝的初始体积V=AlV=Al金属材料
3、的应变电阻效应导电材料的应变电阻效应导电材料的应变电阻效应第5页/共77页6金属丝材的应变灵敏系数 金金属属材材料料的的应应变变电电阻阻效效应应金金属属材材料料的的电电阻阻相相对对变变化化与其线应变成正比。与其线应变成正比。导电材料的应变电阻效应导电材料的应变电阻效应第6页/共77页7 压压阻阻效效应应：半半导导体体材材料料某某一一轴轴向向受受应应力力作作用用时时，其其电电阻阻率率会会发发生变化。生变化。半导体材料的应变灵敏系数作用与材料的轴向应力作用与材料的轴向应力 半导体材料的弹性模量半导体材料的弹性模量半导体材料在受力方向的压阻系数半导体材料在受力方向的压阻系数 半导体材料的应变电阻效应
4、导电材料的应变电阻效应导电材料的应变电阻效应第7页/共77页导电丝材料的应变灵敏系数导电丝材料的应变灵敏系数 8 导电丝材的应变电阻效应为：对于半导体材料：由由两两部部分分组组成成：前前部部分分同同样样为为尺尺寸寸变变化化所所致致；后后部部分分为为半半导导体体材材料料的的压压阻阻效效应应所致。所致。半半导导体体材材料料的的应应变变电电阻阻效应主要基于压阻效应。效应主要基于压阻效应。导电材料的应变电阻效应导电材料的应变电阻效应对于金属材料：由由两两部部分分组组成成：前前部部分分为为受受力力后后金金属属丝丝几几何何尺尺寸寸变变化化所所致致，后后部部分分为为电电阻阻率率随随应应变而变的部分。变而变的
5、部分。金金属属丝丝材材的的应应变变电电阻阻效效应应以结构尺寸变化为主。以结构尺寸变化为主。第8页/共77页9电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型 实现应变实现应变-电阻转换的敏感元件。通电阻转换的敏感元件。通常由直径为常由直径为0.0150.0150.05mm0.05mm的金属丝的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。l l称为栅长，称为栅长，b b称为栅宽。称为栅宽。lblb称为应称为应变片的使用面积。应变片的规格一般变片的使用面积。应变片的规格一般以使用面积和电阻值表示。以使用面积和电阻值表示。为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位为保持敏感栅固定的形状、
6、尺寸和位置，通常用粘结剂将其固结在纸质或置，通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。基底必须很薄，一般胶质的基底上。基底必须很薄，一般为为0.020.020.04mm0.04mm。敏感栅基底(a)丝式(b)箔式(c)半导体1敏感栅 2基底 3引线 4盖层 5粘结剂 6电极应变计的结构第9页/共77页10电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型 起着敏感栅与测量电路之间起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。的过渡连接和引导作用。用纸、胶作成覆盖在敏感栅用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用。蚀、防损等作用。引线引线 制造应变计时，用它
7、分别把盖层和敏感栅固结于基底；制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；使用应变计时，用它把应变计基底粘贴在试件表面的被使用应变计时，用它把应变计基底粘贴在试件表面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。测部位。因此它也起着传递应变的作用。盖层盖层粘结剂粘结剂(a)丝式(b)箔式(c)半导体1敏感栅 2基底 3引线 4盖层 5粘结剂 6电极第10页/共77页11电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型应变计的类型按敏感栅取材，基本可分为金属应变计和半导体应变计两大类。按敏感栅的制造方法：金属应变计金属应变计金属丝式应变计金属丝式应变计金属箔式应变计金属箔式应变计金属薄膜应变计金属薄膜
8、应变计半导体应变计半导体应变计体型半导体应变计体型半导体应变计扩散型半导体应变计扩散型半导体应变计薄膜半导体应变计薄膜半导体应变计第11页/共77页12常用应变计的形式电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型第12页/共77页13电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型丝式应变片 金金属属电电阻阻应应变变片片的的典典型型结结构构。将将一一根根高高电电阻阻率率的的金金属属丝丝（0.0250.025mmmm左左右右）绕绕成成栅栅形形，粘粘贴贴在在绝绝缘缘的的基基片和覆盖层之间并引出导线构成。片和覆盖层之间并引出导线构成。1电阻丝，2基片，3覆盖层，4引出线第13页/共77页14电阻应变计的
9、结构与类型电阻应变计的结构与类型丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴，丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴，分为丝绕式和短接式两种。分为丝绕式和短接式两种。丝绕式应变片因圆弧部分参与变形，横向丝绕式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应比较大。效应比较大。短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大径比栅线直径大5-105-10倍的镀银丝短接而倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。成，其优点是克服了横向效应。第14页/共77页15电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型箔式应变片利用照相制版或光刻技术，将厚约为0.0030.01m
10、m的金属箔片制成敏感栅。第15页/共77页16电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型箔式应变片的优点 可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅，其栅长最可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅，其栅长最小可做到小可做到0.20.2mmmm，以适应不同的测量要求，以适应不同的测量要求 横向效应小横向效应小 散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度 蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长 生产效率高，便于实现自动化生产。金属箔的材料常生产效率高，便于实现自动化生产。金属箔的材料常用康铜和镍铬合金等用康铜和镍铬合金等第16页/共77页17电阻应
11、变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型薄膜应变片采用真空沉积或高频溅射等方法，在绝缘基片上形成厚度在0.1mm以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅厚度大约为箔式应变片的十分之一以下。优点：应变灵敏系数大，可靠性好，精度高，容易做成高阻抗的小型应变片，无迟滞和蠕变现象，具有良好的耐热性和冲击性能等。用化学气相淀积法制备薄膜，以其成膜温度低、可靠性好、系统简单等。第17页/共77页18电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型半导体应变片体型：利用半导体材料的体电阻制成。扩散型：在半导体材料的基片上利用集成电路工艺制成扩散型电阻。由于半导体（如单晶硅）是各向异性材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温
12、度和材料类型有关，还与晶向有关（即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同）。第18页/共77页19应变计金属应变计电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型稳定性和温度特性好优点灵敏度系数小缺点第19页/共77页20应变计半导体应变计电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型应应变变灵灵敏敏度度高高;体体积积小小;频频率率响响应应范范围围宽宽，输输出出幅值大。幅值大。优点温温度度稳稳定定性性和和可可重重复复性性不不如如金金属属应应变变片片，应应变变时时非非线线性性较严重较严重缺点第20页/共77页212.2 2.2 电阻应变计的主要特性电阻应变计的主要特性 应应变变计计多多为为一
13、一次次性性使使用用，应应变变计计的的特特性性是是按按规规定定的的条条件件，从大批量生产中按比例抽样实测而得。从大批量生产中按比例抽样实测而得。应应变变计计特特性性是是指指用用以以表表达达应应变变计计工工作作性性能能及及其其特特点点的的参数或曲线。参数或曲线。第21页/共77页22静态特性静态特性 静态特性是指感受试件所受应力不随时间变化或变化缓慢时的输出特性。静态特性静态特性主要指标主要指标灵敏系数灵敏系数（灵敏度指标）（灵敏度指标）机械滞后机械滞后（滞后指标）（滞后指标）蠕变蠕变（稳定性指标）（稳定性指标）应变极限应变极限（测量范围）（测量范围）第22页/共77页23静态特性静态特性1 灵敏
14、系数（K）安装在被测试件上的应变计，在其轴向受到单向应力时，引起的敏感栅的电阻相对变化与此单向应力引起的试件表面轴向应变之间具有线性关系。静态特性静态特性在一定的应变范围内有：应变计的灵敏系数K敏感栅整长金属丝的灵敏系数K0原因：K除了受到敏感栅结构形状成型工艺、粘接剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。第23页/共77页242 横向效应及横向效应系数H 金属丝式应变计由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，而其横向应变也使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。静态特性静态特性轴向拉伸横向收缩圆弧部分使灵敏度下降了第24页/共77页252
15、 横向效应及横向效应系数H 静态特性静态特性横向灵敏系数，当纵向应变为零时，单位横向应变 引起的电阻相对变化 双向应变灵敏系数比纵向灵敏系数，当横向应变为零时，单位轴向应变 引起的电阻相对变化 应应变变计计这这种种既既受受轴轴向向应应变变影影响响，又又同同时时受受横横向向应应变变影影响响而而使灵敏系数和相对电阻比都减小的现象称为使灵敏系数和相对电阻比都减小的现象称为横向效应横向效应。敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。第25页/共77页263 机械滞后（Zj）静态特性静态特性产生原因产生原因粘接、过粘接、过热、过载热、过载残余变形残余变形正反行程正反行程不一致不一致滞后、回
16、滞后、回程误差程误差定义定义应变计在恒温条件下，加载、卸载试件应变的过程应变计在恒温条件下，加载、卸载试件应变的过程中，对应同一机械应变量之差值中，对应同一机械应变量之差值解决解决预载预载/重复加载重复加载第26页/共77页27定义：定义：蠕蠕变变是是指指粘粘贴贴在在试试件件上上的的应应变变计计，在在恒恒温温恒恒载载条条件件下下，指指示应变量随时间单向变化的特性。示应变量随时间单向变化的特性。零零点点漂漂移移是是指指在在恒恒温温空空载载条条件件下下，应应变变计计的的示示值值随随时时间间而而变化的特性。变化的特性。4 蠕变和零漂P0静态特性静态特性解决：选择弹性模量较大的粘结剂和基底材料，适当减
17、薄胶层和基底，充分固化。第27页/共77页28 当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变计的输出特性将出现非线性。在恒温温度下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限。5 应变极限静态特性静态特性第28页/共77页29 动态特性指应变动态特性指应变随时间变化随时间变化时，应变计的响应特性时，应变计的响应特性 机机械械应应变变波波以以声声波波的的形形式式和和速速度度在在材材料料中中传传播播的的。当当它它依依次次通通过过一一定定厚厚度度的的基基底底、胶胶层层（两两者者很很薄薄，可可忽忽略略不不计计）并并引引起起应应变变计计的的响响应应时时，会会有有时时间间的的迟迟后后。应应变变计计的的
18、这这种种响响应应迟迟后后对动态对动态(高频高频)应变测量，尤会产生误差。应变测量，尤会产生误差。动态特性动态特性第29页/共77页302.3 2.3 电阻应变计的应用电阻应变计的应用应变片应变片的选用的选用选择选择类型类型材料材料考虑考虑阻值阻值选择选择尺寸尺寸选择选择其他其他考虑考虑第30页/共77页312.3 2.3 电阻应变计的应用电阻应变计的应用应变片的粘贴去污：去污：采采用用手手持持砂砂轮轮工工具具除除去去构构件件表表面面的的油油污污、漆漆、锈锈斑斑等等，并并用用细细纱纱布布交交叉叉打打磨磨出出细细纹纹以以增增加加粘粘贴贴力力 ，用用浸浸有有酒酒精精或或丙丙酮酮的的纱纱布布片或脱脂棉
19、球擦洗。片或脱脂棉球擦洗。第31页/共77页322.3 2.3 电阻应变计的应用电阻应变计的应用贴片贴片 在在准准备备好好的的试试件件表表面面和和应应变变片片基基底底上上均均匀匀涂涂一一层层粘粘结结剂剂，用用镊镊子子将将应应变变片片放放上上去去，并并调调好好位位置置，用用手手指指揉揉和滚压，排出下面的气泡和滚压，排出下面的气泡 。第32页/共77页332.3 2.3 电阻应变计的应用电阻应变计的应用测量测量 从从分分开开的的端端子子处处，预预先先用用万万用用表表测测量量应应变变片片的的电电阻阻，发发现现端端子子折折断和坏的应变片。断和坏的应变片。第33页/共77页342.3 2.3 电阻应变计
20、的应用电阻应变计的应用焊接焊接 将引线和端子用将引线和端子用烙铁焊接起来，注意烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。不要把端子扯断。第34页/共77页352.3 2.3 电阻应变计的应用电阻应变计的应用固定：固定：焊接后用胶布焊接后用胶布将引线和被测对象将引线和被测对象固定在一起，防止固定在一起，防止损坏引线和应变片。损坏引线和应变片。第35页/共77页36U：电源电压 U0：输出电压R1 R2 R3 R4：纯电阻 RL：负载电阻2.4 2.4 测量电路测量电路当初始有R1 R3=R2 R4，则电桥输出电压或电流为零，此时电桥处于平衡状态平衡条件：R1 R3=R2 R4 或R1/R2=R4/R3
21、直流电桥 电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被测量的测量。工作时，各桥臂阻值变化，则输出电压U00第36页/共77页372.4 2.4 测量电路测量电路直流电桥(电压输出桥的输出特性)输出端接高阻抗放大器(RL=)，可视为开路第37页/共77页382.4 2.4 测量电路测量电路直流电桥(电压输出桥的输出特性)电桥初始平衡，四臂工作 R1、R2、R3、R4都为电阻应变片，随被测参数变化而变化桥路平衡被破坏，此时输出的电压为：第38页/共77页39等臂电桥：R1=R3=R2=R4=R 分母中 Ri/R是造成输出量的非线性因素，考虑 Ri R2
22、.4 2.4 测量电路测量电路直流电桥(电压输出桥的输出特性)相邻桥臂间为相减关系，相对桥臂间为相加关系。第39页/共77页402.4 2.4 测量电路测量电路单臂电桥：R1为工作应变片，由于应变而产生相应的电阻变化R1 R2、R3、R4为固定电阻直流电桥(电压输出桥的输出特性)第40页/共77页412.4 2.4 测量电路测量电路半桥双臂电桥：R1、R2为工作应变片，由于应变而分别产生相应的电阻变化R1、R2R3、R4为固定电阻直流电桥(电压输出桥的输出特性)第41页/共77页422.4 2.4 测量电路测量电路全桥四臂电桥：R1、R2、R3、R4都为工作应变片，由于应变而分别产生相应的电阻
23、变化R1、R2、R3、R4直流电桥(电压输出桥的输出特性)第42页/共77页432.4 2.4 测量电路测量电路直流电桥(电压输出桥的输出特性)上述讨论电桥工作状态时，是假设应变片的参数变化很小，在求电桥输出电压时忽略了分母中的Ri/Ri，从而得到了线性关系式的近似值。但如果应变片承受较大应变时，分母中的Ri/Ri项不能忽略，此时得到的输出特性是非线性的。下面就以单臂电桥为例，计算非线性误差的大小。第43页/共77页44电桥的非线性近似：准确：非线性误差：2.4 2.4 测量电路测量电路直流电桥(电压输出桥的输出特性)对于金属丝应变片，因为灵敏系数小，非线性误差可以忽略；而对于半导体应变片，灵
24、敏系数比金属丝大得多，感受应变时R较大，所以非线性误差不能忽略。书P50第44页/共77页45差动电桥补偿法2.4 2.4 测量电路测量电路使接入电桥的相对臂应变计受拉（R1/R1,R3/R3），相邻臂应变片受压（-R2/R2,-R4/R4）直流电桥(电压输出桥的输出特性)第45页/共77页46差动电桥补偿法（全桥）2.4 2.4 测量电路测量电路全等臂电桥：R1=-R2=R3=-R4 输出电压：四臂差动工作，不仅消除了非线性误差，而且输出比单臂工作提高了4倍。R1=R2=R3=R4 直流电桥(电压输出桥的输出特性)第46页/共77页47差动电桥补偿法（半桥）2.4 2.4 测量电路测量电路全
25、等臂电桥：R1=-R2输出电压：R1=R2=R3=R4 直流电桥(电压输出桥的输出特性)第47页/共77页48恒流源电桥补偿法2.4 2.4 测量电路测量电路 应变电桥非线性误差的成因，主要是由于应变电阻的变化引起工作臂电流的变化所致，即工作过程中通过桥臂的电流不恒定。因此有时用恒流源给桥路供电。采用恒流源比采用恒压源的非线性误差大约减小一倍。一般半导体应变片的桥路都采用恒流源供电。直流电桥(电压输出桥的输出特性)第48页/共77页492.4 2.4 测量电路测量电路49 交流电桥 直流电桥的优点是电源稳定、电路简单，仍是目前的主要测量电路。但由于直流放大器容易产生零点漂移和工频干扰等问题，在
26、有些情况下会采用交流电桥。交流电桥采用交流供电，其放大电路简单、无零点漂移，不易受干扰，但需专用的测量仪器或电路，不易取得高精度。第49页/共77页502.4 2.4 测量电路测量电路平衡条件：原理：与直流电桥相同 输入输出：直流-交流，电阻-阻抗 电桥调平：在确保试件在未受载、无应变的初始条件下，应变电桥满足平衡条件，初始输出为零 交流电桥和第50页/共77页512.4 2.4 测量电路测量电路51 电桥调平：一般电桥 全等臂电桥 交流电桥第51页/共77页522.5 2.5 电阻应变计的温度效应及其补电阻应变计的温度效应及其补偿偿温度效应 单纯由温度变化引起应变计电阻变化的现象主要原因n电
27、阻的热效应，即敏感栅金属丝自身随温度产生的变化n被测试件与敏感栅材料线膨胀系数不一致，导致应变计产生附加应变，从而造成电阻变化第52页/共77页53单丝自补偿法：选择敏感栅的合金材料 制造简单、使用方便双丝自补偿法：应变片由两个电阻丝(Ra,Rb)串联，电阻温度系数一正一负，抵消2.5 2.5 电阻应变计的温度效应及其补电阻应变计的温度效应及其补偿偿温度自补偿法选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿第53页/共77页542.5 2.5 电阻应变计的温度效应及其补电阻应变计的温度效应及其补偿偿桥路补偿法利用电桥的和、差原理来补偿双丝半桥补偿法：应变片的敏感栅由两个电阻丝(R1,R2)串联，温度
28、系数符号相同 R1-工作栅，R2-补偿栅，RB-外接电阻，对温度不敏感调整RB，使相邻桥臂热输出相等使用方便，适用范围广；对RB精度要求高，灵敏度降低 第54页/共77页552.5 2.5 电阻应变计的温度效应及其补电阻应变计的温度效应及其补偿偿桥路补偿块法 工作片R1粘贴在试件上需要测量应变的地方，补偿片R2粘贴在一块不受力的与试件相同的材料上，这块材料自由地放在试件上或附近。当温度发生变化时，工作片R1和补偿片R2的电阻都发生变化，而它们的温度变化相同，R1与R2为同类应变片，又贴在相同的材料上，因此R1和R2的变化也相同，即R1=R2。当R1和R2分别接入电桥的相邻两桥臂，因温度变化引起
29、的电阻变化使R1和R2的作用相互抵消，这样就起到了温度补偿的作用。第55页/共77页562.6 2.6 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器灵敏度高、精度高灵敏度高、精度高 、性能稳定、性能稳定、可靠可靠尺寸小、重量轻、结构简单，使尺寸小、重量轻、结构简单，使用方便用方便测量范围大、动态响应快测量范围大、动态响应快适应性强，高温、低温、高压、适应性强，高温、低温、高压、水下、磁场、辐射水下、磁场、辐射主要特点主要特点 测量测量 -力、压力、位移、应变、加速度、温度等力、压力、位移、应变、加速度、温度等典型应用典型应用第56页/共77页572.6 2.6 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器 组
30、成：弹性元件：筒式筒式 结构简单，承结构简单，承载能力大，抗载能力大，抗偏载和侧向力偏载和侧向力能力强。能力强。环式环式 刚度大，固有刚度大，固有频率高，内外频率高，内外差动，灵敏度差动，灵敏度高。高。悬梁式悬梁式 结构复杂；线结构复杂；线性好，精度高，性好，精度高，抗偏载和侧向抗偏载和侧向力。力。轮辐式轮辐式 结构简单，粘结构简单，粘贴方便，上下贴方便，上下差动，灵敏度差动，灵敏度高，小载荷高，小载荷/精度高。精度高。第57页/共77页582.6 2.6 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器承载承载头头球面高硬弹性弹性体体悬梁式结构侧向力能力强应变应变片片差动布片灵敏度较高电桥电桥全等臂电桥
31、应用应用电子称测力仪应变式应变式称重传称重传感器感器-1-1第58页/共77页592.6 2.6 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器承载承载头头球面高硬弹性弹性体体筒式结构抗偏载和侧向力能力强应变应变片片差动布片灵敏度较高电桥电桥全等臂电桥应用应用测力仪轨道衡汽车衡应变式应变式称重传称重传感器感器-2-2第59页/共77页602.6 2.6 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器悬臂梁式等截面梁：如右图所示，等截面梁的横截面积处处相等。当外力F作用在梁自由端时，固定端产生的应变最大，粘贴在应变处的应变为等截面梁测力时因为应变片的应变大小与力作用的距离有关，所以应变片应粘贴在距离固定端较近的表面
32、，顺梁的长度方向上下各粘贴两应变片，上面两个受压时下面两个受压，应变大小相等，极性相反，四个应变片组成全桥。第60页/共77页612.6 2.6 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器应变片在悬臂梁上的粘贴及变形 第61页/共77页622.6 2.6 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器悬臂梁式等强度梁：如右图所示，悬臂梁长度方向的截面积按一定规律变化，是一种特殊形式的悬臂梁。当力F作用在自由端时，距作用点任何位置横截面上的应力处处相等。应变片处的应变大小为因在力作用下梁表面整个长度上产生大小的应变，所以等强度梁对应变片的粘贴位置要求不高。第62页/共77页632.6 2.6 电阻应变计式传感器
33、电阻应变计式传感器柱式第63页/共77页642.6 2.6 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2 R4第64页/共77页652.6 2.6 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变 形,轴 向 变短，径向变长。第65页/共77页662.6 2.6 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器第66页/共77页典型例题67例例1 1 一一只只应应变变片片的的电电阻阻R R=120=120，灵灵敏敏度度系系数数K K=2.05=2.05，用用做做应应变变=800=800 m/mm/m的传感元件，将其接入等臂电桥。求：的传感
34、元件，将其接入等臂电桥。求：(1)(1)R R和和 R R/R R；(2)(2)若电源电压若电源电压U U=3=3V V，惠斯登电桥的输出电压，惠斯登电桥的输出电压U U0 0为多大？为多大？解 (1)应变片的电阻相对变化量为 应变片的电阻变化量为(2)惠斯登电桥的输出电压为第67页/共77页典型例题例例2 2 将将四四个个性性能能完完全全相相同同的的金金属属丝丝应应变变片片(灵灵敏敏度度系系数数K K=2)=2)粘粘贴贴在在下下图图所所示示的的梁式测力弹性元件上。已知在距离梁的自由端为梁式测力弹性元件上。已知在距离梁的自由端为b b的位置上应变为的位置上应变为设设P P=100=100N N
35、，b b=100=100mmmm，t t=5=5mmmm，w w=20=20mmmm，E E=210=2105 5N/mmN/mm2 2。(1)(1)画出四个应变片的粘贴位置，并画出相应的测量桥路原理图。画出四个应变片的粘贴位置，并画出相应的测量桥路原理图。(2)(2)求出各应变片电阻的相对变化量。求出各应变片电阻的相对变化量。(3)(3)当电桥供电电压为当电桥供电电压为6 6V V，负载电阻为无穷大时，求桥路输出电压，负载电阻为无穷大时，求桥路输出电压U U0 0。(4)(4)这种测量方法对环境温度的变化是否有补偿作用，为什么？这种测量方法对环境温度的变化是否有补偿作用，为什么？第68页/共
36、77页典型例题典型例题69例2 解(1)为了提高灵敏度，将四个应变片分成两组，一组粘贴在梁的上表面，另一组粘贴在梁的下表面，应变片中心与自由端之间的距离皆为b，如下图(a)所示。这样做，可以使上下两组应变片的应变大小相等符号相反，相应的测量桥路如图(b)所示。解解2-12-1(a)应变片粘贴方法(b)测量桥路第69页/共77页典型例题典型例题70例2 解(2)R1、R3粘贴在梁的上表面感受拉应变，R1、R3的电阻相对变化量为 R2、R4粘贴在梁的下表面感受压应变，感受到的压应变与R1、R3感受的拉应变大小相等符号相反，所以R2、R4的电阻相对变化量为(3)此时的输出电压为解解2-22-2第70
37、页/共77页典型例题典型例题71例2 解(3)此时的输出电压为(4)此种测量方式可以补偿环境温度变化的影响。因为四个相同的应变片在同样的环境下，感受温度变化而产生的电阻相对变化量相等，即由此引起的桥路输出电压改变量为即不影响全桥电路的输出电压。解解2-32-3第71页/共77页典型例题典型例题72例2 解(2)R1、R3粘贴在梁的上表面感受拉应变，R1、R3的电阻相对变化量为 R2、R4粘贴在梁的下表面感受压应变，感受到的压应变与R1、R3感受的拉应变大小相等符号相反，所以R2、R4的电阻相对变化量为解解2-42-4第72页/共77页73典型例题典型例题例例3 3 一一个个测测量量吊吊车车起起
38、吊吊重重物物时时的的拉拉力力传传感感器器如如图图(a a)所所示示，将将R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4按按要要求求贴贴在在等等截截面面轴轴上上。已已知知等等截截面面轴轴的的横横截截面面积积A A=0.001960.00196m m2 2，材材料料的的弹弹性性模模量量E E=2102101111N/mN/m2 2，泊泊松松比比=0.30.3，且且R R1 1=R R2 2=R R3 3=R R4 4=120120，K K=2 2，组组成成的的全全桥桥电电路路如如图图(b b)所所示示，电电桥桥供供电电电电压压U U=2V2V。现现测测得得输输出出电电压压U U0 0=2.6mV2.6mV。求：求：（1 1）等截面轴的纵向应变及横向应变为多大？等截面轴的纵向应变及横向应变为多大？（2 2）力力F F为多大？为多大？第73页/共77页典型例题典型例题74例3 解(1)当四个相同的应变片按照图(a)所示方式粘贴，并按图(b)所示的方式接入桥路时，有其中(2)根据所以纵向应变为横向应变为得得第74页/共77页课后作业75课本第课本第6464页页2-102-102-112-11第75页/共77页第76页/共77页信息与控制学院仪器系77感谢您的观看！第77页/共77页