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1、2023/3/19 19:3712.1 应变片的工作原理电阻应变效应金属导体几何变形时其电阻值发生变化原始长度l原始半径r初始电阻R电阻率截面积S受力F作用：伸长量dl半径减小dr,电阻率变化d电阻变化dR第1页/共44页2023/3/19 19:3722.1 应变片的工作原理电阻应变效应n轴向应变泊松比n压阻效应系数，弹性模量E：压阻效应几何效应第2页/共44页2023/3/19 19:373n 应变片材料灵敏度系数n在弹性范围内,电阻相对变化量与应变成正比n直接测应变、应力n因E无解析式，k0只能由试验测得2.1 应变片的工作原理电阻应变效应第3页/共44页2023/3/19 19:374
2、n 应变片材料灵敏度由两部分构成n根据材料的性质分2类：（1）金属丝应变片 金属材料几何效应远远大于压阻效应2.1 应变片的工作原理应变片的分类n特点：n线性好、精度高、性能稳定n灵敏度低，一般k01010允许电流静态25mA；动态75100mAlb第8页/共44页2023/3/19 19:3792.3 应变片的温度误差及其补偿误差对应变测量精度的影响力试件弹性变形应变波传递应变片变形应变片电阻变化温度变化热变形 应变片与试件变形量不同应变片附加变形应变片电阻变化(温度误差)第9页/共44页2023/3/19 19:3710温度误差产生的原因(1)温度引起应变片电阻变化应变片初始阻值R0、温度
3、变化t 、应变材料的电阻温度系数t(%/)；应变片灵敏度k.电阻Rt与温度的关系：折合成附加应变附加应变与温度变化及电阻温度系数成正比第10页/共44页2023/3/19 19:3711温度误差产生的原因(2)试件与应变片线膨胀系数不同试件线胀系数g、温升t、热膨胀量lg；应变丝线胀系数s、温升t、热膨胀量ls；则，相同长度l0的试件与应变丝热膨胀量为：应变丝与试件的相对伸长量lt：折合成附加应变附加应变与温升及线胀系数的差系数成正比第11页/共44页2023/3/19 19:3712温度误差产生的原因温度引起应变片的附加应变以上两项附加应变之和 附加应变引入测量误差；附加应变与温度变化、应变
4、丝及试件的性能参数有关；温度变化还会改变粘合剂传递应变的性能。应变测量时必须消除温度误差。桥路补偿，应变片自补偿、敏感栅自补偿、以及热敏电阻补偿第12页/共44页2023/3/19 19:3713温度误差的补偿(1)桥路补偿(下节)(2)应变片自补偿合理选择应变片及试件的性能参数使附加应变恒等于0：可以实现温度误差自补偿。方法简单，但有时不易实现。第13页/共44页2023/3/19 19:3714温度误差的补偿(3)双金属敏感栅自补偿 也叫组合式自补偿应变片只能补偿应变片电阻温度系数引起的温度误差，不能补偿敏感栅与试件热膨胀引起的附加应变；方法：敏感栅由电阻温度系数为一正一负敏感栅由电阻温度
5、系数为一正一负的两种应变丝材料串联而成。的两种应变丝材料串联而成。温度变化时电阻变化一正一负，当两种应变丝长度合适时，温度误差对消。焊点第14页/共44页2023/3/19 19:3715温度误差的补偿(4)热敏电阻补偿法 测量电桥串联热敏电阻；输入电压为常数。温度上升时，应变片阻值增加，电桥等效电阻变大，输出电压减小；温升时，使热敏电阻阻值减小；供桥电压增加，输出电压适当增加；温度误差被热敏电阻补偿。应变片、热敏电阻、R5选择适当即可。R1R2R3R4UiU0RTR5第15页/共44页2023/3/19 19:3716测量电路的作用：电阻变化量电压放大输出数据采集；温度误差自动补偿；非线性误
6、差补偿；尽量提高测量的灵敏度。电路类型电桥交流/直流电桥平衡/不平衡电桥电桥2.4 电阻应变片的测量电路放大器振荡器检波器滤波器电源第16页/共44页2023/3/19 19:3717直流电桥供桥电压U，电桥输出U0四个臂应变片阻值R1R4 电桥平衡条件：电桥输出：R1R2R3R4U0U第17页/共44页2023/3/19 19:3718直流电桥初始状态电桥平衡，输出U00电桥不平衡时，输出U00将阻值、电阻变化量代入，得当 时电桥和差运算的特性：相对臂电阻变化量相加;相邻臂电阻变化量相减;R1R2R3R4U0U第18页/共44页2023/3/19 19:3719直流电桥代入称单位电阻变化量引
7、起的输出电压:为电桥灵敏度电桥输出与应变片电阻相对变化量成正比；电桥输出与供桥电压成正比；根据布片方式电桥分为全桥、双臂半桥、单臂半桥。R1R2R3R4U0U第19页/共44页2023/3/19 19:3720直流电桥(1)全桥电桥的四个臂均为应变片布片符合电桥和差准则特点：线性灵敏度Su最大温度误差自补偿测量精度受电源电压波动影响灵敏度方法：k，U(受允许电流限制)R1R2R3R4U0U第20页/共44页2023/3/19 19:3721直流电桥(2)双臂半桥R1/R2为应变片,R3/R4固定电阻R1=-R2,特点：线性;灵敏度为全桥的一半;温度误差自补偿;测量精度受电源电压波动影响.R1R
8、2R3R4U0U第21页/共44页2023/3/19 19:3722直流电桥(3)半桥单臂R1为应变片，R1R+RR2=R3=R4=R:固定电阻非线性误差：R1R2R3R4U0UU 0金属应变片：当K2、5000时,0.5半导体应变片：当K100、1000时,5第22页/共44页2023/3/19 19:3723直流电桥(3)半桥单臂特点：非线性灵敏度为全桥的四分之一温度误差不能自动补偿温度误差补偿设置补偿应变片补偿片与工作片型号、批次相同补偿片不受力温度相同或相近（困难）R1R2R3R4U0U第23页/共44页2023/3/19 19:3724直流电桥三种电桥性能比较 指标桥类灵敏度线性温度
9、误差自补偿须设置补偿片？全桥4否双臂半桥2否单臂板桥1XX是n提高灵敏度的措施：n选择合适的电桥及贴片方式；n提高供桥电压：13V允许电流25mA。第24页/共44页2023/3/19 19:3725恒流源电桥电压源电桥的缺点精度受电源电压波动影响测量灵敏度随之变化恒流源电桥供桥电流恒定，电桥灵敏度稳定R1R2R3R4U0UI1I2I第25页/共44页2023/3/19 19:3726恒流源电桥代入电桥输出：电桥灵敏度：灵敏度为常数用于精密测量或半导体应变片R1R2R3R4U0UiI1I2I第26页/共44页2023/3/19 19:3727交流电桥供桥电压交流U电桥输出交流U0接桥与贴片方式
10、同直流电桥全桥、双臂半桥、单臂半桥 特点：直流隔离，易于高倍数放大；输出只能反映应变的大小，不能反映方向须采用相敏检波电路多用于电阻应变仪R1R2R3R4U0U第27页/共44页2023/3/19 19:3728交流电桥供桥电压频率待测信号频率的610倍一般4002000HzR1R4为固定电阻或应变片C1C2为导线分布电容各臂阻抗：第28页/共44页2023/3/19 19:3729交流电桥由直流电桥输出推广：平衡条件第29页/共44页2023/3/19 19:3730交流电桥交流电桥平衡条件：交流电桥的平衡电阻平衡(阻抗平衡)电容平衡(相角平衡)当 时第30页/共44页2023/3/19 1
11、9:3731串联法并联法差动法阻容法交流电桥的平衡方法C第31页/共44页2023/3/19 19:37322.5 电阻式传感器举例测量对象：力、应变相关量：弯矩、扭矩、压力；加速度、温度测量方式：构件应力应变测量：构件清洗、打磨抛光、贴片接桥、电路放大、数采相关量测量：相关量弹性元件弹性变形应变片电桥应变式传感器第32页/共44页2023/3/19 19:37332.5 电阻应变式传感器弹性元件：弹性元件在传感器中充当敏感元件应变片在传感器中充当传感元件弹性特性：在弹性极限范围内在弹性极限范围内有力作用时，机械部件产生变形；力去除后，变形完全恢复；变形与力成线性关系.弹性元件形式：圆柱式、悬
12、臂梁式、膜片式、波纹管式第33页/共44页2023/3/19 19:3734圆柱(筒)式力传感器实心、空心贴片(圆周展开)接桥柱式筒式第34页/共44页2023/3/19 19:3735圆柱(筒)式力传感器受拉时：桥臂电阻：电桥输出：灵敏度：贴片(圆周展开)接桥可测出拉力第35页/共44页2023/3/19 19:3736圆柱(筒)式力传感器载荷偏心 例如：力作用于R1、R3所在的轴截面上。或弯矩时：桥臂电阻：电桥输出：测量精度与载荷作用点无关温度误差自动补偿接桥可消除偏心和弯曲影响贴片(圆周展开)第36页/共44页2023/3/19 19:3737环式力传感器弹性薄臂圆环桥臂初值：电桥输出：
13、线性、温度误差补偿、灵敏度高可测出压力R2R4R1R3FR1R2R3R4UiU0第37页/共44页2023/3/19 19:3738悬臂式力传感器弹性悬臂梁接桥性能同弹性圆环等强度梁力FR1(R4)R2(R3)R4(R3)R1(R2)矩形梁力FR1(R4)R2(R3)R4(R3)R1(R2)第38页/共44页2023/3/19 19:3739弹性薄膜式力传感器弹性膜片切相应力恒正；径向应力有正有负X=0.635r 处为零贴片：R1、R4径向应力0，切相很小R2、R3切向应力接近最大全桥连接，补偿温度误差也可在中心贴垂直应变花R1R2R3R4R1R2R3R4第39页/共44页2023/3/19
14、19:3740LC0804 应变加速度传感器 质量悬臂梁应变片补偿片2保护块电阻应变式力传感器举例型号输出电源VDC量程MPa安装方式（一）安装方式（二）LC09011-2mv/V.FS12 1,2,5,10,20,50,100,2002英寸由任接头法兰盘安装M121M141M201.5螺纹安装 LC09020-5V624LC09034-20mALC09040-10KHZLC09系列 应变压力传感器 CYB系列压差传感器第40页/共44页2023/3/19 19:3741本章习题1.何谓电阻应变效应?简述电阻应变片的结构以及构件应力测量的过程.2.什么是应变片的灵敏度系数?它与应变丝的灵敏度系
15、数有何不同?为什么?3.金属应变片与半导体应变片的工作原理有何区别?两种应变片各有和特点?4.简述产生应变测量的温度误差的原因及其补偿方法?5.从线性、灵敏度、温度误差自补偿等方面比较三种应变测量电桥的特性？6.简述应变测量的电桥和差特性以及贴片和接桥的一般方法.第41页/共44页2023/3/19 19:3742本章习题7.一应变片的电阻R=120,灵敏度K=2.05,用作应变为800m/m的传感元件.求电阻的变化量R和R/R;若供桥电压为Ui=3V,求初始平衡时半桥单臂电桥的输出电压U0.8.在材料为钢的实心圆柱形试件上,沿轴线和圆周方向各贴一个阻值为R=120的金属应变片R1和R2,将这
16、两个应变片接入电桥.若钢的泊松比为=0.285,应变片的灵敏度系数为K=2,供桥电压U=2V,当试件受轴向拉伸时测得R1的电阻变化量R1=0.48.求轴的应变量和电桥的输出电压.第42页/共44页2023/3/19 19:3743本章习题9.某应变式精密测力仪采用等强度悬臂梁型弹性敏感元件,如图2所示.在悬臂梁的上、下两个表面上分别粘贴二个规格与性能完全相同的金属丝电阻应变片R1、R2、R3和R4.应变片的标准阻值为120.测量电路选用直流电桥,供桥电压为Ui。等强度梁力FR1(R4)R2(R3)R4(R3)R1(R2)n分析在力F 的作用下,四个应变片电阻变化量之间的关系;n选择悬臂梁上合适的应变片,分别组成全桥、双臂半桥以及单臂半桥直流测量电路，画出测量电桥电路图,并写出三种电桥的输出电压与应变片电阻变化量和供桥电压之间的关系;n从应变测量的灵敏度、线性度以及温度误差补偿等三个方面分析比较三种应变片测量电桥的特性.第43页/共44页2023/3/19 19:3744感谢您的观看！第44页/共44页