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1、关于电阻应变式传感器关于电阻应变式传感器第1页，讲稿共33张，创作于星期二3.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器返回首页 电阻应变式传感器由电阻应变片和测量电路组成。其敏感元件的电阻随着机械变形（伸长或缩短）而变化。它广泛应用于测量力和与力有关的一些非电参数（如压力、荷重、扭力、加速度等）。电阻应变传感器的特点是精度高，测量范围广；结构简单，性能稳定可靠，寿命长；频率特性好，能在高温、高压、振动强烈、强磁场等恶劣环境条件下工作。第2页，讲稿共33张，创作于星期二w3.1.1 应变片的工作原理应变片的工作原理w3.1.2 电阻应变传感器的测量电路电阻应变传感器的测量电路w3.1.3 电阻应变传
2、感器的温度误差及其补偿电阻应变传感器的温度误差及其补偿w3.1.4 电阻应变传感器的应用电阻应变传感器的应用w3.1.5 电阻应变传感器实训电阻应变传感器实训返回首页3.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器第3页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.1 应变片的工作原理应变片的工作原理返回首页图图3-1-43-1-4示出了电阻应变片的基本结构。示出了电阻应变片的基本结构。金属导体的电阻随着它所受机械外力导致变形而发生变化的现象，金属导体的电阻随着它所受机械外力导致变形而发生变化的现象，称为金属电阻的应变效应。这就是电阻应变片赖以工作的物理基础。称为金属电阻的应变效应。这就是电阻应变片赖以工作的物
3、理基础。图图3-1-4 电阻应变片的基本结构电阻应变片的基本结构第4页，讲稿共33张，创作于星期二图图3-1-3 电阻应变片的基本形状电阻应变片的基本形状金属导体的应变效应金属导体的应变效应金属导体在外力作用下发生机械变形时，金属导体在外力作用下发生机械变形时，其其电阻值电阻值随着它所受机械变形随着它所受机械变形 (伸长或缩伸长或缩短短 )而发生变化的现象。而发生变化的现象。根据电阻的定义根据电阻的定义:如果金属导体在外力如果金属导体在外力作用下产生变化量作用下产生变化量dd、dldl、dAdA时，其电阻变时，其电阻变化化dRdR为：为：3.1.1 应变片的工作原理应变片的工作原理返回首页第5
4、页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.1 应变片的工作原理应变片的工作原理返回首页根据偏导数定义，设根据偏导数定义，设、A A为常数，则为常数，则 ，同理，同理，故故常见表达式：常见表达式：（3-1-63-1-6）第6页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.1 应变片的工作原理应变片的工作原理返回首页前式前式 ，则，则 ，则，则上式中，上式中，称为轴向线应变，单位：称为轴向线应变，单位：“微应变微应变”，由材料力学知，由材料力学知，经向收缩经向收缩 和和轴向伸长轴向伸长 的关系为：的关系为：，称为泊松比称为泊松比则则第7页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.1 应变片的工作原理应变片的工作原理返
5、回首页w下面分导体和半导体两种情况对上式下面分导体和半导体两种情况对上式进行讨论：进行讨论：n金属电阻应变片（按结构形式金属电阻应变片（按结构形式分）分）l丝式丝式l箔式箔式l薄膜式薄膜式n半导体应变片半导体应变片 l体型半导体应变片体型半导体应变片l薄膜型半导体应变片薄膜型半导体应变片l扩散型半导体应变片扩散型半导体应变片图图3-1-5 电阻应变片的类型电阻应变片的类型第8页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.1 应变片的工作原理应变片的工作原理返回首页应变电阻效应应变电阻效应（1）金属材料的应变电阻效应）金属材料的应变电阻效应（2）半导体材料的应变电阻效应）半导体材料的应变电阻效应 金属材
6、料的电阻相对变化与线应变成正比金属材料的电阻相对变化与线应变成正比 半导体材料的电阻相对变化与线应变成正比半导体材料的电阻相对变化与线应变成正比金属丝材的金属丝材的应变灵敏系数应变灵敏系数半导体材料的半导体材料的应变灵敏系数应变灵敏系数第9页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.1 应变片的工作原理应变片的工作原理返回首页应变灵敏系数应变灵敏系数金属金属半导体半导体几何尺寸变化几何尺寸变化几何尺寸变化几何尺寸变化电阻率变化电阻率变化电阻率变化电阻率变化金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主，金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主，Km=1.8 4.8几何尺寸变化几何尺寸变化几何尺寸变化几何尺
7、寸变化压阻效应压阻效应压阻效应压阻效应半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应第10页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.1 应变片的工作原理应变片的工作原理返回首页金属电阻应变片金属电阻应变片大多数金属材料的大多数金属材料的 之间，所以之间，所以 在在1.62.0之间。之间。金属电阻应变片具有分辨率高，非线性误差小；温漂系数小；金属电阻应变片具有分辨率高，非线性误差小；温漂系数小；测量范围大，可从弹性变形一直测至塑性变形（测量范围大，可从弹性变形一直测至塑性变形（1 12 2），），可超载达可超载达2020；既能测量静态应变，又能测量动态应变；价格低；
8、既能测量静态应变，又能测量动态应变；价格低廉，品种繁多，便于选择和大量使用等优点，因此在各行各业都廉，品种繁多，便于选择和大量使用等优点，因此在各行各业都广泛应用。广泛应用。第11页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.1 应变片的工作原理应变片的工作原理返回首页半导体应变片w半导体应变片半导体应变片n突出的优点是灵敏度系数高，可测微小应变（一般突出的优点是灵敏度系数高，可测微小应变（一般600600微应变微应变以下）；机械滞后小；动态特性好；横向效应小；体积小。以下）；机械滞后小；动态特性好；横向效应小；体积小。n其主要缺点是：电阻温度系数大；一般可达其主要缺点是：电阻温度系数大；一般可达10
9、103/3/；灵敏度；灵敏度系数随温度变化大；非线性严重；测量范围小。因此，系数随温度变化大；非线性严重；测量范围小。因此，在使用时需采用温度补偿和非线性补偿措施。在使用时需采用温度补偿和非线性补偿措施。第12页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.2 电阻应变传感器的测量电路电阻应变传感器的测量电路返回首页由于电阻应变片工作时其电阻变化由于电阻应变片工作时其电阻变化很微小很微小，例如，一片，例如，一片 、初、初始电阻始电阻120120的应变片，受的应变片，受13331333微应变（约微应变（约2 2吨重的力）时，其吨重的力）时，其电阻变化仅电阻变化仅0.360.36。测量电路的任务测量电路的任
10、务是把微弱的电阻变化转换成电压或电流的变化，因是把微弱的电阻变化转换成电压或电流的变化，因此常用此常用直流电桥和交流电桥直流电桥和交流电桥作为测量电路。作为测量电路。目前应变片电桥大都采用目前应变片电桥大都采用交流电桥交流电桥，但由于，但由于直流电桥直流电桥比较简单，比较简单，交流电桥原理与它相似，所以以直流电桥作分析交流电桥原理与它相似，所以以直流电桥作分析,如图如图3-T13-T1所示。所示。图图3-T1 桥式测量电路桥式测量电路第13页，讲稿共33张，创作于星期二 n电桥测量电路见图电桥测量电路见图3-T13-T1，图中，图中 分别为四桥臂电阻，分别为四桥臂电阻，为供为供桥电压，桥电压，
11、为电桥输出电压。当电桥的负载电阻为无穷大时，为电桥输出电压。当电桥的负载电阻为无穷大时，桥路的输出电压为：桥路的输出电压为：n为了使测量前的输出为零，应使：为了使测量前的输出为零，应使：n满足上式的条件称为电桥平衡条件。此时，当每桥臂电满足上式的条件称为电桥平衡条件。此时，当每桥臂电阻的变化远小于本身值，即阻的变化远小于本身值，即 ，（，（1 1、2 2、3 3、4 4），且负载电阻为无穷大时，输出电压可近似为：），且负载电阻为无穷大时，输出电压可近似为：3.1.2 电阻应变传感器的测量电路电阻应变传感器的测量电路返回首页电桥测量电路的分析第14页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.2 电阻应
12、变传感器的测量电路电阻应变传感器的测量电路返回首页1 1）单臂电桥）单臂电桥 桥臂电阻中只有一个电阻为应变片，其余为固定电阻。桥臂电阻中只有一个电阻为应变片，其余为固定电阻。2）对称电桥）对称电桥 对于电源左右两边对称，例如对于电源左右两边对称，例如 产生纵向应变产生纵向应变 ，产生横向应变产生横向应变 ，、为固定电阻。因此得：为固定电阻。因此得：若若 和和 均是产生纵向应变的应变片，均是产生纵向应变的应变片，和和 是固定电阻，则是固定电阻，则这种电桥称为半桥。这种电桥称为半桥。（桥路电压灵敏度）（桥路电压灵敏度）第15页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.2 电阻应变传感器的测量电路电阻应变
13、传感器的测量电路返回首页 3 3）非对称电桥）非对称电桥 ，如令，如令 ，如，如 和和 是产生不同应变是产生不同应变的应变片，的应变片，和和 是固定电阻，则是固定电阻，则 由上式可见，当由上式可见，当 时，电压灵敏度时，电压灵敏度 最高，对称电桥是非最高，对称电桥是非对称电桥的特例。对称电桥的特例。非对称电桥的优点是非线性误差较小。非对称电桥的优点是非线性误差较小。第16页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.2 电阻应变传感器的测量电路电阻应变传感器的测量电路返回首页 4）全等电桥全等电桥 ，均为应变片，设均为应变片，设 和和 产生纵向应变产生纵向应变 ，和和 产生横向应变产生横向应变 ，则：
14、，则：这种情况称为全桥，其电压这种情况称为全桥，其电压灵敏度最高灵敏度最高，因此是最常用的一种，因此是最常用的一种桥路。桥路。第17页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.2 电阻应变传感器的测量电路电阻应变传感器的测量电路返回首页w综上所述，可得出如下结论：综上所述，可得出如下结论：1 1）产生相同应变的应变片不能接在相邻的桥臂，否则桥路输）产生相同应变的应变片不能接在相邻的桥臂，否则桥路输出电压恒等于零。出电压恒等于零。2 2）提高电桥电压灵敏度除了上述提高供桥电压和选择高值的）提高电桥电压灵敏度除了上述提高供桥电压和选择高值的应变片外，可在应变片外，可在 桥臂中分别串接产生相同应变的应桥臂
15、中分别串接产生相同应变的应变片变片 ，见图，见图3-T23-T2。按全等电桥的条件：。按全等电桥的条件：3 3）在半桥和全桥测量电路中，粘贴于）在半桥和全桥测量电路中，粘贴于测试件上的应变片的特性相同或相近，测试件上的应变片的特性相同或相近，又感受相同的温度，因此可起到温度又感受相同的温度，因此可起到温度补偿作用，减小温度附加误差。补偿作用，减小温度附加误差。图图3-T2 多片应变片串联多片应变片串联第18页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.2 电阻应变传感器的测量电路电阻应变传感器的测量电路4 4）实际上，桥路输出电压与应变是非线性的。小时，非线性误差）实际上，桥路输出电压与应变是非线性的
16、。小时，非线性误差很小，可以忽略。很小，可以忽略。在使用半导体应变片测量较大应变时，非线性误差较大，必须进行补在使用半导体应变片测量较大应变时，非线性误差较大，必须进行补偿。偿。w补偿方法有：补偿方法有：采用采用高桥臂比高桥臂比的对称电桥；的对称电桥；采用采用全桥全桥测量电路；测量电路；采用采用恒流源电桥恒流源电桥；单臂电桥非线性严重，单臂电桥非线性严重，可采用可采用有源电桥有源电桥，见图见图3-T33-T3。图图3-T2 有源电桥有源电桥第19页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.2 电阻应变传感器的测量电路电阻应变传感器的测量电路返回首页5 5）上述讨论假设负载电阻）上述讨论假设负载电阻
17、，实际上是不可能的。当，实际上是不可能的。当 为有限值时，由于桥路有内阻，所以输出电压有所下降，此为有限值时，由于桥路有内阻，所以输出电压有所下降，此时可利用时可利用戴维南定理戴维南定理求其开路电压求其开路电压 与桥路的短路内阻与桥路的短路内阻 ，得其等效电路见图，得其等效电路见图3-T43-T4。由图可求出负载由图可求出负载 两端电压为：两端电压为：图图3-T4 带负载时的等效电路带负载时的等效电路第20页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.2 电阻应变传感器的测量电路电阻应变传感器的测量电路返回首页w额定载荷为额定载荷为4t4t的圆柱形电阻应变传感器，其展开图见图的圆柱形电阻应变传感器，其
18、展开图见图3-T53-T5。未。未受载荷时四片应变片阻值均是受载荷时四片应变片阻值均是120120，允许功耗，允许功耗208.35mW208.35mW，传感，传感器电压灵敏度器电压灵敏度 ，应变片灵敏度系数，应变片灵敏度系数 。1 1）画出桥路接线图；）画出桥路接线图；2 2）求桥路供桥电压；）求桥路供桥电压；3 3）载荷）载荷4t4t和和2t2t时，桥路输出时，桥路输出 电压分别是多少？电压分别是多少？4 4）载荷）载荷2t2t时，时，的阻值分的阻值分 别为多少？别为多少？图图3-T5 电阻应变传感器展开图电阻应变传感器展开图第21页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.2 电阻应变传感器的测
19、量电路电阻应变传感器的测量电路解：解：1 1）根据上面）根据上面结论结论1 1），产生相同应变的应变片不能接在相邻桥，产生相同应变的应变片不能接在相邻桥臂上。画出桥路接线图见图臂上。画出桥路接线图见图3-T5.3-T5.2 2）设供桥电压为）设供桥电压为 ，在全桥中每，在全桥中每一应变片承受电压为一应变片承受电压为 。则。则：因此，因此，3 3）载荷）载荷4t4t时的输出电压时的输出电压传感器是线性的，因此载荷传感器是线性的，因此载荷2t2t时的输出时的输出电压为：电压为：图图3-T5 桥式测量电路桥式测量电路第22页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.2 电阻应变传感器的测量电路电阻应变传感
20、器的测量电路返回首页 4 4）由图）由图3-T53-T5可见，可见，为拉力，为拉力，、产生纵向应变产生纵向应变 ，、产产生横向应变生横向应变 。，。则。则：第23页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.2 电阻应变传感器的测量电路电阻应变传感器的测量电路返回首页电桥的零位调整电桥的零位调整 w由于制造工艺的原因应变传感器在不受载荷时，其输出电压不为由于制造工艺的原因应变传感器在不受载荷时，其输出电压不为零，因此使用前必须调零。零，因此使用前必须调零。（1 1）直流电桥调零）直流电桥调零 直流电桥调零仅需电阻平衡即可，有串联调零和并联调直流电桥调零仅需电阻平衡即可，有串联调零和并联调零两种，见图零
21、两种，见图3-T63-T6。图。图a a在在 和和 臂间串联接入变阻器臂间串联接入变阻器RPRP，调，调节节RPRP可使电桥平衡。图可使电桥平衡。图b b是并联调零，改变是并联调零，改变RPRP中心抽头的位置中心抽头的位置可达到平衡目的，调零能力取决于可达到平衡目的，调零能力取决于 ，小些，调零能力就强小些，调零能力就强些。通常些。通常RPRP的大小可与的大小可与 相同，取值为数千欧姆。相同，取值为数千欧姆。图3-T6 直流电桥调零电路a）串联调零 b）并联调零 第24页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.2 电阻应变传感器的测量电路电阻应变传感器的测量电路返回首页（2 2）交流电桥调零）交流
22、电桥调零 图图3-T73-T7的桥式测量电路用交流供桥电压的桥式测量电路用交流供桥电压 ，以复阻抗，以复阻抗 分别代替图中的分别代替图中的 ，即成为交流电桥。交流电桥，即成为交流电桥。交流电桥的分析与直流电桥相似。直流电桥仅需电阻平衡，而交流的分析与直流电桥相似。直流电桥仅需电阻平衡，而交流电桥除了电阻平衡外，还必须满足相位平衡，即必须满足电桥除了电阻平衡外，还必须满足相位平衡，即必须满足阻抗平衡：阻抗平衡：由此可见，交流电桥欲达到零点平衡，必须有电阻和电容调零由此可见，交流电桥欲达到零点平衡，必须有电阻和电容调零装置，见图装置，见图3-T7 3-T7。图图3-T7 交流电桥调零交流电桥调零第
23、25页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.3 电阻应变传感器的温度误差及其补偿电阻应变传感器的温度误差及其补偿返回首页由于由于温度变化温度变化引起电阻应变片阻值的变化与引起电阻应变片阻值的变化与被测量被测量引起的阻值的引起的阻值的变化几乎有相同的数量级。变化几乎有相同的数量级。若不采取适当的补偿措施，电阻应变传感器将若不采取适当的补偿措施，电阻应变传感器将无法工作无法工作。引起温度误差的主要因素有：引起温度误差的主要因素有：1.1.应变片本身电阻随温度的变化引起误差。该项温度误差可用应变片本身电阻随温度的变化引起误差。该项温度误差可用半桥或全桥测量电路获得较好的补偿效果。半桥或全桥测量电路获得
24、较好的补偿效果。2.2.应变片材料的线膨胀系数与基底材料的线膨胀系数不同引起应变片材料的线膨胀系数与基底材料的线膨胀系数不同引起温度误差。为消除该项温度误差主要是采取应变片自补偿方温度误差。为消除该项温度误差主要是采取应变片自补偿方法，在制造传感器时已加以考虑。法，在制造传感器时已加以考虑。对使用者来说，最好的补偿方法是采用半桥或全桥测量电对使用者来说，最好的补偿方法是采用半桥或全桥测量电路。路。第26页，讲稿共33张，创作于星期二图图3-T8 弹性模量的温度补偿弹性模量的温度补偿3.1.3 电阻应变传感器的温度误差及其补偿电阻应变传感器的温度误差及其补偿 因此，传感器桥路输出电压随温因此，传
25、感器桥路输出电压随温度的增加而增加，从而引起温度附度的增加而增加，从而引起温度附加误差。该项误差不能采用半桥或加误差。该项误差不能采用半桥或全桥测量电路加以克服，必须采用全桥测量电路加以克服，必须采用适当的补偿措施。适当的补偿措施。3.3.测试件的弹性模量随温度变化引起的误差。测试件的弹性模量随温度变化引起的误差。电阻应变片制造好后，用粘合剂粘贴到测试件上成为电阻电阻应变片制造好后，用粘合剂粘贴到测试件上成为电阻应变传感器。被测量作用于测试件下，应变片跟着测试件应变传感器。被测量作用于测试件下，应变片跟着测试件产生机械变形，从而形成电阻应变片阻值发生变化。产生机械变形，从而形成电阻应变片阻值发
26、生变化。由于测试件的弹性模量随着温度的增加而减小，在被测由于测试件的弹性模量随着温度的增加而减小，在被测量不变的情况下，应变片产生的应变量增加。量不变的情况下，应变片产生的应变量增加。第27页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.4 电阻应变传感器及其应用电阻应变传感器及其应用返回首页1.1.电阻应变传感器电阻应变传感器 电阻应变片除了直接用于测量测试件的应力和应变外，电阻应变片除了直接用于测量测试件的应力和应变外，还广泛利用它制成各种应变式传感器，用于测量如力、还广泛利用它制成各种应变式传感器，用于测量如力、压力、转矩、位移、振动、加速度等物理量。压力、转矩、位移、振动、加速度等物理量。1 1
27、）测力传感器其结构原理。）测力传感器其结构原理。图图3-T9a3-T9a为柱式结构，可测大的拉力或压力，量程上限可达为柱式结构，可测大的拉力或压力，量程上限可达107N。在小荷。在小荷（103105N）时，可用空心筒式结构。当力与时，可用空心筒式结构。当力与轴向一致时，应变片感受的纵向应变为：轴向一致时，应变片感受的纵向应变为：沿圆周方向粘贴的应变片感受模向应变沿圆周方向粘贴的应变片感受模向应变 为：为：式中，式中，为被测力（为被测力（N N）；）；为受力面积（为受力面积（m2m2）；）；为材料的弹性模量（为材料的弹性模量（N/m2N/m2）。）。第28页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.4
28、 电阻应变传感器及其应用电阻应变传感器及其应用返回首页图图b b是环式结构，用于测试是环式结构，用于测试500N500N以上的载荷。用环式测量拉（压）以上的载荷。用环式测量拉（压）力时，实质上是测量粘片处的弯曲应力，因为弯曲应力一面是力时，实质上是测量粘片处的弯曲应力，因为弯曲应力一面是正值（正值（+），另一面是负值（），另一面是负值（-），两者绝对值相等符号相），两者绝对值相等符号相反，用下式计算：反，用下式计算：式中，为环的平均半径（式中，为环的平均半径（m m）；为环的宽度（）；为环的宽度（m m）；为环的厚度（）；为环的厚度（m m）。）。图图c c为单端悬臂梁式，其灵敏度高，测量范围
29、小，约为单端悬臂梁式，其灵敏度高，测量范围小，约1103N。粘贴于梁上方和下方相同位置上感受的应变绝对值相等符号粘贴于梁上方和下方相同位置上感受的应变绝对值相等符号相反，可用下式计算：相反，可用下式计算：式中，式中，为受力点到应变片中心的距离（为受力点到应变片中心的距离（m m）。）。第29页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.4 电阻应变传感器及其应用电阻应变传感器及其应用返回首页悬臂梁称重传感器悬臂梁称重传感器 如如GX-1型悬臂梁称重传感器。结构外形、结构尺寸型悬臂梁称重传感器。结构外形、结构尺寸如图所示。如图所示。GX-1GX-1型悬臂梁称重传感器型悬臂梁称重传感器 GX-1GX-1型悬臂梁称重传感器结构尺寸型悬臂梁称重传感器结构尺寸 第30页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.5 电阻应变传感器实训电阻应变传感器实训返回首页金属箔式应变片金属箔式应变片单臂电桥性能实验单臂电桥性能实验要求：要求：传感器的特性曲线，系统灵敏度，非线性误差第31页，讲稿共33张，创作于星期二3.1.5 电阻应变传感器实训电阻应变传感器实训返回首页金属箔式应变片金属箔式应变片半桥性能实验半桥性能实验要求：要求：传感器的特性曲线，系统灵敏度，非线性误差 拟合直线 单臂的输出灵敏度 第32页，讲稿共33张，创作于星期二感谢大家观看第33页，讲稿共33张，创作于星期二