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1、第二章第二章 电阻应变传感器电阻应变传感器第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第二章第二章 电阻应变传感器测量电路电阻应变传感器测量电路第三节第三节 电阻应变传感器的应用电阻应变传感器的应用臀算菇灵涝都唱阂蝗做筐智觅锨赤仕柠捆润宠早荣除拈权归误唆呕观模绥第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第一节第一节 电阻应变片电阻应变片电阻应变传感器由弹性元件电阻应变传感器由弹性元件(Elastomer)、电阻应变片和相应、电阻应变片和相应的测量电路组成。弹性元件用于感受被测量的变化，并将被的测量电路组成。弹性元件用于感受被测量的变化，并将被测量的变化转换为弹性元件表面应变测量的变化转换为弹性元件表面应变
2、;电阻应变片粘贴在弹性电阻应变片粘贴在弹性元件上，将弹性元件的表面应变转换为应变片电阻值的变化元件上，将弹性元件的表面应变转换为应变片电阻值的变化;测量电路将应变片电阻值的变化转换为便于输出测量的电量，测量电路将应变片电阻值的变化转换为便于输出测量的电量，从而实现非电量的测量。电阻应变片是应变测量的关键元件，从而实现非电量的测量。电阻应变片是应变测量的关键元件，为适应各种领域测量的需要，可供选择的电阻应变片的种类为适应各种领域测量的需要，可供选择的电阻应变片的种类很多，但按其敏感栅材料及制作方法可分类如很多，但按其敏感栅材料及制作方法可分类如表表2-1所示。所示。一、金属电阻应变片一、金属电阻
3、应变片1.金属丝电阻应变效应金属导体在发生机械变形时，其阻值金属丝电阻应变效应金属导体在发生机械变形时，其阻值发生相应变化，即形成导体的电阻应变效应。由于发生相应变化，即形成导体的电阻应变效应。由于下一页返回逾袭舜郧降鞭嘎轿尝晓馏塑貉爬商刽搀棠改睬额琳绚时甄畔光饥爱冶素悟第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第一节第一节 电阻应变片电阻应变片上一页 下一页返回庄橇竖汇张眼镰隙伊旷早事漆睛孽椭沧青辆毗嘛硼亦囚据伎蛤斩姆嘻堑弗第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第一节第一节 电阻应变片电阻应变片式中式中称为导体的泊松比，它表示导体横向应变量与纵向应变称为导体的泊松比，它表示导体横向应变量与纵
4、向应变量成比例，式中量成比例，式中“-”号表示两者变形方向相反。号表示两者变形方向相反。将式将式(2-3)和式和式(2-4)代人式代人式(2-2)，则可得，则可得令金属丝应变灵敏系数为令金属丝应变灵敏系数为其物理含义是单位纵向应变引起电阻的相对变化量。由式其物理含义是单位纵向应变引起电阻的相对变化量。由式(2-5)得得式中式中(1+2)决定于导体几何尺寸发生的变化决定于导体几何尺寸发生的变化;上一页 下一页返回使岂片显雅俩胳悯次舔瞧静闪冻耪栏上焚翠蕉谊念琉扁腕药睦鹿优复重昂第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第一节第一节 电阻应变片电阻应变片上一页 下一页返回植裸婶吓锻办釉坞继吝丝图镑啼矛
5、缓畏曳靠柴惩栅洁玖缮游盗戚掳虽法樱第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第一节第一节 电阻应变片电阻应变片2.金属丝电阻应变片结构金属丝电阻应变片结构金属丝电阻应变片的基本结构如金属丝电阻应变片的基本结构如图图2-1所示图所示图2-1中，敏感中，敏感栅是电阻应变片的敏感元件，用于感受被测量的应变。敏感栅是电阻应变片的敏感元件，用于感受被测量的应变。敏感栅是由直径约为栅是由直径约为0.025 mm、高电阻率的合金、高电阻率的合金(铜镍合金、铜镍合金、镍铬合金、铂铬合金、铂钨合金等镍铬合金、铂铬合金、铂钨合金等)电阻丝绕制而成的，栅长电阻丝绕制而成的，栅长为为L，栅宽为，栅宽为b,敏感栅静态电阻
6、值有敏感栅静态电阻值有60 ,120 ,200 等多种规格。对敏感栅的大致要求如下。等多种规格。对敏感栅的大致要求如下。(1)较大的应变灵敏系数，并在测量范围内保持为稳定。较大的应变灵敏系数，并在测量范围内保持为稳定。(2)具有高而稳定的电阻率具有高而稳定的电阻率 (3)抗氧化，耐腐蚀，且有足够的抗拉强度抗氧化，耐腐蚀，且有足够的抗拉强度 (4)加工性能好加工性能好 上一页 下一页返回锋边搜魁控嵌库至琶肠闺瞪蚀隙陕恕趋炎摄诗宾吃瘟虹房俄纂掀蓉姿桶饯第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第一节第一节 电阻应变片电阻应变片图图2-1中基片和覆盖层用于固定敏感栅、引线的几何形状和中基片和覆盖层用于
7、固定敏感栅、引线的几何形状和相对位置。基片多采用砧结剂和有机树脂薄膜制成，厚度为相对位置。基片多采用砧结剂和有机树脂薄膜制成，厚度为0.02-0.04 mm，它也是敏感栅与弹性元件间的绝缘层。，它也是敏感栅与弹性元件间的绝缘层。覆盖层起保护敏感栅作用，也是由砧结剂和树脂薄膜制成的。覆盖层起保护敏感栅作用，也是由砧结剂和树脂薄膜制成的。覆盖层、敏感栅和基片由砧结剂砧结在一起，并用砧结剂牢覆盖层、敏感栅和基片由砧结剂砧结在一起，并用砧结剂牢牢地砧结在弹性元件上。牢地砧结在弹性元件上。应变片的引线常用直径为应变片的引线常用直径为0.1-0.15 mm的镀锡铜线，或的镀锡铜线，或用偏带形金属导线，引线
8、与敏感栅焊接可靠，电阻率低，电用偏带形金属导线，引线与敏感栅焊接可靠，电阻率低，电阻温度系数小，抗氧化，耐腐蚀，且对外连接方便阻温度系数小，抗氧化，耐腐蚀，且对外连接方便3.金属丝电阻应变片基本特性金属丝电阻应变片基本特性 1)横向效应横向效应 上一页 下一页返回宰商遗甜厅翱套示眨本夫扮瞪芝瘫框痞杀天屿煽储刑踏葬赔储绚契缴擂涤第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第一节第一节 电阻应变片电阻应变片直线金属丝受纵向拉伸力时，丝上各段所感受的纵向应力直线金属丝受纵向拉伸力时，丝上各段所感受的纵向应力(Stress)应变是相同的，因而每段的伸长也是相同的，金属应变是相同的，因而每段的伸长也是相同的
9、，金属丝总电阻的增加等于各段电阻增加的总和。将金属丝绕制成丝总电阻的增加等于各段电阻增加的总和。将金属丝绕制成敏感栅后，在同样的拉伸力作用下，沿拉伸力方向的直线段敏感栅后，在同样的拉伸力作用下，沿拉伸力方向的直线段仍感受纵向拉应变而伸长仍感受纵向拉应变而伸长;但弯曲的圆弧段在感受纵向拉应变但弯曲的圆弧段在感受纵向拉应变的同时，也感受与纵向拉应变相反的横向压应变，称之为横的同时，也感受与纵向拉应变相反的横向压应变，称之为横向效应，且弯曲半径越大，横向效应越严重，致使电阻的增向效应，且弯曲半径越大，横向效应越严重，致使电阻的增加值减小，应变片灵敏系数降低。加值减小，应变片灵敏系数降低。2)机械滞后
10、机械滞后 在恒温下，应变片受力后，其内部会产生不可逆的残余变形，在恒温下，应变片受力后，其内部会产生不可逆的残余变形，致使应变电阻在加载和卸载时，出现一定的差值，致使应变电阻在加载和卸载时，出现一定的差值，上一页 下一页返回钳屋障犬捣蓑牺者网担赦驮岗褥绿奎分赁甩瓷才企近褐粥讼墨郁赖辆屿肃第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第一节第一节 电阻应变片电阻应变片此差值称为机械滞后此差值称为机械滞后(Hysteresis),也将引起应变片灵敏系数也将引起应变片灵敏系数下降下降 3)蠕变蠕变 应变片受恒定力作用时，应变电阻值随时间而变化，这是因应变片受恒定力作用时，应变电阻值随时间而变化，这是因为应
11、力在粘胶层中传递时出现滑动现象，胶层越厚、滑动越为应力在粘胶层中传递时出现滑动现象，胶层越厚、滑动越严重，这种现象称为蠕变，蠕变结果也将引起灵敏系数下降。严重，这种现象称为蠕变，蠕变结果也将引起灵敏系数下降。因而在应变片制作及往弹性元件上粘贴时，不但要选用同型因而在应变片制作及往弹性元件上粘贴时，不但要选用同型号优质砧结剂，而且砧结层要薄而均匀。号优质砧结剂，而且砧结层要薄而均匀。4)温漂温漂 应变片材料的电阻一般都受温度影响，温度变化引起应变片应变片材料的电阻一般都受温度影响，温度变化引起应变片电阻值变化的现象称为温漂，电阻值变化的现象称为温漂，上一页 下一页返回忆顺萍粥锈指凋阜渐译误搂擞雇
12、入殴腆摆户总挞祟遁卧安诛拄札黑模蔽玻第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第一节第一节 电阻应变片电阻应变片这种由于物质内部热激发所引起的热输出，通常是导致灵敏这种由于物质内部热激发所引起的热输出，通常是导致灵敏度下降的主要因素，因而在应变测量中都要采取相应的温度度下降的主要因素，因而在应变测量中都要采取相应的温度补偿措施。补偿措施。4.金属箔应变片金属箔应变片这类应变片的敏感栅是用这类应变片的敏感栅是用0.001 0.01 mm厚的金属箔厚的金属箔通过光刻技术制作成的，可以很方便地制作成各种形状的应通过光刻技术制作成的，可以很方便地制作成各种形状的应变片，常称其为应变花，如变片，常称其为应
13、变花，如图图2-2所示箔式应变片横栅较宽，所示箔式应变片横栅较宽，因而横向效应较丝式应变片小。由于箔栅的厚度远比丝栅小，因而横向效应较丝式应变片小。由于箔栅的厚度远比丝栅小，因而有较好的散热性能，允许通过较大的工作电流因而有较好的散热性能，允许通过较大的工作电流(100一一300 mA)，耐压高，输出功率大，耐压高，输出功率大;同时因栅薄，柔性好，便同时因栅薄，柔性好，便于粘贴到弯曲的弹性元件表面上于粘贴到弯曲的弹性元件表面上;且粘贴面积大，且粘贴面积大，上一页 下一页返回垛殴奄趾辈崇杠预镶律唁柬证洁泣鹊洲仕诚唐光祥邪宪送沽佰肥垮豁夯台第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第一节第一节 电阻
14、应变片电阻应变片能很好地跟随弹性元件的表面形变，因而应力传递性能好，能很好地跟随弹性元件的表面形变，因而应力传递性能好，蠕变和机械滞后较小。在应变测量中，箔式应变片已逐渐取蠕变和机械滞后较小。在应变测量中，箔式应变片已逐渐取代丝式应变片而占有主要位置。代丝式应变片而占有主要位置。5.金属薄膜应变片金属薄膜应变片 这类应变片的敏感栅是用真空蒸镀或溅射的方法将金属材料这类应变片的敏感栅是用真空蒸镀或溅射的方法将金属材料淀积在绝缘基片上，然后用刻蚀技术制成各种形状的栅，其淀积在绝缘基片上，然后用刻蚀技术制成各种形状的栅，其厚度比箔栅还要薄，一般在厚度比箔栅还要薄，一般在0.1m以下，其灵敏系数比箔以
15、下，其灵敏系数比箔式应变片还要高，且传递性能好，是一种很有前途的新型金式应变片还要高，且传递性能好，是一种很有前途的新型金属应变片。属应变片。二、半导体电阻应变片二、半导体电阻应变片 金属电阻应变片工作性能稳定、精度高、应用广泛，金属电阻应变片工作性能稳定、精度高、应用广泛，上一页 下一页返回岂显痔栈拽腑找绊轰专秃噶露裁隔爹奏跟径识披均困尿屯圃架郊适冲雷勃第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第一节第一节 电阻应变片电阻应变片至今还在不断改进和开发新型应变片，以适应工程应用的需至今还在不断改进和开发新型应变片，以适应工程应用的需要，但其主要缺点是灵敏系数小，一般为要，但其主要缺点是灵敏系数小
16、，一般为2-4。为了改善这。为了改善这一不足，一不足，20世纪世纪60年代后期，相继开发出多种类型的半导年代后期，相继开发出多种类型的半导体电阻应变片，其灵敏度可达金属应变片的体电阻应变片，其灵敏度可达金属应变片的5080倍倍,且尺且尺寸小、横向效应小、蠕动及机械滞后小寸小、横向效应小、蠕动及机械滞后小,更适用于动态测量更适用于动态测量1.半导体应变片的压阻效应半导体应变片的压阻效应 沿着半导体某晶向施加一定的压力而使其产生应变时，其电沿着半导体某晶向施加一定的压力而使其产生应变时，其电阻率将随应力改变而变化，这种现象称为半导体的压阻效应。阻率将随应力改变而变化，这种现象称为半导体的压阻效应。
17、不同类型的半导体，其压阻效应不同不同类型的半导体，其压阻效应不同;同一类型的半导体，受同一类型的半导体，受力方向不同，压阻效应也不同力方向不同，压阻效应也不同 半导体应变片的纵向压阻效应可由式半导体应变片的纵向压阻效应可由式(2-5)改写为改写为上一页 下一页返回蘸档讥粒辫畦怨张坛涉劫陕决圾爹喧庸爱越培币脑池颗你按绽慰呻亚涡元第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第一节第一节 电阻应变片电阻应变片式中式中半导体晶体纵向压阻系数半导体晶体纵向压阻系数;E半导体晶体弹性模量。半导体晶体弹性模量。式中式中1+2是由纵向应力而引起应变片几何形状的变化，金是由纵向应力而引起应变片几何形状的变化，金属电
18、阻应变灵敏系数主要由此项决定；属电阻应变灵敏系数主要由此项决定；E是因纵向应力所引是因纵向应力所引起的压阻效应，半导体电阻应变灵敏系数主要由起的压阻效应，半导体电阻应变灵敏系数主要由E决定，其决定，其大小一般可达大小一般可达100以上，故以上，故1+2可以忽略不计，此时可以忽略不计，此时其应变灵敏系数为其应变灵敏系数为上一页 下一页返回召肄闺虑墅遂畅魂捧廊遮罢冕默颅砸汕任体典官讫甥乖魔玉澄独蔷墩涣忠第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第一节第一节 电阻应变片电阻应变片由式由式(2-9)可知，半导体应变片的应变灵敏系数正比于半导体可知，半导体应变片的应变灵敏系数正比于半导体纵向压阻系数和弹性
19、模量。纵向压阻系数和弹性模量。用于制作半导体应变片的材料用于制作半导体应变片的材料有硅、锗、锑化锢、磷化稼等，但目前一般用硅和锗的杂质有硅、锗、锑化锢、磷化稼等，但目前一般用硅和锗的杂质半导体。半导体。图图2-3所示为半导体晶向示意图，硅和锗在不同晶向下具有所示为半导体晶向示意图，硅和锗在不同晶向下具有不同的压阻效系数和弹性模量，如不同的压阻效系数和弹性模量，如表表2-2所示。由表所示。由表2-2可可知，对于半导体硅，知，对于半导体硅，P型型111晶向和晶向和N型型100晶向，其电阻晶向，其电阻应变灵敏系数最大应变灵敏系数最大;对于半导体锗，无沦是对于半导体锗，无沦是P型还是型还是N型，在型，
20、在111晶向可得到最大灵敏系数从表晶向可得到最大灵敏系数从表2-2中还可看出，半导中还可看出，半导体不同晶向灵敏系数的符号有正、有负，体不同晶向灵敏系数的符号有正、有负，上一页 下一页返回卑丰码察吴犊玻找蔓饶骇廉够忧谱刘桑仗嫌插哀称拣徽枯纯妥狐亭鲁愚贡第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第一节第一节 电阻应变片电阻应变片一般由掺杂决定，一般由掺杂决定，P型半导体为正，型半导体为正，N型半导体为负，而金型半导体为负，而金属应变灵敏系数均为正值属应变灵敏系数均为正值2.半导体应变片基本结构半导体应变片基本结构半导体应变片由基片、敏感栅和电极引线等部分组成，如半导体应变片由基片、敏感栅和电极引线
21、等部分组成，如图图2-4所示。敏感栅由硅或锗条构成，内引线是连接敏感栅和电所示。敏感栅由硅或锗条构成，内引线是连接敏感栅和电极的金线，基片是绝缘胶膜，带状电极引线一般由康铜箔制极的金线，基片是绝缘胶膜，带状电极引线一般由康铜箔制成成 半导体应变片根据其敏感栅形成的方法不同，可分为体型、半导体应变片根据其敏感栅形成的方法不同，可分为体型、扩散型和薄膜型扩散型和薄膜型3种。体型半导体应变片的敏感栅是根据晶体种。体型半导体应变片的敏感栅是根据晶体切片制成的切片制成的;扩散型和薄膜型的敏感栅分别是利用扩散技术扩散型和薄膜型的敏感栅分别是利用扩散技术上一页 下一页返回汉刷程枉芋颈证雅袄宾卢鼎锡顽丑崖痒丹
22、豆明猿硫釜邹甫氛衫坍篡邯听选第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第一节第一节 电阻应变片电阻应变片真空蒸渡或溅射技术制成的极薄的导电膜片。真空蒸渡或溅射技术制成的极薄的导电膜片。半导体电阻应变片的主要缺点是温度稳定性差，测量较大应半导体电阻应变片的主要缺点是温度稳定性差，测量较大应变时非线性严重，在应用时要采取相应的温度补偿和非线性变时非线性严重，在应用时要采取相应的温度补偿和非线性校正措施。校正措施。上一页返回薄溅噪规要盎思堰抓牛撕拖羹杂酌各旧写网先咽桃饺骂钨脆岭缄获仰裔吞第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第二章第二章 电阻应变传感器测量电路电阻应变传感器测量电路在非电量检测中，由
23、机械应变所引起的电阻值变化量很小，在非电量检测中，由机械应变所引起的电阻值变化量很小，难以直接用测阻表作精确测量，故通常采用电桥将电阻变化难以直接用测阻表作精确测量，故通常采用电桥将电阻变化转换成电压或电流后放大测量。转换成电压或电流后放大测量。测量电桥根据供桥电源不同可分为直流电桥和交流电桥，应测量电桥根据供桥电源不同可分为直流电桥和交流电桥，应变电桥各桥臂是电阻，故采用直流电桥，如变电桥各桥臂是电阻，故采用直流电桥，如图图2-5所示所示 在实际应变测量时，测量电桥输出都应接高输人电阻放大器，在实际应变测量时，测量电桥输出都应接高输人电阻放大器，故可把电桥看成开路工作状态，此时按电路理沦分析
24、，可得故可把电桥看成开路工作状态，此时按电路理沦分析，可得到图到图2-5所示电桥的输出表达式为所示电桥的输出表达式为电桥投人测量之前，应将电桥调平衡，以消除电桥因不平衡电桥投人测量之前，应将电桥调平衡，以消除电桥因不平衡而产生的零漂。而产生的零漂。下一页返回冤怨螺豫含犯拼峨农纹灰轮搐蒸丑女烁确某经甩谰千抚甩娟粤纺攘瞪蹋帜第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第二章第二章 电阻应变传感器测量电路电阻应变传感器测量电路调零方法是在电桥输出端调零方法是在电桥输出端A和和C之间接一检流计，调桥臂电阻之间接一检流计，调桥臂电阻使检流计指示为使检流计指示为0，即电桥输出电流，即电桥输出电流I。=0,输出
25、电压输出电压U。=0，电桥达到平衡状态。由式，电桥达到平衡状态。由式(2-10)可知，电桥的平衡条可知，电桥的平衡条件为件为R1 R3=R2R4。应变测量电桥有应变测量电桥有3种接法，即单臂桥、半桥和全桥，下面分别种接法，即单臂桥、半桥和全桥，下面分别叙述叙述3种测量电桥的工作特性种测量电桥的工作特性一、单臂桥一、单臂桥应变片单臂测量电桥如应变片单臂测量电桥如图图2-6所示，桥臂所示，桥臂AD为工作臂，接应为工作臂，接应变片变片;R1为应变片静态电阻，为应变片静态电阻，R为工作时应变片电阻的变化为工作时应变片电阻的变化量。量。R可以是正值，称之为正应变，此时应变片承受拉应可以是正值，称之为正应
26、变，此时应变片承受拉应变，图中符号箭头向上标示为正应变变，图中符号箭头向上标示为正应变;当当R为负值时，为负值时，上一页 下一页返回铅啪趋涣洼檀疮芝旭罚蔫孤哺莎谗擂矗陀啮瞄微被牲核咯锐养翼殉豪画豁第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第二章第二章 电阻应变传感器测量电路电阻应变传感器测量电路上一页 下一页返回恭穿郎碰救盒铁桐装吸荚邪恩炭石密投闭冶柄沏们嗣呆掳浆揪泥郭韵檀捍第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第二章第二章 电阻应变传感器测量电路电阻应变传感器测量电路由以上分析可知，单臂桥不但输出电压小，灵敏度低，且具由以上分析可知，单臂桥不但输出电压小，灵敏度低，且具有一定的非线性有一定的
27、非线性二、半桥二、半桥应变片半桥即为双臂桥，如应变片半桥即为双臂桥，如图图2-7所示，此时有两个相邻桥所示，此时有两个相邻桥臂接应变片，且一个正应臂接应变片，且一个正应 一个负应变，此时一个负应变，此时R1=R,R2=-R,即接即接R1的桥臂为拉应变的桥臂为拉应变,接接R2的桥臂为压应变的桥臂为压应变在等臂桥下，在等臂桥下，R1=R2=R3=R4=R，由式，由式(2-10)可得半桥可得半桥输出表达式为输出表达式为上一页 下一页返回折挝影疙殿蕾睬渺蓄蚁忻蝗棠槛涸孤禄娄芹准沼仔增阮卢术借雷搅我呀曝第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第二章第二章 电阻应变传感器测量电路电阻应变传感器测量电路半桥
28、的灵敏度为半桥的灵敏度为可见半桥的输出电压和灵敏度都比单臂桥大一倍，且非线性可见半桥的输出电压和灵敏度都比单臂桥大一倍，且非线性得到改善。得到改善。三、全桥三、全桥 应变片全桥应变片全桥(Entire Bridge)是指是指4个桥臂都接有应变片，个桥臂都接有应变片，如如图图2-8所示，此时相邻桥臂所接的应变片承受相反应变，所示，此时相邻桥臂所接的应变片承受相反应变，相对桥臂所接的应变片承受相同应变，即相对桥臂所接的应变片承受相同应变，即R1=R2=R3=R4=R、R1=R3=R2=R4=-R由式由式(2-11)可得全桥输出表达式为可得全桥输出表达式为上一页 下一页返回钎甸质复颜苹挎捻蜗颅依搬芋
29、谈姨萝制振务英酝搽脯纲漾瘟焉谈碧缨帖侥第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第二章第二章 电阻应变传感器测量电路电阻应变传感器测量电路全桥的灵敏度为全桥的灵敏度为 可见全桥不但有很好的线性输出，而且全桥的输出电压和灵可见全桥不但有很好的线性输出，而且全桥的输出电压和灵敏度比半桥还要大一倍，显然应尽量采用全桥。敏度比半桥还要大一倍，显然应尽量采用全桥。四、应变测量电桥性能的提高四、应变测量电桥性能的提高测量电桥工作性能对应变测量的精度影响很大，为了实现高测量电桥工作性能对应变测量的精度影响很大，为了实现高精度测量，必须改善测量电桥的工作性能，如提高灵敏度、精度测量，必须改善测量电桥的工作性能，
30、如提高灵敏度、改善非线性及进行温度补偿等改善非线性及进行温度补偿等1.灵敏度的提高灵敏度的提高 各种测量电桥的灵敏度都与电桥供电电压有关，供桥电压越各种测量电桥的灵敏度都与电桥供电电压有关，供桥电压越高，电桥灵敏度越高。高，电桥灵敏度越高。上一页 下一页返回橱箭限滨人钙坏妈爽丽双嫌蒜薪朱机掂私械媳则湍妇猪赚抠粕它撮吉宴枕第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第二章第二章 电阻应变传感器测量电路电阻应变传感器测量电路上一页 下一页返回逗黑谋仗级绊咳铰烃硷棱库揍伐遭蒋征根甭豁辐豢荔氢六筐联刻易褥尊袍第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第二章第二章 电阻应变传感器测量电路电阻应变传感器测量电路
31、式式(2-17)表示出差动桥输出电压的加减特性，即当相邻桥臂表示出差动桥输出电压的加减特性，即当相邻桥臂电阻的变化量极性相反时，其变化量相减等于相加，使输出电阻的变化量极性相反时，其变化量相减等于相加，使输出电压增加电压增加;而当相邻桥臂电阻的变化量极性相同时，其变化量而当相邻桥臂电阻的变化量极性相同时，其变化量相减而相互抵消，使输出电压减小。相减而相互抵消，使输出电压减小。2.非线性误差及其补偿非线性误差及其补偿 由式由式(2-17)可知，差动桥输出表达式中不含非线性项，因而可知，差动桥输出表达式中不含非线性项，因而采用差动桥是改善非线性的有效方法当采用单臂桥时，由式采用差动桥是改善非线性的
32、有效方法当采用单臂桥时，由式(2-11)得单臂桥电压非线性输出为得单臂桥电压非线性输出为上一页 下一页返回玉犹放悸讼晌括韩滴赛嘉田喷蔡拖薪哭林赚磨桑儿瘤搽佳恃褐记单帐拣却第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第二章第二章 电阻应变传感器测量电路电阻应变传感器测量电路按二项式定理展开为级数得按二项式定理展开为级数得由此式得单臂桥非线性误差为由此式得单臂桥非线性误差为可见可见K越大，越大，越大越大;但由于但由于1，即，即K 1，故可认为单，故可认为单臂桥非线性误差约为臂桥非线性误差约为显然，当采用单臂桥时，为了改善测量桥的非线性，以减小显然，当采用单臂桥时，为了改善测量桥的非线性，以减小非线性误
33、差，必须采取相应的措施。下面推荐两种方法非线性误差，必须采取相应的措施。下面推荐两种方法 1)采用恒流源电桥采用恒流源电桥 上一页 下一页返回事崇摄础种交疥扣撕兜丫绊舰龙阀完砾邯薪蒂窟陪梗沉示庭似柯胶儡喊絮第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第二章第二章 电阻应变传感器测量电路电阻应变传感器测量电路产生非线性误差原因之一是在测量时通过桥臂的电流不恒定，产生非线性误差原因之一是在测量时通过桥臂的电流不恒定，当采用恒流源供电时，单臂测量桥电路如当采用恒流源供电时，单臂测量桥电路如图图2-9所示，此时所示，此时按分流定律可得各桥臂电流为按分流定律可得各桥臂电流为若若R1=R2=R3=R4=R时，
34、电桥输出电压表达式为时，电桥输出电压表达式为上一页 下一页返回颜优募吓抵携尉蔷诈惑结场砌卧友蕉逸余滇衙穆袁堑洽拴瞬峪飘卖匈母泌第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第二章第二章 电阻应变传感器测量电路电阻应变传感器测量电路此时单臂桥非线性误差约为此时单臂桥非线性误差约为比较式比较式(2-20)和式和式(222)可得可得:恒流源单臂桥非线性误差恒流源单臂桥非线性误差比恒压源单臂桥减少了比恒压源单臂桥减少了1/2。半导体电阻应变测量电桥都采。半导体电阻应变测量电桥都采用恒流源供电。用恒流源供电。2)有源单臂测量电桥有源单臂测量电桥 某些有源单臂桥也可以改善测量电桥的非线性，如某些有源单臂桥也可以
35、改善测量电桥的非线性，如图图2-10所所示。示。根据运放的零输人特性可得该电桥输出电压表达式为根据运放的零输人特性可得该电桥输出电压表达式为上一页 下一页返回关画瘤陡瑚军锡懒借异挟均叉腹曳液医育账顷运怔瀑就峦鸿酷溪孤测琐竣第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第二章第二章 电阻应变传感器测量电路电阻应变传感器测量电路显然式显然式(2-23)是一个线性表达式，且输出电压比一般单臂桥是一个线性表达式，且输出电压比一般单臂桥增加一倍，即灵敏度提高一倍。同时由运放输出，使得测量增加一倍，即灵敏度提高一倍。同时由运放输出，使得测量桥输出电阻减小，带负载能力增强。桥输出电阻减小，带负载能力增强。3.电桥
36、的温度补偿金属电阻应变片和半导体电阻应变片，都电桥的温度补偿金属电阻应变片和半导体电阻应变片，都对温度变化十分敏感，因而温度变化将引起电桥测量误差，对温度变化十分敏感，因而温度变化将引起电桥测量误差，通常采取温度补偿通常采取温度补偿(Temperature Compensation的方法有的方法有下述下述3种。种。1)桥路补偿桥路补偿利用差动电桥输出电压的加减特性，可实现温度自补偿。当利用差动电桥输出电压的加减特性，可实现温度自补偿。当采用差动桥时，由式采用差动桥时，由式(2-18)可知可知:由于差动桥各桥臂应变片由于差动桥各桥臂应变片处于同一温度场下，处于同一温度场下，上一页 下一页返回博赐
37、词吏定用钙就炬掀蜘颖拈巫眶场橱油悯荆才蔷猩语字贱袋饼根掷损幕第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第二章第二章 电阻应变传感器测量电路电阻应变传感器测量电路即温度变化引起各桥臂电阻的变化量大小相等、极性相同，即温度变化引起各桥臂电阻的变化量大小相等、极性相同，使相邻桥臂电阻变化量相减为使相邻桥臂电阻变化量相减为0，因而差动桥具有温度自补，因而差动桥具有温度自补偿功能。因而，首先应考虑选用差动半桥或全桥偿功能。因而，首先应考虑选用差动半桥或全桥 当采用单臂桥时，应使单臂桥对温度场呈现差动输出状态。当采用单臂桥时，应使单臂桥对温度场呈现差动输出状态。即在单臂桥工作臂的相邻臂接人相同型号的应变片，
38、此应变即在单臂桥工作臂的相邻臂接人相同型号的应变片，此应变片不受应力的影响，但与工作臂上的应变片处于同一温度场片不受应力的影响，但与工作臂上的应变片处于同一温度场中，称其为补偿片，如中，称其为补偿片，如图图2-11所示。图中所示。图中R1为工作臂应变为工作臂应变片，片，R2为温度补偿片，当温度变化时其电阻变化量为温度补偿片，当温度变化时其电阻变化量R1和和R2大小相等、极性相同，在等臂桥状态下，此时单臂桥因大小相等、极性相同，在等臂桥状态下，此时单臂桥因温度变化引起的输出电压由式温度变化引起的输出电压由式(2-17)得得上一页 下一页返回最换孽姿鹃阶闹晶喻顷骗营阴涸栅酱咏践第绩瑞锹商幂启妈逛恬
39、妆磊墒趴第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第二章第二章 电阻应变传感器测量电路电阻应变传感器测量电路可见，两桥臂因温度变化引起的电阻变化量在输出电压表达可见，两桥臂因温度变化引起的电阻变化量在输出电压表达式中相减为零，因而亦具有温度自补偿功能。式中相减为零，因而亦具有温度自补偿功能。2)应变片自补偿应变片自补偿 采用具有温度自补偿采用具有温度自补偿(Self-compensated)的应变片，可的应变片，可以使温度变化时应变片电阻基本不变。如选用温度系数小的以使温度变化时应变片电阻基本不变。如选用温度系数小的材料作应变片，或选择温度系数一正一负的两种材料制成互材料作应变片，或选择温度系数
40、一正一负的两种材料制成互补型组合应变片，如双金属互补型金属电阻应变片、补型组合应变片，如双金属互补型金属电阻应变片、P一一N互互补型半导体电阻应变片。补型半导体电阻应变片。3)外补偿外补偿 如在电路输出端接人热敏电阻如在电路输出端接人热敏电阻RT，如，如图图2-12所示。图中热所示。图中热敏电阻敏电阻R1与测量桥应变片处于同一个温度场中，与测量桥应变片处于同一个温度场中，上一页 下一页返回镰顺喝展妊朵庞虑累证亲职撬助封涟己障位刊植跺毗际獭发滦宛队褥曼馋第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第二章第二章 电阻应变传感器测量电路电阻应变传感器测量电路当温度上升使测量桥输出电压下降时，热敏电阻当温
41、度上升使测量桥输出电压下降时，热敏电阻RT的阻值也的阻值也相应减小，以保证输出电压相应减小，以保证输出电压U。不受温度变化的影响。不受温度变化的影响。图中图中R5为分流电阻，为分流电阻，R5的选择应使得的选择应使得:当温度上升时，当温度上升时，RT使输出电压上升的速率等于应变片使电桥输出电压下降的速使输出电压上升的速率等于应变片使电桥输出电压下降的速率，从而获得最佳的温度补偿率，从而获得最佳的温度补偿4.电桥的零位调整电桥的零位调整 电桥投人测量之前要进行零位调整，以消除因各桥臂电阻不电桥投人测量之前要进行零位调整，以消除因各桥臂电阻不匹配引起的零位输出。直流电桥的零位调整两种基本方法简匹配引
42、起的零位输出。直流电桥的零位调整两种基本方法简介如下。介如下。1)电阻串联法电阻串联法 上一页 下一页返回病阑赛森诡称蓝茸狄钩氖天浓椒守她锤视扦宴睛陷览励预束腕累稼鸵善螺第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第二章第二章 电阻应变传感器测量电路电阻应变传感器测量电路串联法是指在桥臂电阻之间串人调零电阻以实现零位调整的串联法是指在桥臂电阻之间串人调零电阻以实现零位调整的方法，如方法，如图图2-13所示。在两桥臂之间串人调整电阻所示。在两桥臂之间串人调整电阻Rw，实，实际调零时，先以电位器代替际调零时，先以电位器代替Rw，调零后再以固定电阻，调零后再以固定电阻Rw代代替电位器。替电位器。2)电阻
43、并联法电阻并联法 在桥路中并人适当的电阻，也可以实现零位调整，如在桥路中并人适当的电阻，也可以实现零位调整，如图图2-14所示。此时调零能力主要由电阻所示。此时调零能力主要由电阻R5决定，决定，R5越小调零能力越小调零能力越强，但引人的测量误差也越大，因而只能在测量精度允许越强，但引人的测量误差也越大，因而只能在测量精度允许的情况下，选得小一些，且的情况下，选得小一些，且Rw通常可取与通常可取与R5相同的数值，相同的数值，调零电阻值的最终确定要通过实际调零操作后作出。应变电调零电阻值的最终确定要通过实际调零操作后作出。应变电桥输出电压很小，一般应接放大器，桥输出电压很小，一般应接放大器，上一页
44、 下一页返回旦槐屁蔼宋惺师砍逝架澡垢靴果唤贷黔睦哺攫闭构阐指乖腋筹堂眩窖绚衅第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第二章第二章 电阻应变传感器测量电路电阻应变传感器测量电路为避免直流放大器引人零漂，常采用交流放大器，此时应变为避免直流放大器引人零漂，常采用交流放大器，此时应变电桥需采用交流供电电源，考虑交流激励引起电桥引线分布电桥需采用交流供电电源，考虑交流激励引起电桥引线分布电容的影响，相当于各桥臂电阻上并了一个电容，此时应按电容的影响，相当于各桥臂电阻上并了一个电容，此时应按交流正弦交流正弦(电源为正弦电源为正弦)阻抗电桥分析和调零。阻抗电桥分析和调零。上一页返回狂矣钮灯巴嚷琵敷楚顽琉隅
45、喇茫择褒物映瓷滩客冠姑羊阉琉鸡忠知灯片冒第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第三节第三节 电阻应变传感器的应用电阻应变传感器的应用电阻应变片除了可直接粘贴到被测的机械构件上进行应力应电阻应变片除了可直接粘贴到被测的机械构件上进行应力应变测量外，还可以和弹性元件一起构成各种应变式传感器，变测量外，还可以和弹性元件一起构成各种应变式传感器，用来测量力、扭矩、加速度及压力等非电量。用来测量力、扭矩、加速度及压力等非电量。一、应变式力传感器一、应变式力传感器 电阻应变传感器主要用于载荷力的测量，称之为应变式力传电阻应变传感器主要用于载荷力的测量，称之为应变式力传感器感器(Weighing Sens
46、or),其测力范围可以是几克到几其测力范围可以是几克到几百吨，精度可高达百吨，精度可高达0.05%FS。应变式力传感器根据所用的。应变式力传感器根据所用的弹性元件不同，主要有柱式力传感器、环式力传感器和悬臂弹性元件不同，主要有柱式力传感器、环式力传感器和悬臂梁式传感器。梁式传感器。1.柱式力传感器柱式力传感器 柱式力传感器是指用来感受力的弹性元件是实心或空心圆柱柱式力传感器是指用来感受力的弹性元件是实心或空心圆柱下一页返回纶肉场无辉晋群膜价吠腊蒜衣涪冀群拽第萎物岁盆挞遭签锄闸徒睁焰乡峻第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第三节第三节 电阻应变传感器的应用电阻应变传感器的应用如如图图2-15
47、所示，应变片粘贴在圆柱的表面上，轴向粘贴的所示，应变片粘贴在圆柱的表面上，轴向粘贴的应变片与切向粘贴的个数相等，以便接成差动测量电桥。应变片与切向粘贴的个数相等，以便接成差动测量电桥。当柱体受拉当柱体受拉(如图如图2-15(a)所示所示)或压或压(如图如图2-15(b)所示所示)力时，由于作用力不可能正好通过柱体的中心轴线，因而柱力时，由于作用力不可能正好通过柱体的中心轴线，因而柱体除受拉或压力外，还受横向力和弯曲力，要恰当地布置应体除受拉或压力外，还受横向力和弯曲力，要恰当地布置应变片，以尽量减少横向及弯曲的影响。应变片受拉压力所产变片，以尽量减少横向及弯曲的影响。应变片受拉压力所产生的应变
48、分析如下。生的应变分析如下。(1)与轴向任意角与轴向任意角a方向的应变为方向的应变为式中式中沿轴向的应变沿轴向的应变;弹性元件的泊松比。弹性元件的泊松比。(2)轴向应变轴向应变(a=0)为为上一页 下一页返回乍钟钓话衣陷撒嘴裂恋高近金笋迹缠琳演蹦沁绪持供耍拯脊辑瞎威坊股扬第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第三节第三节 电阻应变传感器的应用电阻应变传感器的应用式中式中F载荷力载荷力(N);S弹性元件的横截面积弹性元件的横截面积(m2);E弹性元件的弹性模量弹性元件的弹性模量(N/m2)(3)切向应变切向应变(a=90)为为2.环式力传感器环式力传感器 为了适应工程测量的需要，有时采用为了适
49、应工程测量的需要，有时采用图图2-16所示的环式力传所示的环式力传感器，其弹性元件是圆形或扁形吊环，环上粘贴的应变片应感器，其弹性元件是圆形或扁形吊环，环上粘贴的应变片应便于接成差动测量电桥，即承受拉应变的应变片数等于承受便于接成差动测量电桥，即承受拉应变的应变片数等于承受压应变的应变片数。压应变的应变片数。上一页 下一页返回捡甫忱笑臻兰情透掇粤屉燃现豫芳聊补好盂召斗加臀塌国醋男囱棍谎犁愚第二章电阻应变传感器第二章电阻应变传感器第三节第三节 电阻应变传感器的应用电阻应变传感器的应用上一页 下一页返回剑妇哪居炭锻猫萍欲卸恶又电蝶缴非具搞好买亲冶捷悲峻伤辙猛缔风骨负第二章电阻应变传感器第二章电阻应
50、变传感器第三节第三节 电阻应变传感器的应用电阻应变传感器的应用在相同的情况下，环式弹性元件比柱式弹性元件抗载偏心能在相同的情况下，环式弹性元件比柱式弹性元件抗载偏心能力强，且测力范围大，但制作较复杂，常用于检测力强，且测力范围大，但制作较复杂，常用于检测500 N以以上的载荷。上的载荷。3.悬臂梁式力传感器悬臂梁式力传感器 悬臂梁式力传感器的弹性元件是一个悬臂梁，载荷加在梁的悬臂梁式力传感器的弹性元件是一个悬臂梁，载荷加在梁的自由端，应变片沿梁的长度方向上下粘贴，悬臂梁分等强度自由端，应变片沿梁的长度方向上下粘贴，悬臂梁分等强度梁和等截面梁，其应变特性是不相同的。梁和等截面梁，其应变特性是不相