第二章_电阻式传感器

1、项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器项目二电阻式传感器项目二电阻式传感器&任务一任务一 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器&任务二任务二 应变式电阻传感器应变式电阻传感器&任务三任务三 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 任务四任务四 电阻传感器应用电阻传感器应用 项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器学习目标学习目标1、理解电位器式传感器形式；理解电位器式传感器形式；2、了解线绕式电位器原理；、了解线绕式电位器原理；3、掌握应变效应、压阻效应定义及意义；、掌握应变效应、压阻效应定义及意义；4、掌握应变电阻传感器工作原理及测量电路；、掌握应变电阻传感器工作原理及测量电路；5、熟悉电阻

2、传感器应用。、熟悉电阻传感器应用。项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器u活动一活动一 电位器式电阻传感器常用形式电位器式电阻传感器常用形式u1、 滑线式位移传感器滑线式位移传感器u2、 角位移传感器角位移传感器u3、 分段电阻角位移传感器分段电阻角位移传感器u4、 分段电阻直线位移传感器分段电阻直线位移传感器u活动二活动二 线绕式电位器结构和工作原理线绕式电位器结构和工作原理任务一任务一 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器活动一活动一 电位器式电阻传感器常用形式电位器式电阻传感器常用形式1 1、 滑线式位移传感器滑线式位移传感器项目二项目二 电阻式传感

3、器电阻式传感器2 2、 角位移传感器角位移传感器3 3、 分段电阻角位移传感器分段电阻角位移传感器项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器4 4、 分段电阻直线位移传感器分段电阻直线位移传感器项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器活动活动二二 线绕式电位器结构和工作原理线绕式电位器结构和工作原理LR ,0UxRxiU若电位器为空载时，根据分压原理得：若电位器为空载时，根据分压原理得：工作电压：工作电压iU：负载电阻两端的输出电压：负载电阻两端的输出电压0U：线绕电位器电刷移动的长度：线绕电位器电刷移动的长度：总长度：总长度：总电阻：总电阻xLRxR：对应于电刷移动量：对应于电刷移动量x的电阻值的

4、电阻值RRUUxi0项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器而对应的电阻变化为：而对应的电阻变化为：xSLxRRLxRRRxx,表明改变测量电阻值所引起输出电压的变化为线性变化。表明改变测量电阻值所引起输出电压的变化为线性变化。xSLxUUVi0其中其中LUSLRSiVR,分别为电阻和电压灵敏度。分别为电阻和电压灵敏度。他们分别表明了他们分别表明了电刷单位位移所能引起的输出电阻和输电刷单位位移所能引起的输出电阻和输出电压的变化量，均为常数。出电压的变化量，均为常数。项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器若电位器的负载电阻若电位器的负载电阻 ，则输出电压为：，则输出电压为：0LR20 xxLLxi

5、xLxLxLxLxixLxLRRRRRRRURRRRRRRRRRURRRRIU代入上式得：，设iRLLxUUYLxXRRKRRr0,LRLRRLLKXKXXKrKrr2211Y：电刷的相对行程电阻的相对变化RX:r数：电位器负载系数的倒LK：电位计相对输出电压Y表明当负载电阻不为零时，表明当负载电阻不为零时，Y与与r为非线性关系，则线绕电位器为非线性关系，则线绕电位器式传感器的负载特性为非线性。当负载电阻为空载时，式传感器的负载特性为非线性。当负载电阻为空载时，U0与与x才满足线性关系，则线绕电位器式传感器的负载特性为线性。才满足线性关系，则线绕电位器式传感器的负载特性为线性。项目二项目二 电

6、阻式传感器电阻式传感器任务二任务二 应变式电阻传感器应变式电阻传感器活动一活动一 工工 作原理作原理1、应变效应、应变效应2、金属电阻丝应变原理、金属电阻丝应变原理3、半导体应变原理半导体应变原理活动二、应变片的结构、材料和粘贴活动二、应变片的结构、材料和粘贴1、应变片的结构、应变片的结构2、金属电阻应变片的材料、金属电阻应变片的材料3、金属电阻应变片的粘贴、金属电阻应变片的粘贴4、金属箔式应变片、金属箔式应变片项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器电阻应变效应演示电阻应变效应演示项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器活动一活动一 工作原理工作原理 1 1、应变效应、应变效应 导体或半导体材料

7、在外（拉力或压力）力的作用时，导体或半导体材料在外（拉力或压力）力的作用时，产生机械变形，导致其电阻值相应发生变化，产生机械变形，导致其电阻值相应发生变化， 这种因形这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应应变效应”。2 2、金属电阻丝应变原理、金属电阻丝应变原理项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器AlR做全微分求得：做全微分求得：dAALdALdLAdR2dAdAldlRdRd A=2r d r2rArdrrrdrAdA222ldlxyrdrxydRdRx)21 (xxdRdR)21(项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器电阻丝的灵敏系数：单位应变所引

8、起的电阻相对变化量电阻丝的灵敏系数：单位应变所引起的电阻相对变化量xxsdRdRK21xsKRdR或xsRdRK表示金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比。表示金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比。 实验证明在应变极限内实验证明在应变极限内Ks为常数为常数项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器根据应力与应变的关系，得到应力值根据应力与应变的关系，得到应力值为为 =E 测量原理测量原理dR/RxsKRdREKRdRs项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器3 3、半导体应变原理、半导体应变原理 压阻效应：压阻效应：沿一块半导体的某一轴向施加压力沿一块半导体的某一轴向施加压力使其变形时，它的电

9、阻率会发生显著变化，这种现使其变形时，它的电阻率会发生显著变化，这种现象称为半导体的压阻效应。象称为半导体的压阻效应。 利用压阻效应制成的传利用压阻效应制成的传感器称为压阻传感器或半导体应变片。感器称为压阻传感器或半导体应变片。当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为xxdRdR)21 (项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器xEd半导体材料的压阻系数;半导体材料的所受应变力; E半导体材料的弹性模量; 半导体材料的应变。xERdR)21 (实验证明，实验证明，E E比比1+21+2大上百倍，所以大上百倍，所以1+21+2可以忽略，因而半可以

10、忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为导体应变片的灵敏系数为 ERdRKxs项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器 半导体应变片特点半导体应变片特点优点：优点：灵敏系数比金属丝式高灵敏系数比金属丝式高50508080倍倍缺点：缺点：材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，材料的温度系数大，应变时非线性比较严重， 应用范围受到限制。应用范围受到限制。利用应变片测量的基本原理：利用应变片测量的基本原理： 应力值正比于应变，而应变又正比于电阻值的应力值正比于应变，而应变又正比于电阻值的变化，所以应力正比于电阻值的变化。变化，所以应力正比于电阻值的变化。项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器应变片测量演示

11、应变片测量演示项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器活动二、应变片的结构、材料和粘贴活动二、应变片的结构、材料和粘贴丝式丝式箔式箔式回线式应变片回线式应变片短接式应变片短接式应变片体形体形薄膜型薄膜型应变片类型应变片类型项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器( a )( b )( c )丝式应变片丝式应变片( a )( b )( c )( a )( b )( c )项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器箔式应变片箔式应变片(a)(b)(c)(d)(e)(f)厚约厚约0.0030.01mm项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器薄膜应变片薄膜应变片厚度厚度0.

12、1m以下，以下，是薄膜技术发展的产物是薄膜技术发展的产物项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器实物实物项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器1 1、应变片的结构、应变片的结构 2341bl栅长栅长栅宽栅宽1 -1 -敏感栅，敏感栅， 2-2-基底，基底， 3-3-盖片，盖片， 4-4-引线引线应变片测得的应变大小是应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。积内的平均轴向应变量。项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器（1 1） 敏感栅敏感栅 对敏感栅的材料的要求：应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；

13、数；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻温度系数要小；电阻温度系数要小；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；加工性能良好加工性能良好, ,易于拉制成丝或轧压成箔材；易于拉制成丝或轧压成箔材；易于焊接，对引线材料的热电势小。易于焊接，对引线材料的热电势小。项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器 基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还置，盖片既保持敏感栅和引线的

14、形状和相对位置，还可保护敏感栅。可保护敏感栅。 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。抗氧化性能好、易于焊接。（3） 引线：引线：（2） 基底和盖片：基底和盖片：项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器 2 2、金属电阻应变片的电阻丝材料、金属电阻应变片的电阻丝材料项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器 康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于它有很多康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于它有很多优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围

15、内能保持为常优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数，数， 进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；当采用合适进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；当采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在的热处理工艺时，可使电阻温度系数在5010-6/的范围内；的范围内；康铜的加工性能好，易于焊接，康铜的加工性能好，易于焊接， 因而国内外多以康铜作为应变因而国内外多以康铜作为应变丝材料。丝材料。 项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器 3、金属电阻应变片的粘贴、金属电阻应变片的粘贴选择粘结剂时必须考虑的问题：选择粘结剂时必须考虑的问题： 1.1.要求粘接力强，粘结后机械性能可靠；要求粘接

16、力强，粘结后机械性能可靠； 2.2.粘合层要有足够大的剪切弹性模量；粘合层要有足够大的剪切弹性模量； 3.3.良好的电绝缘性，滞后小；良好的电绝缘性，滞后小； 4.4.耐湿，耐油，耐老化，动态应力测量时耐疲劳等；耐湿，耐油，耐老化，动态应力测量时耐疲劳等； 5.5.应变片的工作条件，如温度、相对湿度、稳定性应变片的工作条件，如温度、相对湿度、稳定性要要 求以及贴片固化时加热加压的可能性等。求以及贴片固化时加热加压的可能性等。 项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器 粘结剂分为有机和无机：粘结剂分为有机和无机： 有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚

17、丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。 无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。硼酸盐等。粘结剂：粘结剂： 常用的粘结剂类型有常用的粘结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙稀酸硝化纤维素型、氰基丙稀酸型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等。等。 项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器粘贴工艺：粘贴工艺：1.被测件粘贴表面处理；被测件粘贴表面处理；2.贴片位置确定；贴片位置确定；3.涂底胶；涂底胶；4.贴片；贴片；5.干燥固化；干燥固化；6.贴片质量检查；贴片质

18、量检查；7.引线的焊接与固定以及防护与屏蔽等。引线的焊接与固定以及防护与屏蔽等。项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器 4 4、金属箔式应变片、金属箔式应变片 箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻光刻、腐蚀腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图。等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图。金属箔的金属箔的厚度厚度般为般为(0.003(0.0030.010)mm0.010)mm，它的基片和盖，它的基片和盖片多为胶质膜，片多为胶质膜，基片厚度一

19、般为基片厚度一般为(0.03(0.030.05)mm0.05)mm。 金属箔式应变片金属箔式应变片项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器 金属箔式应变片和丝式应变片相比较金属箔式应变片和丝式应变片相比较: : 金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的应力状态更为接近。试件表面的应力状态更为接近。 其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工作。试件共同工作。 第三，箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而第三，箔栅的端部较

20、宽，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度。提高了应变测量的精度。 项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器 箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大 电流，因而可以输出较大信号，提高测量灵敏度。电流，因而可以输出较大信号，提高测量灵敏度。 箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件，从特别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变片的使用范围。而扩大了应变片的使用范围。 便于成批生产。便于成批生产。 缺点：电阻值分散性大，有的相差几十缺点：电阻值分散性大，有的相差

21、几十，故，故需要作阻值调整；生产工序较为复杂，因引出线的焊需要作阻值调整；生产工序较为复杂，因引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量；此外价格点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量；此外价格较贵。较贵。项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器任务三任务三 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路活动一、直流电桥测量电路活动一、直流电桥测量电路 1 1、电桥平衡、电桥平衡 2 2、动态时电阻变化与输出关系、动态时电阻变化与输出关系 3 3、电压灵敏度、电压灵敏度 4 4、非线性误差及其补偿方法、非线性误差及其补偿方法活动二、交流电桥测量电路活动二、交流电桥测量电路活动三、电阻应变片的温度误差

22、及其补偿活动三、电阻应变片的温度误差及其补偿 1 1、 温度误差及其产生原因温度误差及其产生原因 2 2、 温度误差补偿方法温度误差补偿方法项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器 R2R4R1R3EILACDU0BRL目的：目的：将微小应变引起的微将微小应变引起的微小电阻值的变化测量出来，小电阻值的变化测量出来，同时，要把电阻相对变化同时，要把电阻相对变化 转换为电压或电流的变化。转换为电压或电流的变化。RRE E：为电源电压：为电源电压R R1 1、R R2 2、R R3 3及及R R4 4：桥臂电阻：桥臂电阻R RL L：为负载电阻为负载电阻一、直流电桥测量电路一、直流电桥测量电路项目二项

23、目二 电阻式传感器电阻式传感器当电桥平衡时，当电桥平衡时，Uo=0，则有，则有 R1R4=R2R3或 4321RRRR电桥平衡条件电桥平衡条件: :其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。两臂电阻的乘积应相等。1、电桥平衡、电桥平衡43213241433211RRRRRRRRERRRRRREUo项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器2、动态时电阻变化与输出关系、动态时电阻变化与输出关系 432143214321432132233232411441414433221133224411RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR

24、ERRRRRRRRRRRRRRRREUo忽略分母中 项、分子中忽略 的二次交叉项 ：RR3322441122121432123321441RRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRREUo项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器3 3、电压灵敏度、电压灵敏度43321111RRRRRRRREUo)(4321141RRRRRRR341211113411RRRRRRRRRRE固定电阻、工作片4321RRRR项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器 设桥臂比设桥臂比n=R2/R1112)1 (RRnnEUo电桥电压灵敏度定义为电桥电压灵敏度定义为 211)1 (nnERRUSoV341211113

25、4011RRRRRRRRRREU项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压， 供供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择；择； 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n n的函数，的函数，恰当地选择桥臂比恰当地选择桥臂比n n的值，保证电桥具有较高的电的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。压灵敏度。211)1 (nnERRUSoV项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器求得求得n

26、=1时，电桥电压灵敏度最高时，电桥电压灵敏度最高,所以实际使用中取所以实际使用中取 RRRRR4321RRERRnnEUo4)1(2输出为：输出为：结论：结论：当电源电压当电源电压E和电阻相对变化量和电阻相对变化量R1/R1一定时，一定时， 电桥的电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，与各桥臂电阻阻值大小无关。输出电压及其灵敏度也是定值，与各桥臂电阻阻值大小无关。 当当E E 值确定后，值确定后，n n 取何值时才能使取何值时才能使 S SV V 最高？最高？使用单一应变片时使用单一应变片时 4ESV01142nndndSV项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器4 4、非线性误差及其补偿方法、非线

27、性误差及其补偿方法)1 (11111nRRnRRnEUoU0与与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为的关系是非线性的，非线性误差为 11111RRnRRUUUoooL112)1 (RRnnEUo理想情况理想情况（略去分母中的（略去分母中的R1/R1项）：项）：实际情况实际情况（保留分母中的（保留分母中的R1/R1项）：项）：项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器4321RRRR若若，即，即n=1111111112121RRRRRRnRRL例题：一应变片，所受应变例题：一应变片，所受应变为为50005000，若取，若取KsKs=2=2，计算非线性误差，计算非线性误差. .项目二项目二 电阻式

28、传感器电阻式传感器R1/R1=Ks 解：解：%5 . 02121111RRRRL若Ks=130, = 1000,%6L 对灵敏度较高的应变传感器，受到较小的应变，对灵敏度较高的应变传感器，受到较小的应变，非线性误差也会很大。非线性误差也会很大。当非线性误差不能满足测量要当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。求时，必须予以消除。 项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器差动电桥减小和消除非线性误差的方法减小和消除非线性误差的方法差动电桥差动电桥 R1R1R4R3ACBEDR2R2Uo(a)R1R1ACBEDR2R2Uo(b)R3R3R4R4项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器差动电桥补偿

29、差动电桥补偿(半桥差动电路半桥差动电路) )+-固定电阻、受压应变受拉应变；4321RRRR13412RRRR为提高电桥电压灵敏度为提高电桥电压灵敏度 n=1项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器若若R1=R2，则得，则得 112 RREUo半桥的电压灵敏度半桥的电压灵敏度该电桥输出电压为该电桥输出电压为433221111RRRRRRRRREUo2ESV与单臂相比与单臂相比:Uo与与R1/R1成线性关系，无非线性误差成线性关系，无非线性误差;电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度SV=E/2，是单臂工作时的两倍是单臂工作时的两倍;同时具有温度补偿作用。同时具有温度补偿作用。项目二项目二 电阻式传感器电阻

30、式传感器全桥差动电路全桥差动电路+-受压应变、受拉应变、3241RRRR13412RRRR为提高电桥电压灵敏度为提高电桥电压灵敏度 n=1项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器R1=R2=R3=R4则则ESRREUVo11Uo与与R1/R1成线性关系，无非线性误差，成线性关系，无非线性误差，电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度SV=E，是单臂工作时的四倍。，是单臂工作时的四倍。同时还具有温度补偿作用。同时还具有温度补偿作用。 全桥输出：全桥输出：项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器ESRREUVo11112 RREUo2ESV单桥测量时单桥测量时 4ESV半桥测量时半桥测量时 全桥测量时全桥测量时

31、总结总结114RREUo项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器二、二、 交流电桥测量电路交流电桥测量电路项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器)(43213241ZZZZZZZZUUio电桥平衡条件：电桥平衡条件：Uo=0，即：，即： 交流电桥输出：交流电桥输出： ZZ 34123241ZZZZZZ或，项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器13241423zzzz电桥平衡条件电桥平衡条件12341111222233334444jjjjZrjXz eZrjXz eZrjXz eZrjXz e设各桥臂阻抗为：设各桥臂阻抗为： 项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器考虑单臂测量情况，考虑单臂测量情况

32、，R1工作片工作片, 41110ZZUUi交流电桥输出电压交流电桥输出电压 1ZZ 3412ZZ项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器交流电桥输出电压交流电桥输出电压 41110RRUUi 21110RRUUi 110RRUUi项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器三、电阻应变片的温度误差及其补偿三、电阻应变片的温度误差及其补偿 1、 温度误差及其产生原因温度误差及其产生原因 因环境温度改变而引起应变的电阻变化。因环境温度改变而引起应变的电阻变化。应变片的电阻丝应变片的电阻丝(敏感栅敏感栅)具有一定温度系数；具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。电阻丝材料与测试材料的线膨胀系

33、数不同。 项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器 设环境引起的构件温度变化为设环境引起的构件温度变化为t t（）时，粘贴在试）时，粘贴在试 件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t t ，则，则 应变片产生的电阻相对变化为应变片产生的电阻相对变化为 由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当t t 存在时，引起应变片的附加应变，其值为存在时，引起应变片的附加应变，其值为 e e试件材料线膨胀系数；试件材料线膨胀系数；g g敏感栅材料线膨胀系数敏感栅材料线膨胀系数。 tRRt 1tget2线膨胀系

34、数不同电阻相对变化线膨胀系数不同电阻相对变化tKRRge 2项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器 温度变化形成的总电阻相对变化：温度变化形成的总电阻相对变化： 相应的总虚假应变为相应的总虚假应变为tKtRRRRRRgett 21ttKKRRgettt 项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器2、温度误差补偿方法、温度误差补偿方法 单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片0getK使应变片在温度变化使应变片在温度变化t t时的热输出值为零，必须使时的热输出值为零，必须使egtK即即tKtRRRRRRgett 21项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器 双丝组合式自补偿应变片双丝组合式自补偿应变片 两段敏

35、感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，相等，符号相反，即即(Ra) t= (Rb) t焊点焊点RaRbaeaabebbtaatbbbaKKRRRRRR项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器 桥路补偿法桥路补偿法 32410RRRRAUR1 工作片工作片RB补偿片补偿片 R 平衡电平衡电阻阻电桥输出电压为电桥输出电压为 A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由桥臂电阻和电源电压决定的常数。补偿块不承补偿块不承受应变，仅受应变，仅随温度发生随温度发生变形变形项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器 当被测试件不承受应变时，当被测试件不承受应变时，R

36、1和和R2处于同一温度处于同一温度 场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即上式中可以选择上式中可以选择R1=R2=R及及R3=R4=R。 当温度升高或降低时，若当温度升高或降低时，若R1t=R2t，即两个应变，即两个应变片的热输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零，片的热输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零，即即03241RRRRAUo322411RRRRRRAUttoRRRRRRAtt21RRRRRRRRAtt21021ttRRRA=项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器 若此时有应变作用，只会引起电阻若此时有应变作用，只会引起电阻R1发生变发

37、生变化，化，R2不承受应变。故由前式可得输出电压为不承受应变。故由前式可得输出电压为由上式可知，电桥输出电压只与应变由上式可知，电桥输出电压只与应变x x有关，与温度有关，与温度无关。无关。为达到完全补偿，需满足下列三个条件：为达到完全补偿，需满足下列三个条件： R1和和R2须属于同一批号的，即它们的电阻温度系须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数数、线膨胀系数、线膨胀系数、应变灵敏系数、应变灵敏系数K都相同，两片的初都相同，两片的初始电阻值也要求相同；始电阻值也要求相同； 用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相

38、等；材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等； 两应变片处于同一温度环境中。两应变片处于同一温度环境中。 xstxstoRKRARRRRKRRRAU3224111项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器R1与与RB特性相同特性相同接入相邻臂接入相邻臂 输出电压增加输出电压增加2倍倍 R1t=RBt 应变状态相反应变状态相反 在某些情况下，可以比较巧妙地安装应变片而不在某些情况下，可以比较巧妙地安装应变片而不需补偿件并兼得灵敏度的提高。需补偿件并兼得灵敏度的提高。 项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器FFR1R2（b）R1R2（a）F构件受弯构件受弯曲应力曲应力构件受单构件受单向应力向应力项目二项

39、目二 电阻式传感器电阻式传感器热敏电阻进行补偿热敏电阻进行补偿USCR2R4R1R3ERtR5TUR5 Rt项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器& 第一节第一节 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器& 第二节第二节 应变式电阻传感器应变式电阻传感器& 第三节第三节 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路第四节第四节 电阻传感器应用电阻传感器应用内容提要内容提要项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器第四节第四节 电阻传感器应用电阻传感器应用一、一、 应变式力传感器应变式力传感器1、柱式力传感器、柱式力传感器2、梁式力传感器、梁式力传感器 3、应变力传感器应用场合、应变力传感器应用场合二、应变

40、式压力传感器二、应变式压力传感器1、板式压力传感器、板式压力传感器2、筒式压力传感器、筒式压力传感器三、应变式加速度传感器三、应变式加速度传感器项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器VmV /几十0.1%0.01%s1171010几十几十上百上百KHzN721010力：Pa811010压力：23/10sm加速度：项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器KRRRRSFE应力应力施力施力弹性弹性模量模量面积面积动画演示：应变式压力传感器动画演示：应变式压力传感器项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器测定试件测定试件应力或应变时应力或应变时，直接将应变片粘贴在，直接将应变片粘贴在试件上；试件上；其他物

41、理量（力、压力、加速度等），需先将其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应变弹性元件。这些量转换成应变弹性元件。项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器被测量被测量：荷重或力；：荷重或力；用途：用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等；测等； 要求：要求：应变式力传感器要求有较高的灵敏度和应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性稳定性, 当传感器在受到侧向作用力或力的作用当传感器在受到侧向作用力或力的作用点发生轻微变化时点发生轻微变化时, 不应对输出有明显的影响；不

42、应对输出有明显的影响； 弹性元件：弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等。柱式、筒式、环式、悬臂式等。一、一、 应变式力传感器应变式力传感器项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器1 1、柱式力传感器、柱式力传感器(a)(a)实心圆柱实心圆柱(b)(b)空心圆柱空心圆柱项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器UiR1R3R5R7R6R8R2R4R6R7R8R2R3R4R5R1项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器FF项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器当力当力F F作用在弹性悬臂梁自由端时，悬臂梁产生变作用在弹性悬臂梁自由

43、端时，悬臂梁产生变形，在梁的上、下表面形，在梁的上、下表面对称位置对称位置上上应变大小相等，应变大小相等，极 性 相 反极 性 相 反 ， 若 分 别 粘 贴 应 变 片， 若 分 别 粘 贴 应 变 片 R R1 1、 R R4 4和和 R R2 2、R R3 3 ，并接成差动电桥，则电桥输出电压，并接成差动电桥，则电桥输出电压U Uo o与力与力F F成成正比。正比。2 2、梁式力传感器、梁式力传感器 R1R4l0lFbhblR4R1Fh(a)(b)项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器(1) (1) 等截面梁等截面梁EbhFlE206上、下表面上、下表面对称位置对称位置分别分别粘有粘有4

44、 4只应变片，只应变片，R1R1、R4R4同同侧；侧；R3 R3 、R2R2同侧，可构成同侧，可构成全差动电桥。全差动电桥。2项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器(2) (2) 等强度梁等强度梁 力力F F作用于梁端三角形顶作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应点上，梁内各断面产生的应力相等。力相等。上、下表面上、下表面对称位对称位置置分别粘有分别粘有4 4只应变片，构成只应变片，构成全差动电桥。全差动电桥。 620EhbFlELR1R3R2R4xFhbb0R4项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器(3) (3) 其它特殊悬臂梁力传感器其它特殊悬臂梁力传感器（a）双孔粱；（）双孔粱；（b

45、）单孔粱；（）单孔粱；（c）S形粱形粱项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器 项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器汽车衡汽车衡超市打印秤超市打印秤电子天平电子天平人体秤人体秤 3 3、应变力传感器应用场合、应变力传感器应用场合项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器 当气体或液体当气体或液体压力作用在薄板承压力作用在薄板承压面上时，薄板变压面上时，薄板变形，粘贴在另一面形，粘贴在另一面的电阻应变片随之的电阻应变片随之变形，并改变阻值。变形，并改变阻值。这时测量电路中电这时测量电路中电桥平衡被破坏，产桥平衡被破坏，产生输出电压。生输出电压。 P P 应变片应变片二、应变式压力传感器二、应变式压力传感器 1 1、板式压力传感器、板式压力传感器项目二项目二 电阻式传感器电阻式传感器当外力当外力F F作用在梁的自由端时，固定端产生的应作用在梁的自由端时，固定端产生的应 变最大，