电阻应变式传感器

1、第五章第五章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 金属电阻应变片的结构和类型金属电阻应变片的结构和类型5.3 5.3 金属电阻应变片工作原理金属电阻应变片工作原理5.4 5.4 误差分析误差分析5.5 5.5 分类分类5.6 5.6 应变片命名规则应变片命名规则5.7 5.7 应变片的主要特性及参数应变片的主要特性及参数5.8 5.8 电阻应变片的选用和粘贴电阻应变片的选用和粘贴5.9 5.9 应变片测量电路应变片测量电路5.10 5.10 半导体应变片半导体应变片5.11 5.11 电阻应变片式传感器的应用电阻应变片式传感器的应用5.1 5.1 概述概述电

2、阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量（压力、荷重、扭力等）转换为电信号的种力学量（压力、荷重、扭力等）转换为电信号的结构型传感器。结构型传感器。分类：电阻丝应变片、半导体应变片分类：电阻丝应变片、半导体应变片组成组成: :电阻应变片和测量电路。电阻应变片电阻应变片和测量电路。电阻应变片( (计计) )是是电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片既可单独作为传材料的电阻应变效应，电阻应变片既可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力感器使用，又能作

3、为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。学量传感器。5.2 5.2 金属电阻应变片的结构和类型金属电阻应变片的结构和类型 图图5 51 1 应变计的结构及构成应变计的结构及构成 (a)(a)丝式；丝式；(b)(b)箔式箔式1 1敏感栅；敏感栅；2 2基底；基底；3 3引线；引线；4 4盖层；盖层；5 5粘结剂粘结剂常用金属应变片有常用金属应变片有: :金属丝式应金属丝式应变片、箔式应变片以及金属薄膜变片、箔式应变片以及金属薄膜应变片等。应变片等。金属电阻应变片的基本结构如图金属电阻应变片的基本结构如图5-15-1所示，它由盖层、敏感栅、基所示，它由盖层、敏感栅、基底及引线四部分组成。敏感栅可底

4、及引线四部分组成。敏感栅可由金属丝、金属箔制成，它是转由金属丝、金属箔制成，它是转换元件，它被粘贴在基底上。用换元件，它被粘贴在基底上。用粘合剂粘贴在传感器弹性元件或粘合剂粘贴在传感器弹性元件或试件上的应变片通过基底把应变试件上的应变片通过基底把应变传递到敏感栅上，同时基底起绝传递到敏感栅上，同时基底起绝缘作用。盖层起绝缘保护作用。缘作用。盖层起绝缘保护作用。焊接于敏感栅两端的引线作连接焊接于敏感栅两端的引线作连接测量导线之用。测量导线之用。1 1、金属丝式应变片、金属丝式应变片金属丝式应变片的敏感金属丝式应变片的敏感栅由金属丝绕制而成。金栅由金属丝绕制而成。金属丝材料为电阻率属丝材料为电阻率

5、大而大而电阻温度系数小的材料。电阻温度系数小的材料。丝式应变丝式应变片的规格一般以片的规格一般以使用面积使用面积( (L L* *b)b)和敏感栅和敏感栅的电阻值来表示。阻值一的电阻值来表示。阻值一般在般在505010OO10OO范围内，范围内，常用的为常用的为1212OO。2 2、金属箔式应变片、金属箔式应变片箔式应变片的敏感箔式应变片的敏感栅通过光刻、腐蚀等栅通过光刻、腐蚀等工艺制成，可根据需工艺制成，可根据需要制成任意形状，具要制成任意形状，具有表面积大、散热性有表面积大、散热性好、允许好、允许电流大、便电流大、便于成批生产等优点。于成批生产等优点。3 3、金属薄膜应变片、金属薄膜应变片

6、金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积的方法金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积的方法制成，它将可产生形变的金属或合金直接沉积在弹性制成，它将可产生形变的金属或合金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂。这样应变片的性能更好，灵敏元件上而不用粘合剂。这样应变片的性能更好，灵敏度高。所谓薄膜指厚度在度高。所谓薄膜指厚度在0.10.1m m以下的金属膜。厚度以下的金属膜。厚度在在2525m m左右的称厚膜箔式应变片即属厚膜。左右的称厚膜箔式应变片即属厚膜。5.3 5.3 金属电阻应变片工作原理金属电阻应变片工作原理 1 1、电阻应变效应、电阻应变效应金属电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应。导体金属

7、电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应。导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象称为电阻应变效的电阻随着机械变形而发生变化的现象称为电阻应变效应。应。电阻丝较细电阻丝较细, , 一般在一般在0.0150.0150.06 mm, 0.06 mm, 其两端焊有较粗其两端焊有较粗的低阻镀锡铜丝（的低阻镀锡铜丝（0.10.10.2mm0.2mm）4 4作为引线作为引线, , 以便与测量以便与测量电路连接。图中电路连接。图中, l, l称为应变计的标距称为应变计的标距, , 也称（基）栅长也称（基）栅长, , b b称为（基）栅宽称为（基）栅宽, l, lb b称称为应变计的使用面积。为应变计的使用面积。

8、4312bl电阻应变计构造简图电阻应变计构造简图2 2、工作原理、工作原理: :应变效应应变效应 设有一根圆截面的金属电阻丝如图设有一根圆截面的金属电阻丝如图5-25-2所示。其所示。其原始电阻为：原始电阻为：图图5 52 2 金属电阻丝受拉变形金属电阻丝受拉变形SlR受力后各部分的变化引起电阻的变化受力后各部分的变化引起电阻的变化dSldSSldlSdR2dSdSldlRdRSSllRR或或对于直径为对于直径为d的圆形截面电阻丝：的圆形截面电阻丝：kllRRllllRRllrrrrrSSrdrdrdSrrS)21(22242244)2(4242泊松系数泊松系数太小，可忽略太小，可忽略=0.3

9、=0.30.50.5K K =1.6 =1.6 2 2 =10=10-6-6 1010-3-3灵敏度系数灵敏度系数K K的意义：单位应变所引起的电阻相对的意义：单位应变所引起的电阻相对变化，主要是受力后材料的几何尺寸变化引起。变化，主要是受力后材料的几何尺寸变化引起。3 3、结论、结论金属电阻丝的电阻相对变化率与轴向应变成正比。金属电阻丝的电阻相对变化率与轴向应变成正比。4 4、特点、特点优点优点: : 稳定性和温度特性好稳定性和温度特性好. .缺点缺点: : 灵敏度系数小灵敏度系数小. .1 1、横向效应、横向效应F横向缩短作用引起的电阻值的减小对于轴向伸长横向缩短作用引起的电阻值的减小对于

10、轴向伸长作用引起的电阻值的增加量起着抵消的作用，它使作用引起的电阻值的增加量起着抵消的作用，它使所测应变数值偏小，或说使应变片灵敏系数减小。所测应变数值偏小，或说使应变片灵敏系数减小。弯曲半径越大，横向效应也越大弯曲半径越大，横向效应也越大通过改变电阻丝排列的形状可减小之。通过改变电阻丝排列的形状可减小之。2 2、温度影响、温度影响由于环境温度改变引起电阻值变化，由电阻丝温由于环境温度改变引起电阻值变化，由电阻丝温度系数度系数引起；由电阻丝与被测件材料的线膨胀系引起；由电阻丝与被测件材料的线膨胀系数数1 1、2 2的不同引起的。的不同引起的。 5.4 5.4 误差分析误差分析F当温度变化当温度

11、变化tt, , 应变片电阻的增量应变片电阻的增量RRt t可用下式可用下式表示：表示： RRt t=R=Rt+Rt+RK(K(1 1- - 2 2)t)t = R = R+K(+K(1 1- - 2 2t t 令令 t t= +K(= +K(1 1- - 2 2) ) 则：则： RRt t= R= Rt ttt3 3、蠕变、蠕变与粘贴相关，基片、粘合剂、被测件材料需相适与粘贴相关，基片、粘合剂、被测件材料需相适应。否则不能将被测件表面变形准确地传递给应变应。否则不能将被测件表面变形准确地传递给应变片。片。另外须注意的事项：应变极限，疲劳寿命，绝缘另外须注意的事项：应变极限，疲劳寿命，绝缘电阻，

12、最大电流。电阻，最大电流。5.5 5.5 分类分类应变计有很多品种系列应变计有很多品种系列: : 从尺寸上讲从尺寸上讲, , 长的有几长的有几百百mm, mm, 短的仅短的仅0.2 mm; 0.2 mm; 由结构形式上看由结构形式上看, , 有单片、有单片、双片、应变花和各种特殊形状的图案双片、应变花和各种特殊形状的图案; ; 就使用环就使用环境上说境上说, , 有高温、低温、水、核辐射、有高温、低温、水、核辐射、 高压、磁高压、磁场等场等; ; 而安装形式而安装形式, , 有粘贴、非粘贴、焊接、火有粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂等。焰喷涂等。主要的分类方法是根据敏感元件材料的不同主要的分类方法

13、是根据敏感元件材料的不同, , 将将应变计分为金属式和半导体式两大类。从敏感元应变计分为金属式和半导体式两大类。从敏感元件的形态又可进一步分类如下件的形态又可进一步分类如下: : 应变计应变计金属属性金属属性半导体式半导体式体形体形薄膜型薄膜型丝式丝式箔式箔式纸基纸基胶基胶基体型体型薄模型薄模型扩散型扩散型外延型外延型PnPn结及其它形式结及其它形式半导体式体型薄膜型、扩散型、外延型、半导体式体型薄膜型、扩散型、外延型、PNPN结及其结及其他形式他形式 金属电阻应变计常见的形式有丝式、金属电阻应变计常见的形式有丝式、 箔式、箔式、 薄膜式等。薄膜式等。 丝式应变计是最早应用的品种。丝式应变计是

14、最早应用的品种。金属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角金属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角, , 如图所如图所示。示。 弯曲部分作成圆弧（弯曲部分作成圆弧（U U）形是最早常用的一种形）形是最早常用的一种形式式, , 制作简单但横向效应较大。制作简单但横向效应较大。 直角（直角（H H）形两端用）形两端用较粗的镀银铜线焊接较粗的镀银铜线焊接, , 横向效应相对较小横向效应相对较小, , 但制作工但制作工艺复杂艺复杂, , 将逐渐被横向效应小、将逐渐被横向效应小、 其他方面性能更优其他方面性能更优越的箔式应变计所代替。越的箔式应变计所代替。(a)(b)(c)箔式应变计的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制

15、成很箔式应变计的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属薄栅（厚度一般在薄的金属薄栅（厚度一般在0.0030.0030.01mm0.01mm）。与丝）。与丝式应变计相比有如下优点式应变计相比有如下优点: : (1)(1)工艺上能保证线栅的尺寸正确、工艺上能保证线栅的尺寸正确、 线条均匀线条均匀, , 大大批量生产时批量生产时, , 阻值离散程度小。阻值离散程度小。 (2)(2)可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型小基长（如基长为小基长（如基长为0.1 mm0.1 mm）的应变计。）的应变计。 (3) (3) 敏感栅截面积为矩形敏感栅截面积为矩形, ,

16、 表面积大表面积大, , 散热好散热好, , 在在相同截面情况下能通过较大电流。相同截面情况下能通过较大电流。 (4) (4) 厚度薄厚度薄, , 因此具有较好的可挠性因此具有较好的可挠性, , 它的扁平状它的扁平状箔栅有利于形变的传递。箔栅有利于形变的传递。 (5) (5) 蠕变小蠕变小, , 疲劳寿命高。疲劳寿命高。 (6) (6) 横向效应小。横向效应小。 (7) (7) 便于批量生产便于批量生产, , 生产效率高。生产效率高。 (a)(b)(c)(d)(e)(f)几种箔式应变计几种箔式应变计薄膜式应变计是采用真空溅射或真空沉积技术薄膜式应变计是采用真空溅射或真空沉积技术, , 在薄在薄

17、的绝缘基片上蒸镀金属电阻薄膜（厚度在零点几纳米到的绝缘基片上蒸镀金属电阻薄膜（厚度在零点几纳米到几百纳米）几百纳米）, , 再加上保护层制成。再加上保护层制成。 其优点是灵敏度高其优点是灵敏度高, , 允许通过的电流密度大允许通过的电流密度大, , 工作温度范围广工作温度范围广, , 可工作于可工作于- -197197317317C, C, 也可用于核辐射等特殊情况下。也可用于核辐射等特殊情况下。制作应变计敏感元件的金属材料应有如下要求制作应变计敏感元件的金属材料应有如下要求: : (1)(1)k k0 0大大, , 并在尽可能大的范围内保持常数。并在尽可能大的范围内保持常数。 (2)(2)电

18、阻率电阻率大。大。 这样这样, , 在一定电阻值要求下在一定电阻值要求下, , 同同样线径样线径, , 所需电阻丝长度短。所需电阻丝长度短。 (3)(3)电阻温度系数小。高温使用时电阻温度系数小。高温使用时, , 还要求耐高温还要求耐高温氧化性能好。氧化性能好。 (4)(4)具有良好的加工焊接性能。具有良好的加工焊接性能。常用的敏感元件材料是康铜（铜镍合金）、镍铬合常用的敏感元件材料是康铜（铜镍合金）、镍铬合金、铁铬铝合金、金、铁铬铝合金、 铁镍铬合金等。铁镍铬合金等。 常温下使用的应常温下使用的应变计多由康铜制成。变计多由康铜制成。 半导体应变计应用较普遍的有半导体应变计应用较普遍的有体型、

19、薄膜型、扩散型、外延型等。体型、薄膜型、扩散型、外延型等。体型半导体应变体型半导体应变计是将晶片按一定取向切片、研磨、再切割成细条计是将晶片按一定取向切片、研磨、再切割成细条, , 粘贴于基片上制作而成。粘贴于基片上制作而成。5.6 5.6 应变片命名规则应变片命名规则 应变计类别应变计类别: : B B 箔式箔式 T T 特殊用途特殊用途基底材料类别基底材料类别: :F F 酚醛类酚醛类 H H环氧类环氧类 A A聚酰亚胺聚酰亚胺 B B玻璃纤维浸胶玻璃纤维浸胶 标称电阻（标称电阻（）: : 120 175 350 500 700 1000 1500 120 175 350 500 700

20、1000 1500应变计栅长（应变计栅长（mmmm）: 3: 3等等敏感栅结构形状敏感栅结构形状: :AAAA单轴片单轴片 HAHA4545双联片双联片 GBGB半桥片半桥片 FGFG全桥片全桥片 KAKA圆片圆片材料线膨胀系数材料线膨胀系数: :铜铜CuCu1111 铝铝AlAl2323 不锈钢不锈钢1616 可自补偿蠕变标号可自补偿蠕变标号: : T5 T3 T1 T8 T6 T4 T2 T0T5 T3 T1 T8 T6 T4 T2 T0 N2 N4 N6 N8 N0 N1 N3 N5 N7 N9N2 N4 N6 N8 N0 N1 N3 N5 N7 N9蠕变由负到正。蠕变由负到正。举例举例

21、: B F 350-3 AA 23 T0 : B F 350-3 AA 23 T0 （箔式（箔式, , 酚醛类基酚醛类基底材料底材料, , 标称电阻标称电阻350 , 350 , 应变计应变计栅长栅长 3 mm, 3 mm, 单轴片单轴片, , 材料线膨胀系数铝材料线膨胀系数铝AlAl23, 23, 可自补偿可自补偿蠕变标号蠕变标号T0T0。 ）5.7 5.7 应变片的主要特性及参数应变片的主要特性及参数 kk电阻应变片的工作特性指用数据或曲线表达的应电阻应变片的工作特性指用数据或曲线表达的应变片的性能和特点。应变片的主要参数是指能反映变片的性能和特点。应变片的主要参数是指能反映应变片性能优劣

22、的指标。实际上通过应变片的主要应变片性能优劣的指标。实际上通过应变片的主要参数就能得知其工作特性。参数就能得知其工作特性。 1 1、应变片初始电阻值、应变片初始电阻值R R0 0R R0 0指应变片末贴前在室温下测定的静态电阻值。常指应变片末贴前在室温下测定的静态电阻值。常见的有见的有6060、120120、200200、250250、600600和和10001000等类型。等类型。 2 2、灵敏系数、灵敏系数k k应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数k k值及其误差一般以平均灵敏系值及其误差一般以平均灵敏系数值及相应均方根差表示数值及相应均方根差表示: :3 3、允许工作电流、允许工作电流I I

23、maxmax又称最大工作电流，指允许通过应变片而不影响其又称最大工作电流，指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流值工作特性的最大电流值I Imaxmax。确定。确定I Imaxmax值是由多种因值是由多种因素综合考虑的结果，一般由厂家提供。丝式应变片素综合考虑的结果，一般由厂家提供。丝式应变片通常规定为通常规定为2525mAmA，但对动态测量或使用箔式应变片，但对动态测量或使用箔式应变片时可取得大一些。另外，选取时可取得大一些。另外，选取I Imaxmax值时还应考虑被测值时还应考虑被测构件材料导热性的好坏。构件材料导热性的好坏。4 4、应变极限、应变极限limlim应变片所能测量的最大

24、应变值称为应变极限。一般应变片所能测量的最大应变值称为应变极限。一般认为，在室温条件下，指示应变降低到试件的真实认为，在室温条件下，指示应变降低到试件的真实应变的应变的90%90%时，应变片就已开始失去工作能力，此时时，应变片就已开始失去工作能力，此时应变片能测试应变的最大值即应变极限。应变片能测试应变的最大值即应变极限。应变片粘贴到试件应变片粘贴到试件上，由于环境温度变上，由于环境温度变化的影响，将使电阻化的影响，将使电阻产生相对变化，这种产生相对变化，这种现象称为应变片的温现象称为应变片的温度效应。由温度变化度效应。由温度变化引起的应变输出称为引起的应变输出称为热输出。热输出。环境温度变化

25、量数，敏感栅材料的线膨胀系，试件材料的线膨胀系数系数敏感栅材料的电阻温度应变片灵敏系数起的总的电阻相对变化应变片由温度所引式中（tCCkRRtkkRRtsttfsttt00/ 1/ 1)/)(/)/(5 5、温度效应及热输出、温度效应及热输出t t热输出热输出t t定义为：当应变片安装在某一线膨胀系定义为：当应变片安装在某一线膨胀系数的试件上，试件可自由膨胀，并不受外力作用，数的试件上，试件可自由膨胀，并不受外力作用，在缓慢升在缓慢升( (或降）温的均匀温度场内，由温度变化引或降）温的均匀温度场内，由温度变化引起的指示应变。其表达式为：起的指示应变。其表达式为：欲使欲使t t减小，则应使减小，

26、则应使t t的值小，的值小，k k值大，值大，s s和和f f接近或相等。接近或相等。实际中，温度变化所引起的热输出较大，有时会实际中，温度变化所引起的热输出较大，有时会超过被测量值而造成较大误差。超过被测量值而造成较大误差。例如粘贴在钢件上的康铜电阻丝应变片，其灵敏系例如粘贴在钢件上的康铜电阻丝应变片，其灵敏系数数k=2.0k=2.0，t t=2O=2Ol0l0-6-6/，f f =15=15l0l0-6-6/，钢，钢件线膨胀系数件线膨胀系数s s=11=11l0l0-6-6/ / ，当环境温度变化，当环境温度变化t=10t=10时，应变片热输出为：时，应变片热输出为：t t2O2Ol0l0

27、-6-6/2.0+(11-15)/2.0+(11-15)l0l0-6-6 1010=60=60l0l0-6-6=60(=60()对于钢件其弹性模量对于钢件其弹性模量E=2OE=2Ol0l09 9PaPa， 则则=E=Et t=1.2=1.21O1O5 5(Pa)(Pa)即上述输出相当于在试件上加即上述输出相当于在试件上加31.231.21 1O O5 5PaPa的应力，的应力，所以必须采取措施减少或消除温度变化的影响，即所以必须采取措施减少或消除温度变化的影响，即必须进行温度补偿。必须进行温度补偿。应变片的误差产生原因：一是由电阻丝温度系数引应变片的误差产生原因：一是由电阻丝温度系数引起的；二

28、是由电阻丝与被测材料的线膨胀系数的不起的；二是由电阻丝与被测材料的线膨胀系数的不同引起的。同引起的。实际中常用的补偿方法有两种实际中常用的补偿方法有两种1)1)桥路补偿法桥路补偿法. .用于常温下的测量用于常温下的测量2)2)使用温度有补偿应变片，用于高温下的测量。使用温度有补偿应变片，用于高温下的测量。5.8 5.8 电阻应变片的选用和粘贴电阻应变片的选用和粘贴 应变计的粘贴工艺对于传感器的精度起着关键作应变计的粘贴工艺对于传感器的精度起着关键作用。应变计通常是用粘合剂贴到试件上的用。应变计通常是用粘合剂贴到试件上的, , 在做应在做应变测量时变测量时, , 是通过粘合剂所形成的胶层将试件上

29、的是通过粘合剂所形成的胶层将试件上的应变准确无误地传递到应变计的敏感栅上去的。因应变准确无误地传递到应变计的敏感栅上去的。因此此, , 粘合剂的选择和粘贴质量的好坏直接关系到应粘合剂的选择和粘贴质量的好坏直接关系到应变计的工作情况变计的工作情况, , 影响测量结果的正确性。所以影响测量结果的正确性。所以, , 应变计粘合剂不但要求粘接力强应变计粘合剂不但要求粘接力强, , 而且要求粘合层而且要求粘合层的剪切弹性模量大的剪切弹性模量大, , 能真实地传递试件的应变。另能真实地传递试件的应变。另外外, , 粘合层应有高的绝缘电阻、良好的防潮性防油粘合层应有高的绝缘电阻、良好的防潮性防油性能以及使用

30、简便等特点。性能以及使用简便等特点。 对粘合剂有如下要求对粘合剂有如下要求: : (1) (1) 有一定的粘结强度。有一定的粘结强度。(2) (2) 能准确传递应变。能准确传递应变。(3) (3) 蠕变小。蠕变小。(4) (4) 机械滞后小。机械滞后小。(5) (5) 耐疲劳性能好。耐疲劳性能好。 (6) (6) 具有足够的稳定性能。具有足够的稳定性能。(7) (7) 对弹性元件和应变计不产生化学腐蚀作用。对弹性元件和应变计不产生化学腐蚀作用。(8) (8) 有适当的储存期。有适当的储存期。(9) (9) 应有较大的温度使用范围。应有较大的温度使用范围。1 1、电桥的特点、电桥的特点当四个桥臂

31、电阻达到某一关系时，电桥输出为零，通当四个桥臂电阻达到某一关系时，电桥输出为零，通过检流计来测量，可测微小的电阻变化。过检流计来测量，可测微小的电阻变化。URRRRRRRRUUUACBC)(4321423104231RRRRU0R1R2R3R4ABCDU平衡时：平衡时：测量前应调零，使输出值只测量前应调零，使输出值只与电阻的应变相关与电阻的应变相关5.9 5.9 电阻应变传感器的测量电路电阻应变传感器的测量电路URRRRRRRRRRRRU)()(443322112212102 2、工作原理：、工作原理：条件：条件： 电桥负载电阻无穷大，电桥负载电阻无穷大，R Ri i R Ri i 有：有：1

32、 1）对称情况：）对称情况： R R1 1为应变片并且为应变片并且 R R1 1 = R = R2 2 ，R R3 3 = R = R4 4 则：则：KURRURRRRRRRRUU44)(411443322110应变前相等应变前相等2 2）非对称情况：）非对称情况：R R1 1 = R = R4 4，R R2 2 = R = R3 3如令如令 ：R R2 2 / R / R1 1 = R = R3 3 / R / R4 4 = =则：则：12412441124433221120)1 (4)()1 (2)()1 (2)()1 (2KUKURRRRURRRRRRRRUUR1R2R3R4ABCDUU

33、0但若采用：但若采用：R R1 1 = R= R2 2 = R = R3 3 = R = R4 4 R R1 1为拉应变片为拉应变片R R2 2 为压应变片为压应变片则：则：12122114433221102)(4)(4)(4KUKURRRRURRRRRRRRUU灵敏度为单臂灵敏度为单臂电桥的电桥的2 2倍倍R1R2R3R4ABCDUU03 3）全对称情况：）全对称情况：R R1 1 = R = R2 2 = R = R3 3 = R = R4 4 均为应变片均为应变片 RRi i / R / Ri i =K=Ki i 则：则：143210)(4UKUKU灵敏度为单臂灵敏度为单臂电桥的电桥的4

34、 4倍倍R1R2R3R4ABCDUU0结论：结论：差动电桥灵敏度高，无非线性误差，并有温度补差动电桥灵敏度高，无非线性误差，并有温度补偿作用。偿作用。电桥灵敏度正比于电桥供电电压，但提高电压受电桥灵敏度正比于电桥供电电压，但提高电压受到应变片允许功率的限制。采用高内阻的恒流源供到应变片允许功率的限制。采用高内阻的恒流源供电电桥可减少非线性误差。电电桥可减少非线性误差。3.3.温度误差及其补偿温度误差及其补偿1 1）温度误差产生的原因）温度误差产生的原因把应变计安装在自由膨胀的试件上把应变计安装在自由膨胀的试件上, , 即使试件不即使试件不受任何外力作用受任何外力作用, , 如果环境温度发生变化

35、如果环境温度发生变化, , 应变计应变计的电阻也将发生变化。的电阻也将发生变化。 这种变化叠加在测量结果这种变化叠加在测量结果中将产生很大误差。这种由于环境温度改变而带来中将产生很大误差。这种由于环境温度改变而带来的误差的误差, , 称为应变计的温度误差称为应变计的温度误差, , 又称热输出。又称热输出。 v产生温度误差的原因有二产生温度误差的原因有二: : 敏感栅金属丝电阻本身随温度发生变化。敏感栅金属丝电阻本身随温度发生变化。试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不一试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不一, , 使应使应变丝产生附加变形而造成的电阻变化。变丝产生附加变形而造成的电阻变化。2 2）电

36、阻应变片的补偿）电阻应变片的补偿实际工作中，由于温度变化所引起的热输出较大，实际工作中，由于温度变化所引起的热输出较大，所以必须采取措施以减少或消除温度变化的影响，所以必须采取措施以减少或消除温度变化的影响，即必须进行温度补偿。同时，温度变化也影响零点即必须进行温度补偿。同时，温度变化也影响零点和灵敏度。电桥平衡时，各桥臂应变片的电阻总会和灵敏度。电桥平衡时，各桥臂应变片的电阻总会有一定偏差，电桥总有一定的输出，也需补偿，另有一定偏差，电桥总有一定的输出，也需补偿，另外非线性也需补偿。外非线性也需补偿。 a.a.热输出补偿热输出补偿热输出补偿的两种方法是应变片温度自补偿法和热输出补偿的两种方法

37、是应变片温度自补偿法和桥路补偿法。桥路补偿法。i.i. 应变片温度自补偿法是通过精心选配敏感栅材与应变片温度自补偿法是通过精心选配敏感栅材与结构参数来实现热输出补偿的。实际使用应变片结构参数来实现热输出补偿的。实际使用应变片时，主要根据试件材料来选择带温度自补偿的应时，主要根据试件材料来选择带温度自补偿的应变片。补偿方法有：变片。补偿方法有： 单丝自补偿法单丝自补偿法 双丝自补偿法双丝自补偿法ii.ii.桥路补偿法是利用电桥的和、差原理实现温度误桥路补偿法是利用电桥的和、差原理实现温度误差的补偿，补偿方法有：差的补偿，补偿方法有： 补偿片法补偿片法 差动补偿法差动补偿法 热敏电阻补偿法。热敏电

38、阻补偿法。补偿片法补偿片法选取型号和特性完全选取型号和特性完全相同相同( (灵敏系数、电阻灵敏系数、电阻温度系数、线膨胀系数温度系数、线膨胀系数相同相同) )的两只应变片，的两只应变片，一只粘贴在被测试件上一只粘贴在被测试件上作为工作片，另一只粘作为工作片，另一只粘贴在与被测试件的结构贴在与被测试件的结构和材料相同而不受应力和材料相同而不受应力的补偿块上，作补偿片，的补偿块上，作补偿片，并使补偿块与被测试件并使补偿块与被测试件处于相同温度环境下。处于相同温度环境下。图图5 57 7 利用补偿应变片利用补偿应变片 进行温度补偿进行温度补偿设工作片为设工作片为R Rl l，补偿片为，补偿片为R R

39、2 2，它们分别接入相邻桥臂，它们分别接入相邻桥臂，组成卧式电桥，如图组成卧式电桥，如图5-75-7所所示。示。由于两只应变片所受环境温度相同，工作片和补偿片由于两只应变片所受环境温度相同，工作片和补偿片产生的热输出产生的热输出( (热应变热应变) )相等。当被测试件受力为相等。当被测试件受力为F F，并，并有温度变化有温度变化t t时，工作片电阻由原来的时，工作片电阻由原来的R Rl l变为变为RR1 1，即即tFRRRR1111而补偿片的电阻值由原来的而补偿片的电阻值由原来的R R2 2变为变为RR2 2，即即tRRR222式中式中R RlFlF是由于受力引起的电阻变化，则是由于受力引起的

40、电阻变化，则)()(432142310RRRRURRRRuiiURRRRu)(2)(212104/4)22(21110iiFitFFUkURRURRRRu可见，电压输出中温度变化所产生的热输出已经消除。可见，电压输出中温度变化所产生的热输出已经消除。把把RR1 1 ，RR2 2 ，R R1 1=R=R2 2=R, =R, R RlTlT = = R R2T 2T = = R RT T 代代入上式得入上式得 式中式中R R3 3，R R4 4为平衡电阻，是固定值，而为平衡电阻，是固定值，而R R3 3=R=R4 4=R=R0 0，所以所以差动补偿法差动补偿法有时根据被测试件的应变情况有时根据被测

41、试件的应变情况, , 亦可不专门设补亦可不专门设补偿件偿件, , 而将补偿片亦贴在被测试件上而将补偿片亦贴在被测试件上, , 使其既能起使其既能起到温度补偿作用到温度补偿作用, , 又能提高灵敏度。又能提高灵敏度。【例如】构件作纯弯曲形变时【例如】构件作纯弯曲形变时, , 构件面上部的应变构件面上部的应变为拉应变为拉应变, , 下部为压应变下部为压应变, , 且两者绝对值相等符号且两者绝对值相等符号相反。相反。 测量时可将测量时可将R R贴在被测试件的下面，接入贴在被测试件的下面，接入电桥中。电桥中。 由于在外力矩由于在外力矩M M作用下作用下, , R RB B与与R R1 1的变化值的变化

42、值大小相等符号相反大小相等符号相反, , 电桥的输出电压增加一倍。此电桥的输出电压增加一倍。此时时R RB B既起到了温度补偿作用既起到了温度补偿作用, , 又提高了灵敏度又提高了灵敏度, , 而而且可补偿非线性误差。且可补偿非线性误差。RRUR1UscRBR1FFRBR1RBMM热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法如图所示，电路输出电如图所示，电路输出电压为：压为：RRRRURRRRRRRRUtt432132410温度升高时，温度升高时，R1R1阻值将阻值将升高，如果不加热敏电升高，如果不加热敏电阻，则输出会升高。阻，则输出会升高。432132410URRRRRRRRU加入热敏电阻时，热敏加入热敏电

43、阻时，热敏电阻也升高，则电阻也升高，则UU会降会降低，则低，则U U也会降低。也会降低。tttRRRURRRRUU1)1000/(4UURRz（b b）传感器电路补偿）传感器电路补偿要保持传感器长期稳定、精确地工作，需进行电路要保持传感器长期稳定、精确地工作，需进行电路补偿。如图补偿。如图5 58 8所示为典型传感器电路。图中所示为典型传感器电路。图中R Rz z为初为初始不平衡输出补偿串联电阻。其材料一般用电阻率、始不平衡输出补偿串联电阻。其材料一般用电阻率、电阻温度系数和应变灵敏系数都低的锰铜或康铜丝，电阻温度系数和应变灵敏系数都低的锰铜或康铜丝，其值可按下式计算：其值可按下式计算：图图5

44、8 典型传感器电路典型传感器电路 R Rz z通常为通常为11左右。左右。 R Rt t用于零点漂移补偿。零点漂用于零点漂移补偿。零点漂移指不受载荷时，当温度变化电桥就有输出。移指不受载荷时，当温度变化电桥就有输出。 R Rt t值通常也是值通常也是11左右。左右。加于电源两端的两个加于电源两端的两个R RE E/2/2用于输出灵敏度漂移补偿，用于输出灵敏度漂移补偿，其值根据弹性元件材料与补偿电阻材料来选取。其值根据弹性元件材料与补偿电阻材料来选取。串接于电源两端的两个串接于电源两端的两个R RS S/2/2用于输出灵敏度调整，用于输出灵敏度调整，它采用电阻温度系数小的材料制成，其值可由下式它

45、采用电阻温度系数小的材料制成，其值可由下式确定，一般为几千欧姆。确定，一般为几千欧姆。LLLESLkRRRR/)(4 4、测量电路、测量电路对于应变片组成的测量电桥，通常其输出电信号对于应变片组成的测量电桥，通常其输出电信号还是较弱，还须进一步放大。还是较弱，还须进一步放大。1 1）直流电桥）直流电桥构成的测量电路框图如图构成的测量电路框图如图5 59 9所示。所示。2 2）交流电桥）交流电桥构成的测量电路框图如图构成的测量电路框图如图5 51010所示。其工作原理是：所示。其工作原理是：当试件受力变形时，应变片即产生电阻变化，改变来当试件受力变形时，应变片即产生电阻变化，改变来自振荡器的载波

46、的振幅大小，也即调幅，将调幅波经自振荡器的载波的振幅大小，也即调幅，将调幅波经放大后由相敏检波器将调幅波的幅值变化波形取出来，放大后由相敏检波器将调幅波的幅值变化波形取出来，也即解调。经低通滤波后得到反映被测应变大小、方也即解调。经低通滤波后得到反映被测应变大小、方向（符号）的电压信号。向（符号）的电压信号。5.10 5.10 半导体应变片半导体应变片图图5 511 11 半导体应变片半导体应变片(a)(a)体型（粘贴式）；体型（粘贴式）；(b)(b)薄膜型；薄膜型；(c)(c)扩散型扩散型根据其制造工艺及安装方法不同，分为体型、薄膜型、扩散根据其制造工艺及安装方法不同，分为体型、薄膜型、扩散

47、型。型。1.1.体型半导体应变片体型半导体应变片它是一种粘贴式应变片，如图它是一种粘贴式应变片，如图5-11(a)5-11(a)所示。因此所使用的所示。因此所使用的粘贴技术与金属应变片相同，但半导体应变片较脆、易损坏。粘贴技术与金属应变片相同，但半导体应变片较脆、易损坏。体型半导体应变片又分为一般型、温度自补型、灵敏度补偿体型半导体应变片又分为一般型、温度自补型、灵敏度补偿型、高阻型、超线性型、型、高阻型、超线性型、P P一一N N组合型等不同特点的应变片。组合型等不同特点的应变片。2.2.薄膜型半导体应变片薄膜型半导体应变片它是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带绝缘层的它是利用真空沉积技术

48、将半导体材料沉积在带绝缘层的基底上制成的。结构如图基底上制成的。结构如图5-11(b)5-11(b)所示。其灵敏系数、温所示。其灵敏系数、温度系数与电阻温度系数较其他类型半导体应变片低，使度系数与电阻温度系数较其他类型半导体应变片低，使用温度范围为用温度范围为-150-150一一2OO2OO。它也是粘贴式应变片。它也是粘贴式应变片。3.3.扩散型半导体应变片扩散型半导体应变片它是在半导体材料硅的基片上用集成电路工艺制成扩散它是在半导体材料硅的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻构成的，结构如图电阻构成的，结构如图5-11(c)5-11(c)所示。其特点是稳定性好、所示。其特点是稳定性好、机械滞后、

49、蠕变小。但其线性度较金属与体型的差，灵机械滞后、蠕变小。但其线性度较金属与体型的差，灵敏系数、温度系数与体型相同，都较金属和薄膜型大。敏系数、温度系数与体型相同，都较金属和薄膜型大。4 4半导体应变片的特性半导体应变片的特性(1)(1)线性度线性度半导体应变片在几百微应变范围内输出输入特性呈线性半导体应变片在几百微应变范围内输出输入特性呈线性关系，超出此范围则为非线性。关系，超出此范围则为非线性。P P型硅的线性范围较型硅的线性范围较N N型型硅的大，它在拉伸时比压缩时线性好。硅的大，它在拉伸时比压缩时线性好。N N型硅的压应变线型硅的压应变线性较其拉应变好。采用性较其拉应变好。采用P P、N

50、 N型并联的双元件应变片，可型并联的双元件应变片，可改善其非线性，也可用其他非线性补偿方法。改善其非线性，也可用其他非线性补偿方法。(2)(2)电阻温度特性电阻温度特性其电阻温度系数较金属应变片大其电阻温度系数较金属应变片大1 12 2个数量级，须用温个数量级，须用温度补偿。度补偿。(3)(3)灵敏度温度特性灵敏度温度特性半导体应变片的灵敏系数比金属应变片的大许多，但其半导体应变片的灵敏系数比金属应变片的大许多，但其灵敏系数在温度变化时变化也相对大，因此温度变化时灵敏系数在温度变化时变化也相对大，因此温度变化时要给予补偿。要给予补偿。5.5.温度补偿和非线性补偿温度补偿和非线性补偿(1)(1)

51、温度补偿温度补偿采用电桥电路补偿采用电桥电路补偿: :用同型号、同温度特性的两片或四用同型号、同温度特性的两片或四片接成差动半桥或全桥工作，则可提高灵敏度，减小或片接成差动半桥或全桥工作，则可提高灵敏度，减小或消除温度误差。消除温度误差。采用热敏电阻补偿采用热敏电阻补偿: :在转换电桥的电源输入回路中串入在转换电桥的电源输入回路中串入负温度系数热敏电阻，可实现灵敏系数温度补偿。负温度系数热敏电阻，可实现灵敏系数温度补偿。使用使用P P一一N N组合型半导体应变片组合型半导体应变片: :将将P P型和型和N N型应变片粘贴型应变片粘贴在弹性敏感元件上，组成同一力方向上电桥相邻两臂，在弹性敏感元件

52、上，组成同一力方向上电桥相邻两臂，当温度变化时，它们的电阻变化率符号相反，大小相等，当温度变化时，它们的电阻变化率符号相反，大小相等，则可实现温度补偿。则可实现温度补偿。(2)(2)非线性补偿非线性补偿半导体应变片在大应变时非线性严重，需作补偿。利半导体应变片在大应变时非线性严重，需作补偿。利用预应力补偿用预应力补偿: :高于工作温度下粘贴高于工作温度下粘贴N N型应变片于较高膨型应变片于较高膨胀系数的弹性元件上，冷却后相当于受预压力，使应变胀系数的弹性元件上，冷却后相当于受预压力，使应变片线性范围增加。片线性范围增加。利用利用P P一一N N组合型补偿组合型补偿:P:P型和型和N N型应变片

53、的灵敏系数非线型应变片的灵敏系数非线性方向相反，组合后则可减小非线性误差。性方向相反，组合后则可减小非线性误差。 5.11 5.11 电阻应变片式传感器的应用电阻应变片式传感器的应用1.1.电阻应变式传感器应用特点电阻应变式传感器应用特点电阻应变片有两方面的应用电阻应变片有两方面的应用: :作为敏感元件，直接作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量用于被测试件的应变测量; ;作为转换元件，通过弹性作为转换元件，通过弹性元件构成传感器，用以对任何能转换成弹性元件应变元件构成传感器，用以对任何能转换成弹性元件应变的其他物理量的间接测量。的其他物理量的间接测量。应变片式传感器有如下特点应变片式传感器

54、有如下特点: :应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。器。分辨力和灵敏度高，精度较高。分辨力和灵敏度高，精度较高。结构轻小，对试件影响小，对复杂环境适应性强，结构轻小，对试件影响小，对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。应好。商品化，选用方便。便于实现远距离、自动化测量。商品化，选用方便。便于实现远距离、自动化测量。F被测力，被测力，N；E弹性模量，弹性模量，N/m2A柱形截面积，柱形截面积，m2图图5 512 12 柱形弹性元件测力传感器柱形弹性元件测力传感器

55、2.2.测力传感器测力传感器应变片式传感器的最大用武之地是称重和测力领域。测力应变片式传感器的最大用武之地是称重和测力领域。测力传感器由应变片、弹性元件和一些附件组成。视弹性元件传感器由应变片、弹性元件和一些附件组成。视弹性元件结构形式和受载性质不同有许多种类。结构形式和受载性质不同有许多种类。(1)(1)柱筒形弹性元件式测力传感器柱筒形弹性元件式测力传感器应变片布片和电桥连接如图应变片布片和电桥连接如图5-125-12所示。其弹性元件应变值所示。其弹性元件应变值为为:=F/AE:=F/AE。图中。图中R Rl l、R R3 3为工作应变片，为工作应变片，R R2 2、R R4 4为补偿片。为

56、补偿片。输出电压为：输出电压为：U U0 0=k(1+=k(1+)U)Ui iF F/(2AE) /(2AE) 该传感器适用于较大载荷的拉该传感器适用于较大载荷的拉( (压压) )力和称重测量。力和称重测量。图图513 悬臂梁式测力传感器悬臂梁式测力传感器(2)(2)悬臂梁式测力传感器悬臂梁式测力传感器应变片布片和电桥连接如图应变片布片和电桥连接如图5-5-1313所示。其弹性元件应变值为：所示。其弹性元件应变值为：=6Fl/(Ebh=6Fl/(Ebh2 2) )。图中。图中R Rl l、R R2 2、R R3 3、R R4 4既作工作应变片又作为补偿片。既作工作应变片又作为补偿片。输出电压为

57、：输出电压为： U U0 0=6klU=6klUi iF/(EbhF/(Ebh2 2) ) 该传感器适用于小载荷测量该传感器适用于小载荷测量 (1(1一一10103 3) )N N。梁式传感器外形梁式传感器外形(3)(3)位移传感器位移传感器应变式线位移传感器典型结构原理与图应变式线位移传感器典型结构原理与图5-135-13相同。相同。当被测体产生位移时，梁随之产生与位移相等的挠当被测体产生位移时，梁随之产生与位移相等的挠度，因而应变片产生相应的应变。小挠度下，挠度度，因而应变片产生相应的应变。小挠度下，挠度与应变成正比。与应变成正比。3.3.其他应变式传感器其他应变式传感器除上述主要应变式传

58、感器外，还可构成其他应变除上述主要应变式传感器外，还可构成其他应变式传感器。如由质量块与弹性元件的作用，可将被式传感器。如由质量块与弹性元件的作用，可将被测加速度转换成弹性应变，从而构成应变式加速度测加速度转换成弹性应变，从而构成应变式加速度传感器。传感器。图图5 514 14 应变计传感器应用应变计传感器应用4.4.应用示例应用示例 ( (基本应用。平面膜片式压力传感器基本应用。平面膜片式压力传感器) )（1 1）应变片连接成全等臂桥，且）应变片连接成全等臂桥，且R Rl l=R=R3 3=R+=R+R,R,R R2 2=R=R4 4=R=RR R，如图，如图5-145-14所示。应变片的所

59、示。应变片的k=2.0k=2.0。膜片。膜片允许最大应变允许最大应变=800=800,对应压力为对应压力为1010OkPaOkPa，电桥电，电桥电压压U Ui i为为5V5V。求最大应变时测量电路输出的电压。求最大应变时测量电路输出的电压U U0 0? ?当输当输出电压出电压U U0 0=3.2V=3.2V时，所测压力为多少时，所测压力为多少?A4?A4的作用是什么的作用是什么? ? iiUkRRUU/0解：该例为恒压源供电，且为全桥差动工作形式，则电解：该例为恒压源供电，且为全桥差动工作形式，则电桥输出为：桥输出为： 电桥输出电压灵敏度电桥输出电压灵敏度UU0 0/U/Ui i=k=2.0=

60、k=2.08008001010-6-61.6mV/U1.6mV/Ui i ，该值对应着标准压力，该值对应着标准压力 (10(10OkPaOkPa) )时对每时对每lVlV供桥供桥电压电压U Ui i，UU0 0为为1.6mV1.6mV。所以。所以 UU0 0 =1.6mV/U=1.6mV/Ui i5V=8(mV)5V=8(mV) 电路中，电路中，AlAl、A2A2、A3A3运放组成同相输入并串联差动运放组成同相输入并串联差动放大器，放大倍数为：放大器，放大倍数为：625102041.1281000)2020(1 )1 (521RRRRRKfhffF 则最大应变时电路输出端电压为：则最大应变时电