第二章温度补偿

1、第二章应变式传感器非电量电测技术第二章应变式传感器非电量电测技术二、交流电桥优点:缺点:电源稳定、平衡电路简单，仍是主要测量电路;直流放大器较复杂，存在零漂和工频干扰。A交流电桥优点：放大电路简单无零漂，不受干扰，为特定 传感器带来方便；缺点：需专用测量仪器或电路，不易取得高精度。交流电桥由于引线分布参数的影响以及平衡调节.后续放大的影响 与直流电桥有明显的差别。二、交流电桥交流电桥由单频交流电源供电，交流电桥各臂的电阻要考虑分布电容的影响，这时桥臂不再是纯电阻了，可将桥臂视为复阻阻抗，分别为ZP Z2> Z3> Z4交流电桥>交流电桥输出特征方程为（乙+ Z?）（乙3 +乙

2、）电源电压.输出电压分别用复数表示二、交流电桥交流电桥平衡条件：Z-Z =0 咨/省二咨/省 设各桥臂阻抗：z = r + jx = zej(p式中：x电抗、r电阻、Z复数的模、cp幅角用指数形式代入得到交流电桥平衡条件，需满足两个方程式：对臂复数的模积相等，幅角之和相等。IZ II 乙 1=1 Z2IIZ3101+04=02+03第二章应变式传感器非电量电测技术第二章应变式传感器非电量电测技术二、交流电桥交流电桥输出:(Z4/Z3)-(AZ1/Z1)(1 + AZ, /Zx+Z2/Zx-( + ZJZ已知Z = Z? = Z3 = Z4忽略分母项AZ1交流单桥输出:其中，Z1=R1/XC1交

3、流半桥输出:（1+丿血?e）2第二章应变式传感器非电量电测技术R&4 = R2R3R2C2 = RG当应变引起阻抗变化时，有（增.减）阻抗变化二、交流电桥若WZ3 Z4为固定电阻，ZP Z2为两个应变片阻值为R2,分布电容为c2,电桥平衡时实部.虚部分别相等。交流电桥除满足电阻平衡条件外,还必须要满足电容平衡条件：uUq -(1AR<l + 2/?2C2 R 丿U .7fi咒2胡 + co2R2C2 丿乙 1 = Z + /SZ ZJ Z? _ AZ 交流电桥输出用以上参数代入（半桥）二、交流电桥讨论:输出电压U。有两个分量：前一个分量的相位与输入电源电压u同相，叫同相分量； 后

4、一个分量的相位与电源U的相位相差90。，叫正交分量。两个分量均是AR的调幅波，若采用普通二极管检波电路无法检测出调制信号必须采用相敏检波电路。相敏检波器只检出同相分量和反相的调制信号，对正交分量不起检波作用，只起到滤除作用。(1 ARUJ + 2/?2C2TJ 2a)C15 =2非电量电测技术非电量电测技术二、交流电桥实际应用时，一般情况分布电容会很小，满足3RC1R1 + jcoR C例：电源频率 f = 1000Hz, R=120il, C =1000pFwRC q 7.5 X IO-4, Z R， AZ q ARAZ,石所以输出电压在输出输入同频同相时可写为U AR即信号频率3不高时，分

5、布电容C很小时, 交流应变电桥仍可看成纯电阻性电桥二、交流电桥A平衡电路：事实上交流电桥很难处于平衡状态，只能使零 输出尽量小，所以会产生零输出，因此须设置平衡电路。非电量电测技术电阻平衡电路调节直流基波成分 &R4 = R2R3电容平衡电路调节交流高次谐波非电量电测技术非电量电测技术非电量电测技术R5R6组成电阻平衡调节电路, 改变R6使Ri R2 R5电阻值变化C、R组成电容平衡调节电路, 改变R使Z Z2阻抗变化非电量电测技术第二章应变式传感器非电量电测技术二、交流电桥平衡电路:交流等幅波交流等幅波第二章应变式传感器非电量电测技术交流等幅波交流等幅波第二章应变式传感器非电量电测技

6、术BACDBCL2D交流等幅波交流等幅波第二章应变式传感器非电量电测技术三 应变片温度误差及补偿1.应变片温度误差A应变片安裝在自由膨胀的试件上，如果环境.温度吏化， 应麦片的电阻也会麦化，这种变化叠加衣测量结果中称应 吏片温度誤差。应雯片温度谖差来源有两个主要因素： 电阻丝阻值与温度关系：I& =尺）（1 +=&）+ 凡空”I环境温度变化At时，电阻丝的电阻变化为Mi =尺 -& =式中：R。是温度为切时的金属丝电阻值；5是应变片电阻温度系数。电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当存在时, 引起应变片的附加应变，设则电

7、阻丝产生的附加形变则电阻丝产生的附加应变为:第二章应变式传感器非电量电测技术第二章应变式传感器非电量电测技术第二章应变式传感器非电量电测技术第二章应变式传感器非电量电测技术2=恥（化一 Q） &温度变化At时引起总的勒阻变化込=A7?zl+zV?r2 = RqN + 卧（伏 - 0s）N式中：k为应变片灵敏度；J电阻温度糸教;亿电阻丝膨胀糸数；耳试件膨胀糸数.A电阻丝阻值与温度关系：A/?z /7?0+ 氏 -0）、折合成应变量 _RJRq _OC0（ _b、m（温度变化引起）厂kk +4 02因环境温度改变引起的附加电阻变化与以下内容有关：环境温度变化At;应变片本身的性能参数应变片

8、灵敏度収;电阻丝温度系数W、膨胀系数艮；试件参数很。应变式传感器非电量电测技术2.应变片温度补偿温度补偿方法有：线路补偿、自补偿.辅助测量补偿.热敏电阻补偿.计算机补偿等。应变式传感器非电量电测技术应变式传感器非电量电测技术自补偿法，具有温度补偿作用的应变片Rb称为补偿片，用特 制的温度补偿片进行补偿。当温度变化时产生的附加应变相互抵消，补偿片制作的原理是使5=0。应变式传感器非电量电测技术应变式传感器非电量电测技术勺=-氐（几-几）应变式传感器非电量电测技术应变式传感器非电量电测技术被测材料X给定，制作中改变栅丝的合金成分，控制温度系数CXt，使Bs、Pg抵消。非电量电测技术双丝组合式自补偿

9、应变片是由两种不同电阻温度系数(一种为正值, 一种为负值)的材料串联组成敏感栅，以 达到一定的温度范围内在一定材料的试件 上实现温度补偿的，如图。这种应变片的 自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段 敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大 小相等，符号相反，即(AF?a) t= -(/%) t桥路补偿法测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，图中用称 为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中號， 称为补偿应变片如R1R4=R2R3,电桥平衡时输出为零；若Re温度系数相同，当无应变而温度 变化时ARi = AR2 ,电桥平衡；当有应变时，R有增量AR” ARj =R1k

10、os, 补偿片无变化，AR2 = 0;此时电桥的输出电压与温度无关非电量电测技术2. 4应变式传感器的应用（1）电阻应变仪电阻式应变传感器的应用主要分为两大类：1 与弹性元件组合使用，测量力.压力.位移.速度.加速度 等物理量（如电子秤）。2.应变片直接粘贴在被测试件上测量构件的应力.应变.形变 （一次性使用）；通过电阻应变仪实现应变测量.电阻应变仪是直接测量应变的专用仪器，在科研和工业生产中常 常要对构件或组件的应变进行测量。如:测量高压容器的变形时压力一高压气瓶.高压锅炉.高压锅;机械设备的构件形变研究一火炮炮管.汽车底盘、飞机机翼。2. 4应变式传感器的应用 (1)电阻应变仪按测量应变力

11、的演率可分为静态应变仪，动态应变仪又可细分为：静态 5Hz; 静动态几百Hz;动态 5KHz; 超动态几十KHz。不同应变频率范围的应变仪，数据釆集与数据处理电路 有较大差别。第二章应变式传感器非电量电测技术2. 4应变式传感器的应用(1)电阻应变仪应变仪电路主要包括：电桥.振荡器、放大器、相敏检 波器.滤波器.转换和显示400-2000HZ振荡器> 差nMH"一相敏检波器-RIK滤 波 器电源转换及显示2. 4应变式传感器的应用(1)电阻应变仪应变仪实验电路移相器电桥平衡网络应变片音频振荡器音频振荡器.电桥.差动放大器、相敏检波器.移相器.滤波器.显示F非电量电测技术2. 4

12、应变式传感器的应用(1)电阻应变仪交流电桥，测20-200HZ应变力，输出调 幅调制波；振荡器，产生400-2000HZ等幅正弦波提 供电桥电压和相敏检波器参考电压；差动放大器，将电桥输出信号放大，调幅 波的负应变信号反向输出；相敏检波器，如果应变有拉和压应变, 可通过相敏检波电路区分双向信号；低通滤波器去掉高频保留低频应变信号, 还原被检测的信号。应变信号振荡信号及步考信号诩制信号移相器F/VXV应变片一 r相移器，相敏检波器的参考信号与被测 信号有严格的相位关系，相敏检波电路要 求相位可调，由相移电路完成。第二章应变式传感器非电量电测技术1通适:加速度传夥器固有频率：195.312f Hz

13、第二章应变式传感器非电量电测技术2. 4应变式传感器的应用电阻应变片测量桥梁固有频率loolr800悬臂梁固有频率测量VII IIeI伎感鬲输出怯钢载液形-5000300悬臂梁固有频率测星VWv紡 ATVWVWA/WvwykA/vf/wv汽0.2048L4G4.出如cZ/山，7_T!0ffHx)-800數据厂播端丽二型画拶四口桥梁固有频率测量1通适:加速度传夥器固有频率：195.312f Hz第二章应变式传感器非电量电测技术2. 4应变式传感器的应用非电量电测技术2.4应变式传感器的应用（2）力传感器（测力与秤重）梁式.环式.轮辐式等:力传感器的弹性元件有：柱式、两种,在圆筒（柱）上按 在外力

14、F作用下产生形变，柱式力传感器有空心（筒形）.实心（柱形） 一定方式粘贴应变片，圆筒（柱） 对实心圆柱作用产生的应变为：A/ crF£ =IESER1K2| I式中：Z为弹性元件的长度；E为弹性模量；S为弹性元件的横截面积；应力"F/S ;r5 k6可见应变与力成正比关系，要提高变换灵敏度必须减小 横截面积$但S小抗弯能力差易产生横向干扰。为解决这一矛盾多釆用空心圆筒，空心圆筒在同样横截 面积情况下横向刚度大。非电量电测技术2T®变的疸强(2)力传感器试验研究结果建议选用以下公式:F=100X103N实心圆柱HN2D + L空心圆柱H > Dd+LH柱高,D

15、外径,d空心内径,L应变片基长柱式力传感器量程在0.1100吨之间，国产有BLR-1型测拉力.BHR型测荷重传感器， 火箭愛动机实验台架都采用空心圆柱结构。柱式力传感器结构非电量电测技术非电量电测技术2. 4应变式传感器的应用(2)力传感器? R? %i-Jii4圆柱面展开的应变片粘贴图7? I7?3J?5=Y=±H=±-51C1E尺 /?严3 ?W 3/ rI心 A血由尺/?nAR4二nR3耸nR2Anu第二章应变式传感器2T谊变赫蜩的应用(2)力传感器A应变片均匀贴在圆柱表面中间部分，Rt R3 R2R4串联摆放在两对臂内,当有偏心应力时，一方受拉另一方受压产生相反变化

16、，可减小弯矩的影响。横向粘贴应变片为温度补偿片有提高灵敏度的作用。RRj R2R3R4支力方向相同灵敏度按半桥计算，电桥输出为桥路连接图第二章应变式传感器非电量电测技术(2)力传感器柱式力传感器丄©y荷重传感器弹性元件形式2. 4应变式传感器的应用(2)力传感器等截面梁.等强度梁两种形式，弹性元件一端固定，力作用在自由端等截面梁第二章应变式传感器非电量电测技术包由端h2LLob悬臂梁的横截面积处处相等，所以称等截面梁。当外力F作用在梁的自由端时，固定端产生的应变最大，粘贴在应变片处的应变为:bh2E式中：z0是梁上应变片至自由端距离，b、力分别为梁的宽度和梁的厚度。非电量电测技术非电

17、量电测技术非电量电测技术这种传感器适用于测量500Kg以下 荷重。(2)力传感器等截面梁因为应变片的应变大小与力作用 的距离有关，所以应变片应贴在距 固定端较近的表面，顺梁的方向贴 上下各贴两只。四个应变片组成全桥，上面两个 受压时下面两个受拉。保证对臂同 极性、邻臂反极性连接。非电量电测技术非电量电测技术非电量电测技术为梁的长度，当力作用在自由端时，梁表面产(2)力传感器等强度梁：悬臂梁长度方向的截面积按一定规律变 化，是一种特殊形式的悬臂梁。当力作用在自由端时，距作用点任何截 面积上应力相等，应变片的应变大小为：6FIS = bh2E生应变相等，对应变片粘贴位置要求不严, 使用更为方便。2

18、. 4应变式传感器的应用(2)力传感器荷加各种荷朮传感器各种荷朮传感器线型电阻式荷茧传总器各种荷朮传感器各种荷朮传感器(C)拉力用各种荷朮传感器非电量电测技术非电量电测技术各种形式舉Ird二章应变式传感器非电量电测技术称重测力传感器剪切梁式2. 4应变式传感器的应用(2)力传感器各种形式的应变梁二章应变式传感器非电量电测技术二章应变式传感器非电量电测技术I变式传层非电量电测技术俯 视轮圈辐条轮辂拉应变片r压应变片 I2.4应变式传感器的应用(2)力传感器 轮辐式测力传感器(剪切力)轮辐式传感器结构主要由五个部分组成：轮牯、轮圈、 轮辐条.受拉和受压应变片，通过测量轮辐条对角线方向 (45

19、76;)的线应变测力。8个应变片分别粘贴在四个轮辐条的 正反两面组成全桥.扁平外型有大的抗载能力，可承受大的偏心度和侧向力, 埋在地下用于测量行走中的拖车、卡车，可根据输出对超 载车辆报警。站酬的銅丄非电量电测技术(2)力传感器汽车衡器第二章应变式传感器非电量电测技术2.4应变式传感器的应用(2)力传感器 膜片式压力传感器膜片式传感器的弹性敏感元件是一 个圆形的金属膜片，应变片粘贴在膜片 上。金属元件的膜片周边被固定；当膜片一面受压力P作用时，膜片的 另一面有径向应变£ r和切向应变& t。X第二章应变式传感器非电量电测技术应变值分别为:式中:hE膜片半径 膜片厚度膜片弹性模

20、量膜片泊松比 任意点离圆心距离X非电量电测技术2. 4应变式传感器的应用(2)力传感器膜片式压力传感器"磊2炉即卜磊2)宀刊非电量电测技术膜片中心处，x = 0 ,非电量电测技术上与片都达到正的最大值,这时切向应变和径向应变为:max膜片边缘处x = r,切向应变q=0,径向应变存达到负的最大值。径向应变耳=0处的位置，在距非电量电测技术警2稼驟的应用膜片式压力传感器>根据应力分布粘贴四个应变片，A传感器一般可测量105106 Pa的 压力°R2> R3粘贴在正的最大区域,R" R4 粘贴在负的最大区域，即是粘贴在 r = 0.58的内外两侧。>

21、Rn R4测量径向应变空（负）， R2> R3测量切向应变兔（正），四 个应变片组成全桥，即可增大传感 器的灵敏度又起到温度补偿作用。篦童应峦弍传咸器非电量电测技术2. 4应变式传感器的应用(2)力传感器 应变式加速度传感器基本结构由悬臂梁.应变片.质量块、机座外壳组成。悬臂梁(等强度梁)自由端固定质量块，壳体内充满硅油，产生必要篦童应峦弍传咸器非电量电测技术篦童应峦弍传咸器非电量电测技术的阻尼。A当壳体与被测物体一"起 作加亀度运动时，悬臂梁在 质量块的惯性作用下作反方 向运动，使梁体发生形变， 粘贴在梁上的应变片阻值发 生变化。通过测量阻值的变 化求出待测物体的加速度。R1

22、 充满硅油理R2机座篦童应峦弍传咸器非电量电测技术篦童应峦弍传咸器非电量电测技术(2)力传感器应变式加速度传感器6FL 6mLEbh2 Ebh2F-ma梁确定后6mLEbh为常数应变片式加速度传感器不适于测较高 频率的振动冲击，常用于低频振动测量，范围在1060Hz£ OCQ篦童应峦弍传咸器非电量电测技术2. 4应变式传感器的应用(2)力传感器电子秤应用电路集成器件MC14433为A/D转换集成块，4511为LED显示驱动，1413 为位选，1403提供主集成电路稳定比较电压，7650为斩波稳零单片 集成运算放大器，放大传感器输出的电压信号。传感器用BLR型拉压式传感器，图中RA.

23、RB. RC. RD为传感器中 应变电阻。稳压电路7805向整个电路提供5V电压，7805的输人电压 在8-15V时正常工作。也可用交流220 V降压.整流.滤波后，提 供给仪器使用。篦童应峦弍传咸器非电量电测技术篦童应峦弍传咸器非电量电测技术 I E!IEISAAA第二章应变式传感器非电量电测技术2. 4应变式传感器的应用(2)力传感器电子皮带秤原理测量皮带运输机上传送固体物料的瞬时值和输出总量;系统需要通过测力和测速两套测试装置实现；若单位皮带长度的物料重p ,皮带的运行速度是U，输送物料的瞬时量Q = px u之积(单位时间重量)，将该量对输送时间t积分可得出输出总量。2. 4应变式传感器的应用(2)力传感器电子皮带秤原理U皮带速度驱动轮托辐P固