第3章电阻应变片式传感器ppt课件

1、测量电路测量电路式中 电阻丝的电阻率；L电阻丝的长度；A电阻丝的截面积AlRdAldAAldlAdR2AAllRR 当电阻丝受到轴向的拉力F作用时，将伸长l，横截面积相应减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了，从而引起了电阻值的变化，对式（3.1全微分，得：则相对变化量为dAdAldlRdRldlAdArdr21ldlAdArdr21dddAdAldlRdR212dRdRK21图3.4 应变片轴向受力及横向效应 3. 测量原理 在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为R 时，便可得到被测对象的应变值

2、， 根据应力与应变的关系，应变与应力成正比，即 ， E -试件材料的弹性模量。=E R1R2R4R3ACBEDIoRLUoZ1UoU(a)Z2Z3Z4R1R2R4R3oUC1C2U(b)图3.5 直流电桥和交流电桥ERRRRRRRRERRRERRRUUUUADABBDo4321324143321103241RRRR3241RRRR3241RRRRRRRRR4321341211113443211414332111111)(RRRRRRRRRRERRRRRRRERRRRRRRREUo图图 3.6 单臂测量电桥ERRnnUo112)1 (EnnRRUKoU211)1 ( 电桥电压灵敏度定义为 电桥电

3、压灵敏度KU正比于电桥供电电压E，E越高， KU 越高 ，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要适当选择桥臂电阻比值n， 保证电桥具有较高的电压灵敏度444411EKKERRERREUUoR1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a )R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b )R3 R3R4 R4图3.7 半桥差动ERRRRRRRRRUo433221111若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得 KERREUo2211ERRRRRRRRRRRRRRRRUo4433221133224411R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b)R3

4、R3R4 R4 由于变形程度相同，R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4= R，EKRREUUo图3.8 全桥差动三三. 应变片测量交流电桥应变片测量交流电桥 引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。电桥多采用交流电桥。 由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得二由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于两只应变片各桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于两只应变片各并联了一个电容。并联了一个电容。U图

5、3-9 交流电桥 Z1UoU(a)Z2Z3Z4R1R2R4R3oUC1C2U(b)Z1UoU(a)Z2Z3Z4R1R2R4R3oUC1C2U(b)UZZZZZZZZU43213241032413241, 0ZZZZZZZZ即00U11111jeZjXRZ22222jeZjXRZ33333jeZjXRZ44444jeZjXRZ3241ZZZZ3241当 ，此时电桥达到平衡。 ，所以平衡条件为 )1)(1 (34111211340ZZZZZZZZZZUU 11ZZ略去分母中 并设 21ZZ 34ZZ 那么 )(4110ZZUU44332222111111RZRZCRjRZCRjRZ式中, C1、C

6、2表示应变片引线分布电容。 每一桥臂上复阻抗分别为交流电桥输出： )(43213241ZZZZZZZZUUo电桥平衡条件：Uo=0，即 Z1Z4=Z2Z3 整理可得 3222411111RCRjRRCRjR变形为： 24241313CRjRRCRjRR交流电桥的平衡条件实部、虚部分别相等）：3412RRRR2112CCRRR1R2R4R3ACR5DUoU(a)R1R2R4R3ACR5UoU(b)BBR6R1R2R4R3ACUoU(c)BC1C2C3C4R1R2R4R3ACCUoU( d )BRD(a)串联法 (b)并联法 (c)差动法 (d)阻容法图3-10 交流电桥平衡调节max13135R

7、RrrR式中31, rr 分别为R1与R2和R3与R4的偏差。l并联电阻法：3.10图(b)中调节R5可改变桥臂AD和CD得阻值比，使电桥满足平衡条件。可调平衡范围取决于R6的值。R6愈小，可调范围愈大，但测量误差也愈大。因此在保证精度的前提下要选得小些。lR5可采用与R6相同的阻值。R6可按下式确定： max331136RrRrRR注意：在同时具有电阻和电容调平装置进行阻抗调平过程中，两者应不断交替调整，才能取得满意的平衡结果。 当被测应力变化引起 Z1=Z10+Z, Z2=Z20Z 变化时Z10=Z20=Z0），则电桥输出为 00021212ZZUZZZUUo14231234()()oZ

8、ZZ ZUUZZZZAALLRRE式中： 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KEllllRR)21(2 所以当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化可写为： Pa11108040PaE111067. 1ERdRK实验表明，E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，半导体材料的压阻系数，因而半导体应变片的灵敏系数为：3. 半导体应变片的结构一一. 应变片的温度误差应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，误差， 称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的称为应变片的温度误差。产生

9、应变片温度误差的主要因素有如下两个方面：主要因素有如下两个方面：1. 电阻温度系数的影响电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示： Rt=R0(1+0t) 3.3 应变片的温度误差及补偿式中: Rt温度为t时的电阻值； R0温度为t0时的电阻值； 0温度为t0时金属丝的电阻温度系数； t温度变化值，t=t-t0。 当温度变化t时，电阻丝电阻的变化值为： R=Rt-R0=R00t 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时：环境温度变化不会产生附加变形。 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时：环境温度变化，电阻丝会产生附加变形，

10、从而产生附加电阻变化。 设电阻丝和试件在温度为0时的长度均为l0, 它们的线膨胀系数分别为s和g，若两者不粘贴，则它们的长度分别为 ls=l0(1+st)lg=l0(1+gt) （3-22） （3-23） 2. 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数不同时的影响 当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形l，附加应变和附加电阻变化R分别为 tRKRKRtlltllllsgsggsgsg)()()(0000由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为 tKtKtRRRRRsgsgt)()(0000 结论：因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数K, 0,

11、 s以及被测试件线膨胀系数g有关。 电阻应变片的温度补偿方法通常有两种：电路补偿法和应变片温度自补偿法。 1. 电路补偿法 电桥补偿是最常用且效果较好的电路补偿，如图3.11所示。 二. 电阻应变片的温度补偿方法图3-11 电桥补偿法R1R3RBR4UoR1RB(a)(b)R1工 作 应 变 片 ；RB补 偿 应 变 片FFU314310134134()()BabBBRR RR RRUUUUUURRRRRRRR0143()BUAR RR R134()()BUARRRR其中 测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上不接受外力作用，且仅工

12、作应变片承受应变。 当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有 0)(341RRRRAUBo工程上，一般按R1 = RB = R3 = R4 选取桥臂电阻。 温度补偿的实现：当温度升高或降低t=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态， 即 0)()(3411RRRRRRAUBtBto应变的测量：被测试件有应变的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量R1=R1K，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量， 此时电桥输出电压为 可见：电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变有关，而与环境温度无关。 41413411

13、)()(RKRARRARRRRRAUBo2) 注意补偿条件： 在应变片工作过程中，保证R3=R4。 R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。 两应变片应处于同一温度场。 2. 应变片的自补偿法利用自身具有温度补偿作用的应变片来实现温度补偿的方法。 要实现温度自补偿，必须有 )(sgK 上式表明，当被测试件的线膨胀系数g已知时，如果合理选择敏感栅材料的电阻温度系数、灵敏系数K以及线膨胀系数s，来满足上式，则不论温度如何变化，均有Rt/R0=0，从而达到温度自补偿的目

14、的。 tKtKtRRRRRsgsgt)()(003.4 应变式传感器的应用应变式传感器的应用 一.构造： 应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成，是利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的一种传感器，如下图。二. 工作原理： 当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路转换成电量输出，输出的电量大小反映被测量的大小。1. 应变式力传感器力的测量）应变式力传感器力的测量）1)悬臂式力传感器悬臂式力传感器当在自由端加上作用力时，在梁上各处产生的应变大小相当在自由端加上作用力时，在梁上

15、各处产生的应变大小相等，梁上各点的应变为：等，梁上各点的应变为：EbhLF264, 1RR3,2RRRRR41RRR32由于受拉，受压，故, KERREU440图3-13 圆柱筒式力传感器（a） 柱式；（b） 筒式；（c） 圆柱面展开图；（d） 桥路连线图 (a)(b)(c)R1R5R2R6R3R7R4R8R1R3R5R7R6R8R2R4(d)UoU2) 柱筒式力传感器3) 环式力传感器图3-14 环式力传感器(a) 环式传感器结构图； (b) 应力分布 (a)AR1R2Bh(b)MBAFR39.5 对R/h5的小曲率圆环：A、B两点的应变。 EbhFREbhFRA2291. 109. 1这样

16、， 测出A、 B处的应变， 即可得到载荷F。 A23( /2)2(1)F Rhbh EB23( /2) 2F Rhbh E内贴取“一” 内贴取“” 式中： h圆环厚度； b圆环宽度； E材料弹性模量。0()( )0URRU fKf FRRRUFR 测 量3, 1RR4, 2RRRRR31RRR42KERREU440)(443210RRRRRRRREU4321,RRRR4. 应变式压力传感器应变式压力传感器 主要用来测量流动介质的动态或静态压力主要用来测量流动介质的动态或静态压力 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。 在压力在压力p作用下，

17、膜片产生径向应变作用下，膜片产生径向应变r和切向应变和切向应变t，表达式分别为表达式分别为 EhxRpEhxRptr222222228)(1 (38)3)(1 (3图3-15 膜片式压力传感器（a） 应变变化图; （b） 应变片粘贴 trxhRpR2R1R4R3rt(a)(b)应变变化曲线的特点：当x=0时，rmax=tmax；当x=R时，t=0， r=2rmax。 特点的应用：一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片， 在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片，然后接成全桥测量电路。 避开位置。3/Rx 0r3/Rx 5. 应变式容器内液体重量传感器应变式容器内液体重量传感器感压膜感受上

18、面液体的压力。感压膜感受上面液体的压力。 当容器中溶液增多时，感压当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器膜感受的压力就增大。将其上两个传感器Rt的电桥接成正的电桥接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为向串接的双电桥电路，此时输出电压为 Uo=U1U2=(K1K2)hg 式中, K1，K2为传感器传输系数。AQgh120()KK QUA 结论：电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系，因此可以测量容器内储存的溶液重量。 图3-16 应变片容器内液体重量传感器 微压传感器电阻应变敏感元件传压杆感压膜hRLU1R2R4R0R1R3RtUoLRU22R1R4R0RtR3R6. 应变式加速度传感器应变式加速度传感器用于物体加速度的测量。用于物体加速度的测量。根据：根据：a=F/m。 32141等强度梁；2质量块；3壳体；4电阻应变敏感元体图3-17 电阻应变式加速度传感器结构图 测量原理：将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度a 运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用， 使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。 电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输