电阻应变片的结构及工作原理

1、电阻应变片的结构及工作原理图4-1-3电阻应变片1 醱感册：2引线：3粘结剂:4覆盖层* 5基底电阻应变片的结构如图4-1-3所示，其中， 敏感栅是应变片中把应变最转换成电阻变化最的 敏感部分，它是用金属丝或半导体材料制成的单丝 或栅状体。引线是从敏感栅引出电信号的丝状或带 状导线。(1) 粘结剂：是具有一定电绝缘性能的粘结 材料，用它将敏感栅固定在基底上。(2) 覆盖层：用來保护敏感栅而覆盖在上而的 绝缘层。(3) 基底：用以保护敬感栅，并固定引线的 儿何形状和相对位置。电阻应变片能将力学暈转变为电学暈是利用了金属导线的应变电阻效应。我 们知道，金属导线的电阻虑与其长度Z成正比，与其截而积4

2、成反比，即R = p-(4-1-3)A式中P是导线的电阻率。如果导线沿其轴线方向受力产生形变，则其电阻值也随之发生变化，这 物理现象 被称为金属导线的应变电阻效应。为了说明产生这一效应的原因，可将式(4-1-3) 取对数后进行微分得(4-1-4)dLdR _ dL dA dp 云_亍_2 p式中，乎为金屈导线长度的相对变化，用轴向应变睞表示，恥爭 警是截面积 的相对变化。a为金属导线的半径)，=2, 竺是金属导线半径的相对A r r变化，即径向应变&。导线轴向伸长的同时径向缩小，所以轴向应变占径向应变&有下 列关系：(4-1-5)“为金属材料的泊松比。根据实验，金属材料电阻率相

3、对变化与其体积的相对变化之间的关系为 = C, C为金属材料的一个常数，如铜丝*1。p ylljy = A-L我们可导出空与£、©之间的关系。V空=翌 +些=2£ + £ = 一2皿+£ =(1一2“)£V A L严严由此得岀=C=C(l-2/0P V代入式(4-1-4)得HR一 =C(l- 2“)£ + £ + 2“£ = (1 + 2“)+ C(l- 2“)* = Kse(4-1 -6)R&称为金屈丝灵敏系数，其物理意义是单位应变引起的电阻相对变化。由式(4-1-6) 可见E由两部分组成，前一

4、部分由金属丝的儿何尺寸变化引起，一般金属的“在0.3 左右，因此(1+2“)".6,后一部分为电阻率随应变而引起变化的部分，它除与金属丝 儿何尺寸有关外还与金屈本身的特性有关。恳对J 种金屈材料在一定应丈范【1；1内足 一常数，于是得出(4-1-7)为农示应变片的电阻变化与试件应变的关系，引入应变片的灵憑系数乙 定义为: 试件受到-维应力的作用时，如应变片的主轴线与应力方向一致，则应变片的电阻变化 率等和试件主应力方向的应变6(即乎)之比称为应变片的灵敬系数，即ARK = R(4-1-8)III F粘结剂传递形变的失真与应变片的横向变形等因素的影响,应变片的灵敏系数K 总是小于金屈丝

5、的灵敏系数总。K值由生产厂家给出。山式(4-1-8)看出，应变片的嬪感栅受力后使其电阻发生变化。将其粘贴在试件 上，利用应变电阻效应便能把试件表面的应变匮1工接变换为电阻的相对变化暈，电 阻应变片就是利用这一原理制成的传感元件。非平衡电桥测量质量与电流、电压的关系将电阻应变片粘贴在试件的表而，应变片的两端接入测量电路(电桥)。随着试件 受力变形，应变片的电阻丝也获得相应的形变使电阻值发生变化。由应变片的匸作原理 可知，当应变沿应变片的主轴方向时，应变片的电阻变化率竺和试件(本实验为悬臂 R梁)的主应变心成正比，即A/? _ AZ/k R L(4-1-1)RIIIK RK式中K为应变片的灵敏系数

6、（此值由应变片厂家给出）；虑是未加力时应变片阻值的初 始值；AA是加力变形后应变片的电阻变化。所以只要测出应变片阻值的相对变化，便可得出被测试件的应变。本实验用平衡电 桥测最应变片电阻的相对变化。实验装置及测暈线路如图4-1-1和图4-1-2所示，将被 测试件一端夹持在稳固的基座上，其主体悬空，构成一悬痔梁。在悬肾梁固定端A处 贴一应变片，在悬再梁变形端B处贴一同型号同规格的应变片，在C端挂一舷码托盘 以备加载。将A处的应变片作为温度补偿片B处的应变片凡作为传感兀件测暈应 变，用电阻箱R2、R.和微调电阻箱&以及尺、凡组成电桥，作为微小形变测暈电路。图4-1-2微小形变测就电路图4-1

7、-1悬臂梁示意图当C处加载时，悬臂梁将向下弯曲，B处产生变形，贴在B处的应变片亦发生变 形，其电阻值发生变化，此电阻值的变化可通过电桥测最出來，从I何可测定恳臂梁B 处的形变。应变片由金属电阻丝制成，当其内部通电流或环境温度变化时，均能引起电阻丝 的阻值变化。温度引起的阻值变化与应变引起的阻值变化同时存在，从而导致测屋谋差。 测量中怎样才能使温度引起的阻值变化对测屋系统无影响？ A处的应变片凡是作为温 度补偿用的，称为补偿片。它与应变片凡的结构和参数相同，而且贴在同悬臂梁上, 保证了两个应变片的内部条件和外部环境一致。不同的是应变片&随悬臂梁的变形而 变形，而补偿片R、则不受悬臂梁形变

8、的影响，只是当温度变化引起应变片凡的阻值变 化时，补偿片凡亦有同样变化。而凡与凡乂分别处J：电桥的两个相邻臂上（电桥平衡 后，几与鸟流过的电流相同），如图4-1-2,当电桥平衡时冇 =-=星一& 1（&+&）A +A7?1 _ R2R +A7? l R+RXso在同一温度变化条件下，&有一增暈丛，则凡亦有一相同增量朋，则电桥仍然是平衡的，即测量过程中因温度变化而引起应变片的阻值变化对测最（电桥的平衡状态）没冇影响，此时电阻箱（&+&）的读数反映 的只是应变引起的阻值变化，所以达到了温度补偿的目的。任用电桥测电阻时，电桥系统的灵敏程度反映了测量的将

9、确程度，所以引入电桥 灵敏度的概念，其定义为(4-1-2)它农尔电桥平衡后，Mx所引起的&Z越大，电桥灵敏度S越髙，所得平衡点越精确， 测量误差越小。电桥灵敏度不仅与检流计有关，还与所加电压及各桥痔电阻值的大小和 配置有关，检流计的灵玻度越高，电源电压越大，电桥的灵敏度越高。但测暈时并非灵 墩皮越岛越好，血应选择介适的电桥灵姒度，即当电桥平衡后，改变电阻箱的最小步进 值，使检流计有小于-格的明显偏转。116#3集成运算放大器大学課件道客巴巴 Microsoft Iriternet Explorer匚因文件（E）徧辑Q）«£）工具（D 带助®: 0®

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13、ECHNICAL UNIVERSITYXI>MPRCHINA欽亠严二. 岳戶2 宓>.胛ACJ R M誌訐二4&tj -h国卩£靜_百. G Nx2 一陆启君A検凰盏ST AAfS vvo Q 3 5 9M、 - HP±v.亲亠冰.苓，氏M. NV V 芯 zs 一 7 WIG 21肖字】需洋芦 wz Q E p b養空 .- 冊潼背r - < 一忸葩涉yr一上，£3/80/1103o1192.闭环放大倍数Aif人八-訝7h+瓷+制3闭环输入电阻RldRR" R"rrfc 心4 .输出电F且RofCOZ/WLEZRiR

14、of = 一1 +人朋+静"AVI*式中"二衬氓为反馈系数，其它符号同贰。5 反相放大器牯点 输入电压与输入电压反相，所以叫反相放大器； 闭环放大倍数既可大于1,也可小于1,因此也称其为比例放大器; 输入阻抗较小，适于大信号和小输出电阻传感器的信号放大。2.2.3电压跟随器1电路知因5-2-14所示，当Ri为无穷大或尺2 = 0时枸成电压跟随容电路o2 闭环放大倍敦Kj = 13输入阻抗RifRif = R“（l + Avd）4 输出电阻RoR" - 1 + Avi）5 特点.广怙啼I因此大多数情况下，用此来作总牆曲鶯黑不同®E詈"时为反馈系数

15、如果心沁则Ki3同相放大器输入电阻RifR,f = Rn)( 1 + A"©) + Rs RR(5-2-3)R/f?为运放输入电阻，Rs为平衡电阻，要求Rs=乩+ R/以减小失调电流的影响。4同相放大器输岀电阻R町Ro为运放的输出电阻（通常约100。左右）。5 同相放大器特点 输出电压与输入电压同相，所以叫同相放大器； 闭环放大倍数不能小于1（只能放大、不能缩小）; 输入阻抗很高； 输出阻抗很低。因此，同相放大器广泛应用丁输出电阻较大的传感器信号放大，但闭环放大倍数一般不超过100倍。厂111反相放大器鳩入电爾坏放端入阻“电®图5-2-15反相放大器用理图'

16、;戦电阴1电路*图5-215所示,瓦城为平衡电阻。图5-2J3 AD293用于热电偶何号放大WjOOkQ 2 49W1、g INHITRIM工作端冷端 10kg% INLOTRIM為片氽的分接汎见图5212I M234:驚驚卜琴礎:豐急鸞蠶諡豐鑒结果加上挣端的温度，即 敏器件，在温度不变的情况下，流过其中的电流与爲;管J；晋3；是-种恒流热 値叽在or时,电流为293“,温度升叫箴;薦料;电鬻篇 豔版咙讣大'叫5电鑑囂鶴韻犧 爲豐蠶:册就；際駕專:瞌當茫当. ；可使在山电阻上的电压为曲心心不磴駕話蠶I 心3X叢為爲牆、蠶嚮臨只不过沁为军用品.2.2直流放大器22.1同相放大器1电路困知

17、田5-2-14所示。 779 2.间环放大倍數、知=(1 +訓"冲为运放的开环放大倍数，通常大于105兵中d。为氐始间隙,为变化卅，代入式(5-1.5)得： L；o =孕=号竝式(5亠6)表明电桥电路将原来非蟲变;的传;:(5亠6)是电桥的一个遗要持性宀实上，差动电容传感器拧;和q转换成线性关系这如耕感器定差动电感式(5-1.6)也成立不过箋仁蔦豐桥将变成线性输出关系。住工程实际应用中,交流电桥大多数釆用图舊:器響值要很大。图5-1-3变压器电桥原理图旺庭本原理一样，这种电桥叫变压器电桥，广泛应用 蠢二同之处，是采用了变压器，中.H；持性更优网抗电桥。由于交流电桥输出2交流爲电議豐电

18、容的转换电路之流放碍然后用相敏检波电路变换成随被测址大小爲議篇雷大多数采用交 779 (51-2)F 旳也一 uo = t * 717-式（”2）表明单毗桥输出为非线性非线性误助L"毎箸询叭3.直流差动电侨和全桥威用如应变后为R-AR，R3和如果图中心感受正醫需：vx；鷺鬻焉爲表达式为 戍用固定电阻心则这种电桥叫差动电桥'代入式丁心4、Uo 二才 R 面总黑器曲芦恣瞌蠶益竈爲 电桥的第三个优点是可以起到启度补偿作孔甜-曲时仝柝输出山全桥是在差动电桥的基础上组成的，如图5亠2所不。此时，全桥输" 一.Uo=E.f（心可见灵敏度又提高-倍同样无非线性曲，也可起到温度补偿

19、作用因此'全桥电 路广泛应用于应变式、压阻式等各种电阻类传感器中作R/V转换电路。R+4RR_辿1=1QR A/JR"R114°1J1厂-Il图5-1-2丸流全桥眾理图1.2交流电桥如果将图5-1-1中的K流电淤换成交流电漁左则此时的电桥便成为交流阻抗电桥 四个桥晋上的元件衣现为交流阻忧Z】、Z2、Z3和乙，其输出为*(5-1-5)ZZ) Z2Z4 (Z1 十 Z2)(n + zjt同样当ZIZ3 = Z2Z4o = O.这便是交流电桥的平衡条件°例如乙和Z2选按差动式位移电容传超器C）和C2电桥电路电桥是_种能将电阻、电容、电感.變、准确度和稳定性，是传

20、感器凝电中:舊：¥：；：豎电路，它具有较离的"1.1直流电桥'1.直流电桥组成及平筒条件如图53所示,E为直流电源,出&为直流电阻,其输出表达式£5 =芮工如果EHO, RxR3 = &心时，5 = 0,则此时 的电桥叫平衡电桥，也就是说只要满足&R：二 /?2&,输出Uo必然为零，反之亦然，因此，我们将 RiR3= R24称为电桥的平衡条件。利用这一关 系，我们可以很方便地为传感器设论零点，例如& 为热电阻，我们可以调整其余任意一个电阻使其在 0V时,5 = 0。 f芒先防3 - R_ r2）（R3 + 心）E图5

21、-1-1点流电桥原理图2.直流单符电桥如图51 一 1,英中一个电阻为传感器，其余三个 划吃定电阻，我们将此电桥叫单普电桥，现假定&为应变片，则输出表达式仍为式 （51-1）,在心不感受应变时，可调整某个固定电阻使其输出为芈（必然满足心心= R火）。在此基础上，如果心 在应变作用下变为& +塚,则电桥输出为U二g +甲）心_尺2心 Q&. &住0 （乩 + 心）（心 + RJ - （R| + ARt + &）（Rj + 心）（1+箸+訓“知经计隽证明当RR2t R3=Ra时，电桥灵敏度最大,此时,、RJR 777 、80、二 oz阳5ll立淹电柝阪理图，

22、鹉+訓1请)E经汁"证明当R、= R2f R3=R.时电桥灵敏度赠大此时,屯祈殳一忡芟将电阻、电容、电痔互感"扭人I确度租稳定性爰传"转換电耐:警电轨它具粗柚灵1.1直流电桥I 直泯电桥俎成及半街条件如图5亠叶，E为直流电源.R,R.为血电阻,其输出表达式为如人e才°RR)=心心时.5=o,则此时 的电桥叫V衡电桥.也败是说只要溝足RiR二 R?R“输岀Uo必然为零，反之亦然，因此，我们将 R】R严心心冷为电桥的平術条件.利用这一关 系，我们可以很方便地为传想器设化零点，例如R 为热电肚找们可以调总其余任总一个电缶使其2 or 时，mo。2 直发单僧电桥如田51-1,其中.个电阻为传感器，其余三个 誉豊腭聖桥叫单臂电桥'现假定心为应变片，則的表达式仍为式 ；)" Rl小感乂应变时町凋