传感器原理及应用-第2章editbyLibraChow2017

1、传感器原理及应用传感器原理及应用 第二章 电阻式传感器 2.1 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器2.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用熟悉熟悉不同电阻式传感器的结构特征、基本组成；不同电阻式传感器的结构特征、基本组成；掌握掌握电阻式传感器测量应变的基本原理；电阻式传感器测量应变的基本原理；掌握掌握电阻式应变片传感器测量电路和分析方法；电阻式应变片传感器测量电路和分析方法；熟悉熟悉不同形式传感器的应用和正确使用方法。不同形式传感器的应用和正确使用方法。 本章要求本章要求 第二章 应变式传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用基本原理：将被测量的变化转换成传感

2、元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。概概 述述传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用机器人原理：电机原理：电机-转角转角-电位器电位器-电阻电阻传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用电阻式传感器的类别与特性电阻式传感器的类别与特性概概 述述传感器原理及应用传感器原理及应用电阻应变效应：电阻应变效应：因导体材料变

3、形而使阻值发生变化的现象。 2.1.1 应变片的工作原理2.1 应变式传感器的工作原理应变：应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象。 弹性应变：弹性应变：当外力去除后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状的应变。 传感器原理及应用传感器原理及应用2.1.1 应变片的工作原理传感器原理及应用传感器原理及应用llrrFF 设一根长为设一根长为l，截面积为，截面积为S，电阻率为，电阻率为的的电阻丝，其电阻值电阻丝，其电阻值R为：为：lRSldlSdSd导线两端受到力导线两端受到力F作用时作用时2.1.1 应变片的工作原理传感器原理及应用传感器原理及应用dRddldSRlS2dSdrSr将上式取全

4、微分，则引起电阻值变化将上式取全微分，则引起电阻值变化dR：2Sr因因2lldRddldSSSS电阻值的相对变化：电阻值的相对变化：在弹性范围在弹性范围内金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则内金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为：轴向应变和径向应变的关系为： 金属的径向应变金属的轴向应变令yxrdrldl/ / 2.1.1 应变片的工作原理( )-Poisson ratioyx传感器原理及应用传感器原理及应用(12 )(12 )xdRddldRl dRddldSRlS k0受受2个因素影响：个因素影响：（1）受力后材料的几何尺寸变化所引起的；即）受力后材料

5、的几何尺寸变化所引起的；即（2）受力后材料的电阻率发生变化引起的；即）受力后材料的电阻率发生变化引起的；即(12 )xdp项项项项定义：定义：k0为金属丝的灵敏系数为金属丝的灵敏系数0/(1 2 )/xdRdkR2.1.1 应变片的工作原理传感器原理及应用传感器原理及应用根据应力根据应力和应变和应变的关系的关系: 应力应力=E， 应变应变dR dR金属丝的应变效应金属丝的应变效应ll+ dl2r2(r-dr)FFxxdRdRk/)21 (/0确定的确定的金属金属材料，材料，(1+2)项是常数，其数值约在项是常数，其数值约在12之之间，实验证明间，实验证明d/x 也是常也是常数。数。 / 00

6、xxRdRkkRdR，金属的电阻相对变化与应金属的电阻相对变化与应变成正比关系。变成正比关系。2.1.1 应变片的工作原理传感器原理及应用传感器原理及应用 如果将100电阻应变片贴在弹性试件上，若试件受力横截面积S=0.510-4m2，弹性模量E=21011N/m2，若有F=5104N的拉力引起应变电阻变化为1。试求该应变片的灵敏度系数？2.1.1 应变片的工作原理传感器原理及应用传感器原理及应用1. 1. 金属应变片结构金属应变片结构2.2 应变式传感器的结构类型及特性2.2.1 金属应变片结构和种类1.敏感栅；敏感栅；2.盖层；盖层；3.引线；引线；4.基底基底传感器原理及应用传感器原理及

7、应用传感器原理及应用传感器原理及应用1）敏感栅材料）敏感栅材料 对敏感栅材料的要求：应变灵敏系数大应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；电阻率高而稳定电阻率高而稳定，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；易于焊接易于焊接，对引线材料的热电势小。传感器原理及应用传感器原理及应用材料名称化学成分%电阻率/(mm/m)电阻温度系数/（10-6/）灵敏系数Ks线膨胀系数/（10-6/）最高使用温度/康铜Cu55Ni4

8、50.450.52202.015250(静态)400(动态)镍铬合金Ni80Cr201.01.11101302.12.314450(静态)800(动态)卡玛合金6J22Ni74,Cr20Al3,Fe31.241.42202.42.613.3450(静态)800(动态)伊文合金6J23Ni75,Cr20Al3,Cu21.241.42202.42.613.3450(静态)800(动态)铁铬铝合金Fe余量Cr26,Al5.41.31.530402.614550(静态)1000(动态)铂钨合金Pt90.591.5W8.59.50.740.761391923.03.29800(静态)1000(动态)铂P

9、t0.090.1139004.69800(静态)1000(动态)铂铱合金Pt80,Ir200.35901.013800(静态)1000(动态)传感器原理及应用传感器原理及应用 基底基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置,并使敏感栅与测试件绝缘 ； 盖片盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。 对基底和盖片材料的要求是：抗潮湿，绝缘性能好，线膨胀系数小且稳定，易于粘贴等。 基底材料有纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚度约0.030.05mm。2）基底和盖片）基底和盖片传感器原理及应用传感器原理及应用3）粘合剂材料）粘合剂材料 用于将敏感栅固定于基底

10、上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。 常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、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、硼酸盐等。传感器原理及应用传感器原理及应用类型主要成分牌号适于黏合的基底材料最低固化条件固化压力/104Pa使用温度/硝化纤维素黏合剂硝化纤维素溶剂万能胶纸室温10小时或602小时0.515080氰基丙烯酸黏合剂氰基丙烯酸酯501，502纸、胶膜、玻璃纤维布室温1小时粘合时指压

11、10080聚酯树脂黏合剂不饱和聚酯树脂、过氧化环已酮、萘酸钴干料胶膜、玻璃纤维布室温24小时0.30.550150环氧树脂类黏合剂环氧树脂、聚硫酚铜胺、固化剂914胶膜、玻璃纤维布室温2.5小时粘合时指压6080酚醛环氧、无机填料、固化剂509胶膜、玻璃纤维布2002小时粘合时指压100250环氧树脂、酚醛、甲苯二酚、石棉粉等J06-2胶膜、玻璃纤维布1503小时2196250酚醛树脂类黏合剂酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛JSF-2胶膜、玻璃纤维布1501小时1260150酚醛树脂、聚乙烯醇缩甲乙醛1720胶膜、玻璃纤维布1903小时60100酚醛树脂、有机硅J-12胶膜、玻璃纤维布2003小时60

12、350聚酰亚胺黏合剂聚酰亚胺30-14胶膜、玻璃纤维布2802小时13150250磷酸盐黏合剂磷酸二氢铝无机填料GJ-14LN-3金属薄片、临时基底4001小时550P1064003小时700氧化物喷涂二氧化二铝金属薄片、临时基底800传感器原理及应用传感器原理及应用4）引线材料）引线材料 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、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。传感器原理及应用传感器原理及应用按敏感材料 金属式 体型 丝式(纸基、胶基) 箔式 薄膜型 半导体式 体型 薄膜型 扩散型 PN结及其他形式2. 2. 应变片的分类应变片

13、的分类传感器原理及应用传感器原理及应用按基底材料分 纸基 胶基 浸胶基 金属基 临时基按安装方式分粘贴式非粘贴式(张丝式)焊接式喷涂式2. 2. 应变片的分类应变片的分类传感器原理及应用传感器原理及应用按工作温度分 常温(-30-60) 中温(60-300) 高温(300) 超低温(-30)按用途分一般用途特殊用途(水下、抗磁感应、裂缝扩展等)2. 2. 应变片的分类应变片的分类传感器原理及应用传感器原理及应用1）、金属丝式应变片）、金属丝式应变片 金属电阻丝（合金，电阻率高，直径约金属电阻丝（合金，电阻率高，直径约0.02mm）粘贴）粘贴在绝缘基片上，上面覆盖一层薄膜，变成一个整体。在绝缘基

14、片上，上面覆盖一层薄膜，变成一个整体。 几种典型的金属应变片几种典型的金属应变片 优点：优点：使用最早，具有制造简单、性能稳定、价格便宜、易于粘使用最早，具有制造简单、性能稳定、价格便宜、易于粘贴等优点贴等优点,多用于应变、应力的大批量、一次性试验。多用于应变、应力的大批量、一次性试验。 缺点：缺点：蠕变较大，金属丝易脱胶，横向效应较大。蠕变较大，金属丝易脱胶，横向效应较大。(a)(b)(c)传感器原理及应用传感器原理及应用利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，箔的材料多为电阻率高、热稳定性号的铜镍合金。厚度一般在0.0030.010 mm，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。优点优

15、点：表面积和截面积之比大，散热条件好；允许通过的电流较大；在长时间测量时的蠕变较小；一致性较好；可制成各种需要的形状，便于批量生产。2 2）、金属箔式应变片）、金属箔式应变片传感器原理及应用传感器原理及应用采用采用真空溅射真空溅射或者或者真真空沉积空沉积等镀膜技术制成，在等镀膜技术制成，在薄的基底材料上制成一层金薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变属电阻材料薄膜以形成应变片，厚度在片，厚度在0.1m以下。以下。特点：特点：蠕变和滞后较小；灵蠕变和滞后较小；灵敏度系数较高；电流密度大；敏度系数较高；电流密度大；工作温度范围较广。工作温度范围较广。 常用金属薄膜应变片常用金属薄膜应变片

16、3 3）、金属薄膜应变片）、金属薄膜应变片传感器原理及应用传感器原理及应用一、灵敏系数二、横向效应三、机械滞后、零漂及蠕变四、应变极限五、电阻值、绝缘电阻和最大工作电流六、动态特性七、温度误差2.2.2 电阻应变片的主要特性传感器原理及应用传感器原理及应用应变片敏感材料应变片敏感材料金属材料的电金属材料的电阻相对变化与应变之间具有线性关系，阻相对变化与应变之间具有线性关系，用灵敏度系数用灵敏度系数k0表示：表示： KRRRRK 定义：定义：K：应变片的灵敏系数。应变片的灵敏系数。 一、灵敏系数一、灵敏系数但材料做成应变片后的电阻但材料做成应变片后的电阻- -应应变特性与变特性与敏感材料敏感材料

17、本身的不同本身的不同。xxdRdRk/)21 (/0实验表明，实验表明，应变片的电阻相对变应变片的电阻相对变化与应变化与应变在很宽的范围内均为线性关在很宽的范围内均为线性关系系：灵敏系数灵敏系数K表示安装在表示安装在被测试件上的应变片在其被测试件上的应变片在其轴向受到单向应力时，引轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化与其单起的电阻相对变化与其单向应力引起的试件表面轴向应力引起的试件表面轴向应变之比。向应变之比。2.2.2 电阻应变片的主要特性传感器原理及应用传感器原理及应用测量结果表明，测量结果表明，应变片的灵应变片的灵敏系数一般小于敏感材料的灵敏敏系数一般小于敏感材料的灵敏度系数。度系数。

18、RRK 一、灵敏系数主要影响因素：主要影响因素：敏感栅结构形状、成型工艺、敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能，特别是横向粘结剂和基底性能，特别是横向效应。效应。被测体应变片应变片标称灵敏系数：标称灵敏系数：通常采用从批量生产中每批通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件下，通过实测抽样，在规定条件下，通过实测来确定，应变片的灵敏系数称为来确定，应变片的灵敏系数称为标称灵敏系数标称灵敏系数。应变片的灵敏系数直接关系应变片的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。到应变测量的精度。2.2.2 电阻应变片的主要特性传感器原理及应用传感器原理及应用二、横向效应二、横向效应（transverse ef

19、fect） 将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变状将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变状态不同，态不同，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，因此灵，因此灵敏系数有所降低，这种现象称为应变片的敏系数有所降低，这种现象称为应变片的横向效应。横向效应。2.2.2 电阻应变片的主要特性传感器原理及应用传感器原理及应用若敏感栅有n根纵栅，半径为r，则可以定义横向效应系数Cyx-1=2( -1)KnrCKnlnr（）敏感栅越窄越窄，基长越长越长的应变片，横向效应越小。为了减小横向效应的影响，一般多采用箔式应变片。传感器原理及应用传感器原理及应用原因

20、原因（1 1）应变片在承受机械应）应变片在承受机械应变后的变后的残余变形残余变形，使敏感栅电阻，使敏感栅电阻发生少量发生少量不可逆变化不可逆变化；（2 2）在制造或粘贴应变片）在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的时，敏感栅受到的不适当的变形不适当的变形或粘结剂固化不充分或粘结剂固化不充分等。等。 1 1、机械滞后、机械滞后 应变片粘贴在被测试件上，应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合的现象。载特性不重合的现象。三、机械滞后、零漂及蠕变三、机械滞后、零漂及蠕变1机械应变机械应变R卸载卸载加载加载指指示示应应变变i还与应变片还与应变片所承受的应

21、变所承受的应变量量有关，加载时的应变愈大，有关，加载时的应变愈大，卸载时的滞后也愈大。卸载时的滞后也愈大。通常在实验之前通常在实验之前预先加、预先加、卸载卸载若干次，以减少因机械滞若干次，以减少因机械滞后误差。后误差。2.2.2 电阻应变片的主要特性传感器原理及应用传感器原理及应用 2 2、零点漂移、零点漂移 对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时不承受应变时，其电阻值，其电阻值随时间增加而变化的特性随时间增加而变化的特性。产生原因：产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂

22、固化不充分等。化不充分等。 3 3、蠕变、蠕变 在一定温度下，应变片在一定温度下，应变片承受恒定的机械应变承受恒定的机械应变时，电阻值随时间增时，电阻值随时间增加而变化的特性。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。加而变化的特性。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。胶层之间发生胶层之间发生“滑动滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。2.2.2 电阻应变片的主要特性传感器原理及应用传感器原理及应用应变极限：应变极限：在一定温度下，应变片在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围变的相对误差不超过规定范围（一

23、般为（一般为10%）时的）时的最大真实最大真实应变值应变值。真实应变真实应变j指示应变指示应变i100%90%四、应变极限四、应变极限真实应变：真实应变：因工作温度变化或承受因工作温度变化或承受机械载荷，在被测试件内产生机械载荷，在被测试件内产生应力时所引起的表面应变。应力时所引起的表面应变。2.2.2 电阻应变片的主要特性传感器原理及应用传感器原理及应用 1、电阻值、电阻值 是指应变片没有粘贴且未受应变时，在室温下测定的电阻值，是指应变片没有粘贴且未受应变时，在室温下测定的电阻值，即即初始电阻值初始电阻值。五、电阻值、绝缘电阻和最大工作电流五、电阻值、绝缘电阻和最大工作电流 2、绝缘电阻、绝

24、缘电阻 指已粘贴的应变片指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的的引线与被测件之间的电阻值电阻值Rm。通常要求。通常要求Rm在在50100M以上以上。2.2.2 电阻应变片的主要特性传感器原理及应用传感器原理及应用 2、绝缘电阻、绝缘电阻 绝缘电阻绝缘电阻过低过低,会造成应变片与试件之间漏电而产生测量误差会造成应变片与试件之间漏电而产生测量误差，使测量系统的灵敏度降低。使测量系统的灵敏度降低。 Rm取决于取决于粘结剂及基底材料的种类及固化工艺粘结剂及基底材料的种类及固化工艺。在常温使用。在常温使用条件下要采取必要的防潮措施；在中温或高温条件下要选取绝缘性条件下要采取必要的防潮措施；在中温或高温条件

25、下要选取绝缘性好的粘结剂和基底材料。好的粘结剂和基底材料。 3、最大工作电流、最大工作电流 应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流Imax。 工作电流的选取要根据试件的导热性能及敏感栅形状和尺寸来工作电流的选取要根据试件的导热性能及敏感栅形状和尺寸来决定。通常决定。通常静态测量时取静态测量时取25mA左右；左右；动态测量时可取动态测量时可取75100mA。测量材料散热好，可取大一些；导热性差，可取小一些。测量材料散热好，可取大一些；导热性差，可取小一些。2.2.2 电阻应变片的主要特性传感器原理及应用传感器原理及应用六、动态特性六、动态

26、特性 1 1、正弦应变信号的响应特性、正弦应变信号的响应特性被测应变值随时间变化的频率被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片动态特性。很高时，需考虑应变片动态特性。应变片基底和粘贴胶层很薄，应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很构件的应变波传到应变片的时间很短，短，故只需考虑应变沿应变片轴向故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应传播时的动态响应。 设一频率为设一频率为f 的正弦应变波在的正弦应变波在构件中以速度构件中以速度v 沿应变片栅长沿应变片栅长l0方向方向传播，应变片中点、两端点的坐标传播，应变片中点、两端点的坐标是是xt 、x1和和x2 。在某一瞬时。在某

27、一瞬时t，应变，应变量沿构件分布为量沿构件分布为 xtx2sinsin00 xttttx2sin0应变片中点的应变为应变片中点的应变为2.2.2 电阻应变片的主要特性传感器原理及应用传感器原理及应用六、动态特性六、动态特性 1 1、正弦应变信号的响应特性、正弦应变信号的响应特性应变片测得的应变为栅长应变片测得的应变为栅长l0范范围内的平均应变围内的平均应变m，而不是，而不是xt点的点的应变。应变。m数值等于数值等于l0范围内应变波范围内应变波曲线下的面积除以曲线下的面积除以l0 ，即，即xtt00000sin2sin2sin12020llxxdxltxxmltlt sin1lltmt2.2.2

28、 电阻应变片的主要特性传感器原理及应用传感器原理及应用相对误差相对误差的大小只决定于的大小只决定于l0/ /的比值，的比值，l0/ /为为1/101/10和和1/201/20时时的数值为的数值为应变片栅长与正弦应变波的波应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈小，相对误差长之比愈小，相对误差愈小。愈小。l0/ 给定给定级数展开计算出应变级数展开计算出应变片可测动态应变的最高频率。片可测动态应变的最高频率。 sin1ll六、动态特性六、动态特性 1 1、正弦应变信号的响应特性、正弦应变信号的响应特性20200)(61)(61|1vflll ，|6maxl|60maxlvf最高频率：最高频率：最大栅长：

29、最大栅长：2.2.2 电阻应变片的主要特性传感器原理及应用传感器原理及应用六、动态特性六、动态特性 2 2、阶跃应变信号的响应特性、阶跃应变信号的响应特性应变片在测量频率较高的动态应变应变片在测量频率较高的动态应变时，应变波在材料中传播速度与声波相时，应变波在材料中传播速度与声波相同。当应变波在纵栅长度方向上传播时，同。当应变波在纵栅长度方向上传播时，只有在应变波通过敏感栅全部长度后，只有在应变波通过敏感栅全部长度后，应变片所反映的波形经过一定时间的延应变片所反映的波形经过一定时间的延迟，才能达到最大值。迟，才能达到最大值。vltk08 . 0上升时间上升时间tk（应变输出从（应变输出从10%

30、上升到上升到90%的最大值所需时间）可表示为的最大值所需时间）可表示为 阶跃应变：阶跃应变：理论响应：理论响应：实际响应：实际响应：若取若取l0=20mm，v=5000m/s，则则tk=3.210-6 s。 2.2.2 电阻应变片的主要特性传感器原理及应用传感器原理及应用 环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，产生很大的测量误差，称为有相同的数量级，产生很大的测量误差，称为温度误差温度误差，又称又称热输出热输出。环境温度改变而引起电阻变化的环境温度改变而引起电阻变化的2个主要因素：个主要因素：（1）应变片

31、的敏感栅具有一定温度系数；）应变片的敏感栅具有一定温度系数；（2）应变片材料与测试材料的线膨胀系数不同。）应变片材料与测试材料的线膨胀系数不同。 设环境温度变化为设环境温度变化为t（）时，应变片敏感栅材料的电）时，应变片敏感栅材料的电阻温度系数为阻温度系数为t，则应变片产生的电阻相对变化为，则应变片产生的电阻相对变化为tRRt 1七、温度误差及其补偿七、温度误差及其补偿1.1.温度误差原因温度误差原因传感器原理及应用传感器原理及应用敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当，当t存在时存在时引起应变片的附加应变，相应的电阻相对变化为引起应变片的附加

32、应变，相应的电阻相对变化为K应变片灵敏系数应变片灵敏系数; e试件材料线膨胀系数；试件材料线膨胀系数；g敏感栅材料线膨胀系数。敏感栅材料线膨胀系数。tKRRge 2温度变化温度变化t形成的总电阻相对变化形成的总电阻相对变化tKtRRRRRRgett21ttKKRRgettt 相应的虚假应变为相应的虚假应变为2.2.2 电阻应变片的主要特性传感器原理及应用传感器原理及应用2.2.温度误差补偿方法温度误差补偿方法应变片补偿 单丝自补偿 双丝组合式自补偿线路补偿 双金属半桥片 电桥补偿 热敏电阻补偿传感器原理及应用传感器原理及应用当被测试件线膨胀系数当被测试件线膨胀系数e已知时，已知时，合理选择敏感

33、栅材料的电阻温度系数合理选择敏感栅材料的电阻温度系数t、灵敏系数灵敏系数K以及线膨胀系数以及线膨胀系数g，可在温，可在温度变化时均有度变化时均有Rt/R0=0，从而达到温度，从而达到温度自补偿的目的。自补偿的目的。优点：优点：结构简单，制造和使结构简单，制造和使用都比较方便用都比较方便。)(-0)(getgetKKtKtRRRRRRgett21 1）单丝自补偿应变片）单丝自补偿应变片若使应变片在温度变化若使应变片在温度变化t时的热输时的热输出值为零，必须使出值为零，必须使传感器原理及应用传感器原理及应用 它的应变片敏感栅丝是由它的应变片敏感栅丝是由两种不同温度系数（一正一负）的金属两种不同温度

34、系数（一正一负）的金属丝丝串接组成的。串接组成的。 通过实验与计算，调整通过实验与计算，调整R1和和R2的比例，使温度变化时产生的电阻的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足变化满足ttRR)()(21ttRRRRRR 1122212）双丝组合式自补偿应变片）双丝组合式自补偿应变片优点：优点：制造时可以调节两段敏感栅的丝长，以制造时可以调节两段敏感栅的丝长，以实现在一定温度范围内对某种材料的试件获实现在一定温度范围内对某种材料的试件获得较好的温度补偿效果。得较好的温度补偿效果。传感器原理及应用传感器原理及应用 两种串接的电阻丝两种串接的电阻丝具有相同符号的温度系数具有相同符号的温度系数，其结构及

35、电桥连接，其结构及电桥连接方式如图所示。方式如图所示。 适当调节适当调节 R1和和 R2的长度比和外接电阻的长度比和外接电阻 RB之值，使之满足条件：之值，使之满足条件： )/()()/(2211BttRRRRR2121)()(RRRRRttB3）双金属半桥片）双金属半桥片优点：优点：通过调节通过调节RB值，不仅可以使热补偿效果最优，而且适用值，不仅可以使热补偿效果最优，而且适用于不同线膨胀系数的被测试件。于不同线膨胀系数的被测试件。传感器原理及应用传感器原理及应用测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面,称为称为工作应变片工作应变片

36、R1 ；一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，；一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，称为称为补偿应变片补偿应变片R2。在工作过程中，补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。在工作过程中，补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。4）电桥补偿法）电桥补偿法传感器原理及应用传感器原理及应用当被测试件不承受应变时当被测试件不承受应变时，R1与与R2接入接入电桥相邻臂上，电桥相邻臂上，R1和和R2处于同一温度场，调整处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即电桥参数，可使电桥输出电压为零，即032410RRRRAU当温度升高或降低当温度升高或降低t时时，选择，选择R1=R2=R及及R3=R4=r，

37、若，若R1t=R2t，即两个应变片的热，即两个应变片的热输出相等，则电桥的输出电压为输出相等，则电桥的输出电压为0213224110ttttRRArRRRRRRAU传感器原理及应用传感器原理及应用当被测试件受应变作用时当被测试件受应变作用时，工作片，工作片R1感感受应变，阻值变化受应变，阻值变化R1；而补偿片；而补偿片R2不承受应不承受应变，阻值不变。这时电桥输出电压为变，阻值不变。这时电桥输出电压为ArRKRArRRRRRRRAUtt132241110 电桥输出电压电桥输出电压U0 ， 只与应变只与应变有关，与有关，与温度无关。温度无关。优点：优点：简单易行，可在较大温度范围内补偿。简单易行

38、，可在较大温度范围内补偿。缺点：缺点：条件不易满足；尤其在温度场梯度大的测试条件下很难条件不易满足；尤其在温度场梯度大的测试条件下很难处于相同温度点。处于相同温度点。传感器原理及应用传感器原理及应用根据被测试件承受应变的情况，有时也根据被测试件承受应变的情况，有时也可不另加专门的补偿块，补偿片直接贴在被可不另加专门的补偿块，补偿片直接贴在被测试件上。测试件上。这样既能起到温度补偿作用，又这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度。能提高输出的灵敏度。 梁受弯曲应变时，应变片梁受弯曲应变时，应变片R1和和R2的变形的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对方向相反，上面受拉，下面受压，应变

39、绝对值相等，符号相反，可使输出电压增加一倍。值相等，符号相反，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，两应变片阻值变化的符号相当温度变化时，两应变片阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。偿的目的。构件受弯曲应力构件受弯曲应力构件受单向应力构件受单向应力构件受单向应力时，工构件受单向应力时，工作片作片R2的轴线顺着应变的轴线顺着应变方向，补偿片方向，补偿片R1的轴线的轴线和应变方向垂直。和应变方向垂直。传感器原理及应用传感器原理及应用5）热敏电阻补偿法）热敏电阻补偿法传感器原理及应用传感器原理及应用2.2.3 电阻应变片的型号代码某一应

40、变片：某一应变片：BX120-3HA100(11)B：应变片类型，如箔式应变片类型，如箔式(B)、丝绕式、丝绕式(S)、短接式、短接式(D)、半导体式、半导体式(A)、特殊用途、特殊用途(T)等等X: 基底材料种类，如纸基底材料种类，如纸(Z)、环氧类、环氧类(H) 、聚酯类、聚酯类(J) 、聚氨酯、聚氨酯(X)、酚醛类、酚醛类(F) 、聚酰亚胺类、聚酰亚胺类(A) 、 玻璃纤维布浸胶玻璃纤维布浸胶(B) 、金属片类、金属片类(P) 、临时基类等、临时基类等(L)120: 标称电阻值，标称电阻值，60、120、350、5003：应变片栅长应变片栅长(mm)，如，如1、3、5、8、12、50和和

41、150mm等等HA：敏感栅结构形状，如单轴片敏感栅结构形状，如单轴片( AA)、45双联双联 ( HA) 、半桥、半桥 ( GB) 、全桥、全桥 ( FG) 、圆片、圆片( KA)100：极限工作温度极限工作温度()11：可进行温度自补偿的材料的线膨胀系数，单位为可进行温度自补偿的材料的线膨胀系数，单位为10-6/，如，如9(钛钛)、11(铜铜)、16(不锈钢不锈钢)、 23( 铝铝)、27(镁镁)等。等。BF120-6.35AA(27)传感器原理及应用传感器原理及应用应应变变电电桥桥双臂应变电桥双臂应变电桥单臂应变电桥单臂应变电桥全臂应变电桥全臂应变电桥直流电桥：直流电桥：R交流电桥交流电桥

42、: R、L、C不平衡桥式：不平衡桥式：偏差测量法（动态）偏差测量法（动态）平衡桥式：平衡桥式：零位测量法（静态）零位测量法（静态）半等臂电桥半等臂电桥全等臂电桥全等臂电桥工作方式工作方式桥臂关系桥臂关系电源电源负载负载工作臂工作臂电压输出桥：电压输出桥：功率输出桥：功率输出桥：U、I0,IRL2.3 电阻应变片的转换电路4321ZZZZ电源端对称电源端对称输出端对称输出端对称32,41ZZZZ43,21ZZZZ传感器原理及应用传感器原理及应用直流电桥的联接方式： R4R3传感器原理及应用传感器原理及应用一、直流电桥一、直流电桥 1 1、平衡条件、平衡条件当当RL时，电桥输出电压时，电桥输出电压

43、 4332110RRRRRREU当电桥平衡时，当电桥平衡时，U0=0，R1 R4 = R2 R3或或R1/R2 =R3/R42.3 电阻应变片的转换电路 若若R1由由应变片应变片替代，当电桥开路替代，当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为时，不平衡电桥输出的电压为ERRRRRRRRRRU)1)(1 (34121134110 433211110RRRRRRRREU传感器原理及应用传感器原理及应用2 2、电压灵敏度、电压灵敏度设桥臂比设桥臂比n=R2/R1，R1R1有有 电压电压灵敏度灵敏度KU正比于供桥电正比于供桥电压压，供电电压越高，灵敏度越高，但供电电压越高，灵敏度越高，但供电电压的提高受到应

44、变片允许功耗供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，要作适当选择的限制，要作适当选择。01120U1RRnnEU21101nnERRUKU1max0144UREKEUR，当供桥电压和电阻相对当供桥电压和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压变化一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各及其灵敏度也是定值，且与各桥臂阻值大小无关。桥臂阻值大小无关。 电压电压灵敏度是桥臂比灵敏度是桥臂比的函数的函数，恰当地选择桥臂比的，恰当地选择桥臂比的值，保证有高的电压灵敏度值，保证有高的电压灵敏度。2.3 电阻应变片的转换电路 在当供桥电压在当供桥电压E确定后，确定后，当当n=1即即R1= R2、R3= R

45、4时，时，电桥的灵敏度最高。电桥的灵敏度最高。传感器原理及应用传感器原理及应用（1）非线性误差）非线性误差 绝对非线性误差绝对非线性误差 实际的非线性特性曲线与理想的线性特性曲线的偏差。实际的非线性特性曲线与理想的线性特性曲线的偏差。 相对非线性误差相对非线性误差 绝对非线性误差与理想的线性特性曲线的比。绝对非线性误差与理想的线性特性曲线的比。3 3、非线性误差及补偿方法、非线性误差及补偿方法14141313001242411313(1)(1)(1)(1)RRRRRRRRUEUERRRRRRRRRR，2.3 电阻应变片的转换电路 传感器原理及应用传感器原理及应用4131124113000410

46、0312413122111111212211111()()1()() (1)11()()(1)(1)111111111LRRERRRRRRRRUUURRUUERRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR 实际输出电压实际输出电压U0与与R1/R1的关系的关系是非线性的，非是非线性的，非线性误差为线性误差为 ： 2.3 电阻应变片的转换电路 传感器原理及应用传感器原理及应用12311111111111112111(1)22211222LRRRRRRRRRRRRRR 若四等臂电桥，即若四等臂电桥，即 R1=R2=R3=R4则非线性误差为则非线性误差为1112111LRRRRRR传感器原理及应用

47、传感器原理及应用讨论：讨论：非线性误差是否能满足测量要求？非线性误差是否能满足测量要求？ 对于一般应变片来说，所受应变通常在510-3以下。（1）若取K=2, 则R1/R1=K=0.01, 代入上式计算得非线性误差为0.5%;（2）若K=130, =110-3时, R1/R1=0.130, 则得到非线性误差为6%。RKR1111212RRRRL 传感器原理及应用传感器原理及应用 提高桥臂比提高桥臂比桥臂比的提高可使非线性误桥臂比的提高可使非线性误差减小。但电桥电压灵敏度降低。差减小。但电桥电压灵敏度降低。为了不降低电压灵敏度，必须适为了不降低电压灵敏度，必须适当提高供桥电压。当提高供桥电压。（

48、2 2）减小或消除非线性误差的方法）减小或消除非线性误差的方法1112111LRRRRRR 采用差动电桥采用差动电桥半桥半桥为了减小和克服非线性误为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥。差，常采用差动电桥。 在试件在试件上安装两个工作应变片，一个上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变。受拉应变，一个受压应变。桥臂电阻桥臂电阻R1和和R2都由应变都由应变片替代，接入电桥相邻桥臂，片替代，接入电桥相邻桥臂，这种接法称为这种接法称为半桥差动电路半桥差动电路。2.3 电阻应变片的转换电路 21101nnERRUKU传感器原理及应用传感器原理及应用 采用差动电桥采用差动电桥半桥半桥43322

49、11110RRRRRRRRREU U0 与与R1/R1 成线性关系，成线性关系，半差动电桥无非线性误差；半差动电桥无非线性误差；电压灵敏度，比使用单只应电压灵敏度，比使用单只应变片提高了一倍。变片提高了一倍。当电桥开路时，不平衡电桥输当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为出的电压为 21110RREU432121RRRRRR温度补温度补偿作用偿作用2.3 电阻应变片的转换电路 传感器原理及应用传感器原理及应用 采用差动电桥采用差动电桥全桥全桥 电桥四臂接入四片应变片，即电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，两个受压应变。两个受拉应变，两个受压应变。两个应变符号相同的接入相对桥两个应变符号相同的

50、接入相对桥臂上，构成臂上，构成全桥差动电路全桥差动电路。若满若满足足R1=R2=R3=R4则输出电压为则输出电压为110RREU 全桥差动电桥也全桥差动电桥也无非线性误无非线性误差差；电压敏度是使用单只应变片；电压敏度是使用单只应变片的的4 4倍倍，比半桥差动提高了，比半桥差动提高了一倍一倍。温度补温度补偿作用偿作用2.3 电阻应变片的转换电路 传感器原理及应用传感器原理及应用 （1）相减特性：相减特性：相邻两桥相邻两桥 臂上应变片阻值的变臂上应变片阻值的变 化大小相等、符号一化大小相等、符号一 致时，或者相对两桥致时，或者相对两桥 臂上应变片阻值的变臂上应变片阻值的变 化大小相等、符号相化大

51、小相等、符号相 反时，对桥路的输出反时，对桥路的输出 电压没有影响。电压没有影响。小结：电桥的基本特性小结：电桥的基本特性传感器原理及应用传感器原理及应用（2）相加特性：相加特性：相邻两桥臂上应变片阻值的变化大相邻两桥臂上应变片阻值的变化大 小相等、小相等、 符号相反时，或者相对两桥臂上应变符号相反时，或者相对两桥臂上应变 片阻值的变化大小相等、符号相同时，桥路的片阻值的变化大小相等、符号相同时，桥路的 输出电压是半桥单臂的二倍，电桥的灵敏度是输出电压是半桥单臂的二倍，电桥的灵敏度是 半桥单臂的二倍。半桥单臂的二倍。 传感器原理及应用传感器原理及应用（3）倍增特性：倍增特性：相邻两桥臂上应变片

52、阻值的变化大相邻两桥臂上应变片阻值的变化大 小相等、小相等、符号相反时，同时相对两桥臂上应变片阻值的变化大小相等、符号相反时，同时相对两桥臂上应变片阻值的变化大小相等、符号相同时，桥路的输出电压是半桥单臂的四倍，电桥的灵敏符号相同时，桥路的输出电压是半桥单臂的四倍，电桥的灵敏度是半桥单臂的四倍。度是半桥单臂的四倍。 传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用采用差动结构的应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用例1.一应变片的电阻R=120，k=2.05，用作应变为800m/m的传感元件。（1）求R和R/R；（2）若电源电压U=3V，求初始平衡时惠斯登电桥的输出电压。

53、RRk361064. 11080005. 2kRR1968. 01201064. 13RmV23. 1V1023. 11064. 143433RRUUO解：（1）电阻应变片的灵敏度定义为（2）初始平衡时惠斯登电桥的输出电压为传感器原理及应用传感器原理及应用采用恒流源电桥采用恒流源电桥 产生非线性的原因之一是在工作产生非线性的原因之一是在工作过程中，由于产生过程中，由于产生R变化，使通过桥变化，使通过桥臂的电流不恒定，若用恒流源供电，臂的电流不恒定，若用恒流源供电，如图：如图： 供电电流为供电电流为I，通过各臂的电流为，通过各臂的电流为I1和和I2，R1=0时：时： 3411234RRIIRRR

54、R1221234RRIIRRRRR1+R1R2U0R3R4I1I2IIRRRRRRRRRIRIU43213241321102.3 电阻应变片的转换电路 传感器原理及应用传感器原理及应用 若电桥初始处于平衡状态，而且R1=R2=R3=R4=R，当第一臂电阻R1变为R+R时，电桥输出电压为： 0144 1 (/4 )R RRUIIRRRR 由此可见，分母中的R被 4R 除，与恒压源相比，非线性误差减小1/2。所以半导体应变电桥一般采用恒流源供电。IRRRRRRRRRIRIU4321324132110传感器原理及应用传感器原理及应用不平衡电桥在测量前，往往都要求电桥满足电桥平衡条件，即电桥输出为零。

55、由于受连接导线的电阻的影响，桥臂电阻（检测元件）在起始电阻下电桥并不平衡，因此一般还需设置零点平衡调整电路，以便在测量前，通过调整使电桥输出为零。对于直流电桥，采用电阻平衡调零。常用的电阻平衡调零电路有串联电阻平衡调零电路和并联电阻平衡调零电路两种。 4 4、不平衡电桥的调零、不平衡电桥的调零2.3 电阻应变片的转换电路 传感器原理及应用传感器原理及应用串联电阻平衡调零电路如图所示，它是在电桥两桥臂电阻之间接入一可调电阻R5，输出电压由可调电阻R5的滑动触点引出，通过调整R5使电桥输出为零。 可调电阻R5的电阻值可按下式确定：式中 r1桥臂电阻R1与R2的偏差； r3桥臂电阻R3与R4的偏差。

56、 35311m axRRrrR 传感器原理及应用传感器原理及应用并联电阻平衡调零电路如图所示，它是在电桥两对角之间接入一可调电阻R5，在另一角与R5的滑动触点之间接入一固定电阻R6，通过调整R5使电桥输出为零。 2.3 电阻应变片的转换电路 传感器原理及应用传感器原理及应用调零能力的大小取决于R6，R6越小，调零能力就越大，但R6太小会给测量带来较大的误差，因此只能在保证测量精确度的前提下，R6尽量选小一些。R6的值可按下式确定：式中，r1、r3的含义同上式。R5的阻值大小可取与R6相同。 163113maxRRrrRR2.3 电阻应变片的转换电路 传感器原理及应用传感器原理及应用交流电桥输出

57、电压为交流电桥输出电压为 43213241433211ZZZZZZZZZZZZZZUUSRSC桥路平衡条件为桥路平衡条件为 ZZ 43213241ZZZZZZ或二、交流电桥二、交流电桥 1 1、交流电桥平衡条件、交流电桥平衡条件 桥臂阻抗桥臂阻抗: Z= r+jx = zexp(j) 平衡条件平衡条件的另一种的另一种表示形式表示形式2.3 电阻应变片的转换电路 传感器原理及应用传感器原理及应用当当Z Z1 1=Z=Z2 2=Z=Z3 3=Z=Z4 4时，不同电桥输出：时，不同电桥输出：1141ZZUUSRSC 半桥差动电路半桥差动电路 1121ZZUUSRSC 全桥差动电路全桥差动电路 11Z

58、ZUUSRSC2 2、交流电桥的不平衡状态、交流电桥的不平衡状态 交流电桥交流电桥USRZ2Z4Z1Z3USC 单臂交流电桥单臂交流电桥 2.3 电阻应变片的转换电路 传感器原理及应用传感器原理及应用引线产生的分布电容的容抗、电源引线产生的分布电容的容抗、电源频率及应变片的性能差异，交流电桥的频率及应变片的性能差异，交流电桥的初始平衡条件和输出特性都受到严重影初始平衡条件和输出特性都受到严重影响，因此电桥要预调平衡。响，因此电桥要预调平衡。交流电桥的平衡可用交流电桥的平衡可用电阻调整和电阻调整和电容调整电容调整或或阻容调整阻容调整的方法。的方法。3 3、交流电桥的调平方法、交流电桥的调平方法

59、2.3 电阻应变片的转换电路 传感器原理及应用传感器原理及应用交流电桥在结构形式上与直流电桥相似，主要区别在于所采用的电源不同。由于交流电桥采用的是交流电源，各个桥臂表现为阻抗性质，输出也为交流。 对直流电桥的讨论，基本上都适用于交流电桥。在有关的各个式子中，只要将一些量适当更改即可。 电阻R更改为阻抗 电阻相对变化r更改为阻抗相对变化 输出电压Uo更改为 电源电压Us更改为ZrZ Z oUsU3 3交流电桥与直流电桥的异同交流电桥与直流电桥的异同3.2 电阻应变片的测量电路 传感器原理及应用传感器原理及应用在实际测量中，至于是采用直流电桥还是交流电桥，主要由检测元件的阻抗性质和使用环境条件来

60、决定。若检测元件为阻抗元件（即包含有电感、电容），则必须采用交流电桥；若检测元件为纯电阻元件，则既可采用直流电桥，也可采用交流电桥。 若采用直流电桥，电源为直流，桥路输出为直流信号，抗干扰性能较好，但必须采用直流放大器，电路较复杂；若采用交流电桥，电源为交流，桥路输出为交流信号，可采用交流放大器，电路较简单，但抗干扰性能较差。 3 3交流电桥与直流电桥的异同交流电桥与直流电桥的异同3.2 电阻应变片的测量电路 传感器原理及应用传感器原理及应用一、应变式传感器的特点一、应变式传感器的特点1 1、优点、优点2.4 应变式传感器的应用 应用和测量范围广应用和测量范围广精度和灵敏度高精度和灵敏度高频率