电阻应变应变片式传感器—传感器

1、第四第四章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 制作人制作人: : 2016.03.18 2016.03.18第四第四章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器电阻应变片电阻应变片第一节第一节基本测量电路基本测量电路电桥电路电桥电路第二节第二节电阻应变片传感器的应用电阻应变片传感器的应用第三节第三节学学 习习 要要 求求1 1、掌握电阻应变片的、掌握电阻应变片的工作原理工作原理2 2、掌握电阻应变式传感器的掌握电阻应变式传感器的温度补偿、零温度补偿、零点调整点调整的的方法方法3 3、熟悉不同种类熟悉不同种类电桥电桥检测电路检测电路的特点的特点4 4、熟悉电阻应变式传感器的典型熟悉电阻应变式传感器的

2、典型应用应用第一节第一节 电阻应变电阻应变片片1.1电阻应变片的电阻应变片的结构结构1.2电阻应变效应（重点）电阻应变效应（重点）1.3应变片分类应变片分类1.4电阻应变片的电阻应变片的选型（主要参数和选用方法）选型（主要参数和选用方法）1.5温度误差温度误差及其补偿及其补偿 电阻应变式传感器是将被测量的应力电阻应变式传感器是将被测量的应力（压力（压力、 荷重、扭力等）通过所产生的金属弹性形变转换成荷重、扭力等）通过所产生的金属弹性形变转换成 电阻变化的检测元电阻变化的检测元件件。 它由电阻应变片和测量线路两部分组成它由电阻应变片和测量线路两部分组成。目目前应用最广泛的电阻应变片有两种前应用最

3、广泛的电阻应变片有两种：电阻丝应变电阻丝应变片和半导体应变片片和半导体应变片。1.1 1.1 电阻应变片的组成结构电阻应变片的组成结构金属电阻金属电阻丝（敏感栅）丝（敏感栅）：转换原件，由高电阻率的金属丝制成：转换原件，由高电阻率的金属丝制成 直径为直径为0.010.010.05mm0.05mm，排列成栅网状，面积一般，排列成栅网状，面积一般3 310mm210mm2，阻值，阻值6060150150欧；欧；敏感栅常用下列材料制成：敏感栅常用下列材料制成：（1 1）康铜（铜镍合金）：最常用；）康铜（铜镍合金）：最常用；（2 2）镍 鉻镍 鉻 合 金合 金 ： 多多用于动态；用于动态；（3 3）镍

4、鉻铝合金：作中、高温应变片；）镍鉻铝合金：作中、高温应变片；（4 4）镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片；）镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片；（5 5）铂及铂合金：高温动态）铂及铂合金：高温动态应变测量应变测量. .基基 底底：将被测构件的应变不失真的传递到敏感栅上的中间介质将被测构件的应变不失真的传递到敏感栅上的中间介质, , 0.03 0.03 0.06mm0.06mm，绝缘要好、抗潮、耐热、随外界温度变化的变形小；，绝缘要好、抗潮、耐热、随外界温度变化的变形小；覆盖层覆盖层：粘贴在敏感栅上部的保护层；：粘贴在敏感栅上部的保护层；引出引出线线：与外电路连接的金属导线：与外电路连接的金属导

5、线, , 通常通常取直径约取直径约0.10.10.15mm0.15mm的低阻镀锡铜线的低阻镀锡铜线. .1.2应变电阻效应应变电阻效应（重点）（重点） 电阻丝的电阻随着它所承受的机械变形电阻丝的电阻随着它所承受的机械变形（伸长伸长或缩短）的大小发生变化或缩短）的大小发生变化的一种物理现象的一种物理现象称为称为金属金属的应变电阻效应的应变电阻效应。1.2.1 基本原理基本原理金属丝金属丝受拉时，受拉时，l 变长、变长、r （截面积截面积s）变变小，导致小，导致R变大变大llrrFF 设一根长为设一根长为l，截面积为，截面积为S，电阻系数为，电阻系数为的的电阻丝，其电阻值电阻丝，其电阻值R为：为：

6、lRSldlSdSd导线两端受到力导线两端受到力F作用时作用时dRddldSRlS2dSdrSr2Srdrdlrl dll将上式取对数再微分，则引起电阻值变化将上式取对数再微分，则引起电阻值变化dR：因因， 由由材料力学可知材料力学可知：（在弹性限度范围内）（在弹性限度范围内）式式中中泊泊松系数松系数(00.5之间之间)表示表示电阻丝轴向的相对电阻丝轴向的相对变化。变化。(1 2 )(1 2 )dRddldRl dRRK(1 2 )dKdRddldSRlS令令则则上式说明电阻丝受力发生应变时上式说明电阻丝受力发生应变时应变片电阻变化率由两个因素引起：应变片电阻变化率由两个因素引起：（1）受力后

7、材料的几何尺寸变化所引起的；即）受力后材料的几何尺寸变化所引起的；即 （2）电阻丝电阻丝材料材料的电阻率发生变化引起的；的电阻率发生变化引起的；即即(1 2 )项项dl/ldp/p项项1.31.3应变应变片分类：片分类： 金属丝式应变片金属丝式应变片使用最早，但由于金属丝式应变片蠕变较大，金使用最早，但由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验变、应力的大批量、一次性试验。 箔箔式应变片式应变片与与基底基底的的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间接触面积大得

8、多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，能将温度影响减小到最小的程度，测量时的蠕变较小，一致性较好，能将温度影响减小到最小的程度，适合于大批量生产。适合于大批量生产。 按应变片敏感栅按应变片敏感栅的材料分类的材料分类按应变片的工作温度分为：按应变片的工作温度分为：基底材料非粘贴式纸基安装方式应变片胶基浸胶基临时基粘贴式金属基焊接式喷涂式常温应变片（-3060 ）中温应变片（60300 ）高温应变片（300以上）低温应变片（低于-30）按应变片基底材料和安装方法分为按应变片基底材料和安装方法分为：各种金属应变片花各种金属应变片花1.4 电阻应变片的选型电阻应变片的选型 1.4.1

9、 应变片的主要特性参数应变片的主要特性参数： （1）应变片电阻值（未使用且不受力、室温）应变片电阻值（未使用且不受力、室温） （2）绝缘电阻（敏感栅与基底间的阻值）绝缘电阻（敏感栅与基底间的阻值） （3）敏感系数）敏感系数K （4）机械滞后）机械滞后 （5）允许电流（是指应变片不因电流产生的热量）允许电流（是指应变片不因电流产生的热量而影响测量准确度所允许通过的最大电流）而影响测量准确度所允许通过的最大电流） （6）线性度（一般要求在）线性度（一般要求在0.05%1%内内） （7）应变极限（）应变极限（衡量应变计测量范围和过载能力的指标） （8）零漂和蠕变零漂和蠕变（3）灵敏系数）灵敏系数 1

10、物理意义：物理意义：单位应变所引起的电阻相对变化量单位应变所引起的电阻相对变化量。 2电阻丝的应变灵敏度系数表达式电阻丝的应变灵敏度系数表达式:dRdRK210 xRRK3电阻电阻应变片应变片的灵敏度系数定义为：的灵敏度系数定义为：x为轴向应变。为轴向应变。其中其中 实验证明，实验证明，电阻丝电阻丝的应变灵敏度系数不等的应变灵敏度系数不等于于电阻丝应变片电阻丝应变片的应变灵敏度系数，即的应变灵敏度系数，即0KK。横向横向效应效应(transverse effect) 如如图，若将应变片粘贴在单向拉伸试件图，若将应变片粘贴在单向拉伸试件上，这时各直线段上的金属丝只感受沿上，这时各直线段上的金属丝

11、只感受沿其轴向拉应变其轴向拉应变x x，故其各微段电阻都，故其各微段电阻都将增加，但在圆弧段上，沿各微段轴向将增加，但在圆弧段上，沿各微段轴向( (即微段圆弧的切向即微段圆弧的切向) )的应变却并非是的应变却并非是x x。所产生的电阻变化与直线段上同。所产生的电阻变化与直线段上同长微段的不一样，在长微段的不一样，在=90=90的的微弧段处最为明显。由于单向位伸时，除了沿轴向微弧段处最为明显。由于单向位伸时，除了沿轴向( (水平方向水平方向) )产生产生拉应变外，按泊松关系同时在垂直方向上产生负的压应变拉应变外，按泊松关系同时在垂直方向上产生负的压应变y y（= =x x），因此该段上的电阻不仅

12、不增加，反而是减少的。），因此该段上的电阻不仅不增加，反而是减少的。 而而在圆弧的其他各微段上，其轴向感受的应变是由在圆弧的其他各微段上，其轴向感受的应变是由+ +x x变化变化到到- -y y的，的，因此圆弧段部分的电阻变化，显然将小于其同样长度沿轴向安因此圆弧段部分的电阻变化，显然将小于其同样长度沿轴向安放的金属丝的电阻变化放的金属丝的电阻变化。 由此可见由此可见，将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变，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，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，因此灵敏系数状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，因此灵敏系数有所降低，这种

13、现象称为应变片的有所降低，这种现象称为应变片的横向效应。横向效应。000(1)(1)2(1)xrnnRlRKKrnnl经推导得：经推导得：n直线部分栅丝的数目；直线部分栅丝的数目；n-1弯角部分的个数。弯角部分的个数。 可见可见 ，即应变片存在横向效应使应变片的灵敏即应变片存在横向效应使应变片的灵敏度系数度系数小于小于电阻丝的应变灵敏度系数电阻丝的应变灵敏度系数。0KK 半导体应变片是用半导体材料制成的半导体应变片是用半导体材料制成的, 其工作原理是基于半导体材其工作原理是基于半导体材料的料的压阻效应压阻效应。所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作。所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴

14、向受外力作用时用时,会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机构，会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机构， 其电阻率其电阻率发生变化的现象发生变化的现象。 半导体应变片受轴向力作用时半导体应变片受轴向力作用时, 其电阻相对变化其电阻相对变化为为dRdR)21 (4半导体半导体应变应变片的灵敏度系数片的灵敏度系数半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关：半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关：Ed式中：式中： 半导体材料的压阻系数半导体材料的压阻系数; 半导体材料的所受应变力半导体材料的所受应变力; E半导体材料的半导体材料的弹性模量弹性模量; 半导体

15、材料的应变。半导体材料的应变。因此：因此：)21 (ERdR 实验实验证明，在半导体材料中，证明，在半导体材料中，E比比1+2大上百倍，大上百倍，所以所以1+2可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为 ERdRK 半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高5080倍，倍， 但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使使它的应用范围受到一定的限制。它的应用范围受到一定的限制。 应变应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，

16、即为载特性与卸载特性不重合，即为。 1 1机械应变机械应变 R R卸载卸载加载加载指指示示应应变变 i i 主要原因：敏感栅基底和粘合剂主要原因：敏感栅基底和粘合剂在承受机械应变之后留下的残余变形在承受机械应变之后留下的残余变形所致所致。 通常通常在实验之前应将试件预先加、在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差生的实验误差。 指在一定的温度下，指示应变值与真实应变的相对差值不指在一定的温度下，指示应变值与真实应变的相对差值不超过规定值（一般为超过规定值（一般为10）时的最大真实应变值）时的最大真实应变值。也就是。也就是说，当指示应

17、变值大于真实应变值的说，当指示应变值大于真实应变值的10%时的真实应变值，时的真实应变值，即为应变片的应变极限即为应变片的应变极限j真实应变真实应变 g g指示应变指示应变 i i100%190%产生原因产生原因： 应变片在承受机械应变后的残余应变片在承受机械应变后的残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；变化； 在制造或粘贴应变片时，敏感栅在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的不适当的变形或粘结剂固化不受到的不适当的变形或粘结剂固化不充分等。充分等。 对于对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间

18、增加而变化的特性，称为应变片的电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。零点漂移。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；粘结剂固化不充分等。化；粘结剂固化不充分等。(8)(8)零零漂和蠕变漂和蠕变 如果如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为值随时间增加而变化的特性称为蠕变蠕变。 产生产生原因原因：由于胶层之间发生由于胶层之间发生“滑动滑动”，使力传到敏感栅的，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。应变量逐渐减少。 这这是两项衡量应

19、变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。量中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。1.4.2 1.4.2 应变片的选用方法应变片的选用方法 在选用应变片时，应从应变片的类型、材料、阻值和在选用应变片时，应从应变片的类型、材料、阻值和尺寸等方面进行考虑尺寸等方面进行考虑（1 1）选择类型：按使用目的、要求、对象和环境条件等选）选择类型：按使用目的、要求、对象和环境条件等选择；择；（2 2）材料的考虑：根据使用温度、时间、最大应变量及精）材料的考虑：根据使用温度、时间、最大应变

20、量及精度要求等选用合适的材料（包括敏感栅和基底材料）；度要求等选用合适的材料（包括敏感栅和基底材料）；（3 3）选择阻值：根据测量线路和仪器选定应变片的标称阻）选择阻值：根据测量线路和仪器选定应变片的标称阻值值; ;（4 4）选择尺寸：根据试件表面粗糙度、应力分布状态和粘）选择尺寸：根据试件表面粗糙度、应力分布状态和粘贴面积的大小等选择应变片的尺寸。贴面积的大小等选择应变片的尺寸。电阻应变片电阻应变片的应用特点的应用特点（1）电阻的热效应。即敏感栅电阻随温度的变化引起的误差，当环境温度变化t 时，敏感栅材料电阻温度系数为t，则引起的电阻相对变化为（2）试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t时

21、，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加应变（拉长或压缩），引起的电阻相对变化 温度温度误差误差 2()egRKtR1tRtR2()tegt1.5 1.5 温度误差及其补偿温度误差及其补偿 单丝自补偿法单丝自补偿法 自补偿法自补偿法 组合式自补偿法组合式自补偿法 线路补偿法线路补偿法温度温度补偿补偿 方法方法 电桥补偿法电桥补偿法热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法可得由于温度变化而引起的总电阻相对变化为可得由于温度变化而引起的总电阻相对变化为12()tegtRRRtKtRRR 温度温度对应变片特性的影响对应变片特性的影响还有（次要因素）：还有（次要因素）： 影响影响粘合剂传递变形的

22、能力粘合剂传递变形的能力； 过高过高的温度使粘合剂软化而使其完全丧失传递变形的能力的温度使粘合剂软化而使其完全丧失传递变形的能力（1）单丝自补偿应变片）单丝自补偿应变片由以上分析可知，要使应变片在温度变化时热输出值为零，则由以上分析可知，要使应变片在温度变化时热输出值为零，则 当当被测试件的线膨胀系数被测试件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料，已知时，通过选择敏感栅材料， 使下式成立使下式成立 t敏感敏感栅材料栅材料电阻温度系数电阻温度系数 即可达到温度自补偿的目的。即可达到温度自补偿的目的。()tgeK /()0tttegRRttKK 优点：易加工，成本低，优点：易加工，成本低，缺点：

23、只适用特定试件材料，温度补偿范围较窄缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围较窄。R1R2组合自补偿法组合自补偿法 （2） 双金属敏感栅自补偿应变片双金属敏感栅自补偿应变片敏感栅丝由两种不同敏感栅丝由两种不同温度系数温度系数(一正一副一正一副)的的金属丝串接组成金属丝串接组成 选用两种具有选用两种具有不同符号的不同符号的电阻温度系数电阻温度系数,调整调整R1和和R2的比例，使温度变化时产生的比例，使温度变化时产生的电的电阻阻变化变化满足（大小相等、方向相反）满足（大小相等、方向相反）t2t1)()(RR优点：优点：通过通过调节两种敏感栅的长度来调节两种敏感栅的长度来控制应变控制应变片的温度自补偿

24、片的温度自补偿，在工作温度范围内可在工作温度范围内可达达0.45m/的高精度的高精度 ；缺点：缺点：成本高，在制造工艺上不易达标。成本高，在制造工艺上不易达标。)()(/111222112221ggttKKRRRRRR（3） 电桥补偿电桥补偿R1R3RBR4UoR1RB(a)(b)R1工 作 应 变 片 ；RB补 偿 应 变 片FFU 测量应变时，工作应变片测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补偿粘贴在被测试件表面上，补偿应变片应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变。作应变片承受应变。 当被测试件不承受

25、应变时，当被测试件不承受应变时，R1和和RB又处于同一环境温度为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的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡。R1R3RBR4UoR1RB(a)(b)R1工 作 应 变 片 ；RB补 偿 应 变 片FFU130134143143()()()BBiBRRUURRRRUR RR RRA R RR R令：R1 = RB = R3 = R4=R011432211()() TBTTTUA RRRRRRRA RR RR RRR RAR R当当R1上有应力产生，上有应力产生，R1和和RB上的温度影响一致时：上的温度影响一致时：表明：表明：输出输出与温度无关与

26、温度无关为达到完全补偿，需满足下列三个条件：为达到完全补偿，需满足下列三个条件： R1和和R2须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数、线膨胀、线膨胀系数系数、应变灵敏系数、应变灵敏系数K都相同，两片的初始电阻值也要求相同；都相同，两片的初始电阻值也要求相同； 用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等；即要求两者线膨胀系数相等； 两应变片处于同一温度环境中。两应变片处于同一温度环境中。 此此方法简单易行，能在较大温度范围内进行补偿。方法简单易行，能在较大温度范围内

27、进行补偿。缺点缺点是三个条件不易满足，尤其是条件。在某些测试条件下，是三个条件不易满足，尤其是条件。在某些测试条件下，温度场梯度较大，温度场梯度较大，R1和和R2很难处于相同温度点。很难处于相同温度点。 将热敏电阻将热敏电阻R Rt t置于应变片相同的温度下，可以进行温置于应变片相同的温度下，可以进行温 度补偿，有下列多种方式：度补偿，有下列多种方式：U UB BT TR R1 1R Rt tU U0 0不变不变T TR R1 1R Rt tU U0 0不变不变R R1 1R R2 2R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4R Rt tU U0 0R Rt tR R3 3U U0 0B

28、 B（4）热敏电阻补偿法）热敏电阻补偿法第二节第二节 基本测量电基本测量电路路（电桥电路电桥电路） 2.1电桥电桥概述概述 2.2不平衡不平衡单臂电桥的工作单臂电桥的工作特性特性 2.3差动电桥的工作特性差动电桥的工作特性 2.4双差双差动电桥的工作动电桥的工作特性特性 2.5相对相对臂电桥的工作臂电桥的工作特性特性 2.6提高不平衡电桥输出线性度的提高不平衡电桥输出线性度的方法方法 2.7电桥调电桥调零零 2.8交流电桥交流电桥1 1电桥工作原理电桥工作原理平衡条件：平衡条件：R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4U US SU U0 02.1电桥概述电桥概述 2 2 电桥分类电桥

29、分类 按输入电源分按输入电源分： 直流电桥直流电桥、交流电桥交流电桥、恒压源电桥恒压源电桥 恒流源电桥恒流源电桥 按被测电阻的接入方式分按被测电阻的接入方式分： 单臂电桥单臂电桥 四个桥臂中只有一个桥臂是敏感元件四个桥臂中只有一个桥臂是敏感元件， 其它均为电阻其它均为电阻； 差动电桥差动电桥四个桥臂中有两个敏感元件是相邻四个桥臂中有两个敏感元件是相邻桥桥臂臂， 这两个敏感元件在测量对象中这两个敏感元件在测量对象中,阻阻值值变化变化 大小相等大小相等、方向相反方向相反变化的敏感元件变化的敏感元件； 双差动电桥双差动电桥 四个敏感元件四个敏感元件，相邻桥臂阻值变化大小相相邻桥臂阻值变化大小相 等等

30、, ,方向相反，相对桥臂组织变化大小相方向相反，相对桥臂组织变化大小相 等、方向相同；等、方向相同； 相对臂相对臂电电 桥桥 四个桥臂中两个敏感元件是相对四个桥臂中两个敏感元件是相对桥桥臂，臂， 变化大小相对，方向相同变化大小相对，方向相同。按桥臂电阻的配备方式分：按桥臂电阻的配备方式分： a)a)对称电桥对称电桥串联对称电桥串联对称电桥( (第一类对称电桥第一类对称电桥) )R R1 1 R R2 2 ,R ,R3 3 R R4 4并联对称电桥并联对称电桥( (第二类对称电桥第二类对称电桥) )R R1 1R R3 3，R R2 2R R4 4等臂电桥等臂电桥按电桥的工作方式分：按电桥的工作

31、方式分：平衡电桥平衡电桥 不平衡电桥不平衡电桥R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4U US SU U0 0R R1 1R R2 2R R3 3 R R4 4b)b)不对称电桥不对称电桥（不（不满足上述条件的满足上述条件的电桥）电桥）满足满足R R1 1R R4 4R R2 2R R3 3又称又称“全对称电桥全对称电桥”单臂单臂R R1 1为敏感元件变化的电桥输出为：为敏感元件变化的电桥输出为： 对串联对称电桥对串联对称电桥: :由由R R1 1=R=R2 2,R,R3 3= =R R4 4, ,得得由由于于 (Q(Q是微小量是微小量) ) 可展成泰勒级数：可展成泰勒级数：11 Q1

32、1 +Q 1 Q Q 2所以得：所以得：2.2 不平衡单臂电桥的工作特性不平衡单臂电桥的工作特性忽略后一项忽略后一项 2 2/8/8，得，得理想理想 输出输出电桥电压灵敏度：电桥电压灵敏度：非线性度：非线性度：可见，可见，输入量变输入量变化化 越大越大，非线性误差越大，非线性误差越大。 电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度定义为定义为：应变片电阻的相对变化引起的电桥输出应变片电阻的相对变化引起的电桥输出电压；电压； 线性度线性度就是评价传感器的实际输出特性对理论拟合的线性输出就是评价传感器的实际输出特性对理论拟合的线性输出特性的接近程度的一个性能指标特性的接近程度的一个性能指标 其结论同其结论同：并联

33、对称电桥和：并联对称电桥和全对称电桥全对称电桥。 2 f Uos Uo 1osU2.32.3差动电桥的工作特性差动电桥的工作特性 设：设：（R R1 1和和R R2 2为敏感元件为敏感元件）则则灵敏度灵敏度比单臂电桥高一倍比单臂电桥高一倍非非线性度线性度2.4 2.4 双差动电桥的工作特性双差动电桥的工作特性灵敏度灵敏度比差动电桥高一倍比差动电桥高一倍 是单臂电桥的四倍是单臂电桥的四倍线性度线性度初始状态：初始状态：R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4且且均为敏感元件均为敏感元件设设得得灵敏度较高，但非线性误差较大，常用于极性显示。灵敏度较高，但非线性误差较大，常用于极性显示。2.

34、2.5 5 相对臂相对臂电桥的工作特性电桥的工作特性( (我们把实际的非线性特性曲线与理想的特我们把实际的非线性特性曲线与理想的特性曲线的偏差称为非线性误差）性曲线的偏差称为非线性误差）11011(1)(1) RnRUURnnR1021(1)RnUUnR1111212RRRRL 2.6提高不平衡电桥输出线性度的方法提高不平衡电桥输出线性度的方法11110001RRnRRUUUL RKR1111212RRRRL 1采用差动电桥工作方式采用差动电桥工作方式 前面已述前面已述： 非线性误差为零非线性误差为零； 电压灵敏度比单臂时提高了一倍或二倍；电压灵敏度比单臂时提高了一倍或二倍； 有温度补偿作用有

35、温度补偿作用提高不平衡电桥输出线性度的方法提高不平衡电桥输出线性度的方法2 2采用恒流源供电方式采用恒流源供电方式若若R R2 2R R4 4R R1 1R R3 3I IS SU Uo o理想输出理想输出：U os Us4非非线性度线性度： 灵敏度灵敏度：结果表明，恒流源电桥与结果表明，恒流源电桥与U US SR RI IS S供电的恒压源电桥相比，电桥的输供电的恒压源电桥相比，电桥的输出灵敏度近似不变，但非线性误差却减小了一倍。出灵敏度近似不变，但非线性误差却减小了一倍。等臂电桥等臂电桥R R1 1为为敏感元件敏感元件，有，有：3 3 采用有源电桥方式采用有源电桥方式由由得得 有源电桥的输

36、出在较小范围内为线性有源电桥的输出在较小范围内为线性, ,灵敏度较等灵敏度较等臂电桥提高一倍臂电桥提高一倍, ,输出信号的极性与无源电输出信号的极性与无源电桥相反桥相反。R RR RR RR+R+ R RE Eo oU Us s同相输入同相输入反相输入反相输入 原被测量的总元件无变化时，输出量应为零。即满原被测量的总元件无变化时，输出量应为零。即满 足足 。若不平衡，则须调零。一般有两种。若不平衡，则须调零。一般有两种 调零方式：调零方式：串联调零串联调零 应用于应用于R R1 1、R R2 2值较大值较大 的场合，此时，的场合，此时，R RW W越小，越小， 对传感器灵敏度的影响对传感器灵敏

37、度的影响 越小。越小。U US SR R1 1R R2 2R R3 3R R4 4U U0 0R RW W2.7电桥调零电桥调零? ? ?并联调零并联调零U US S 该方式应用于桥臂电阻该方式应用于桥臂电阻R R2 2、R R4 4值较小的场合。此时，值较小的场合。此时， R Rw w越大，对桥路影响越小。越大，对桥路影响越小。R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4U U0 0R RW WZ Z1 1Z Z2 2Z Z3 3Z Z4 4 采用交流电源采用交流电源供电的电桥称为供电的电桥称为 “交流交流电电桥桥”。设设 Z Z1 1z z1 1e ej j 1 1Z Z2 2z z2

38、 2e ej j 2 2 Z Z3 3z z3 3e ej j 3 3 Z Z4 4z z4 4e ej j 4 4交流电桥平衡的条件是：交流电桥平衡的条件是：Z Z1 1Z Z4 4Z Z2 2Z Z3 3 或或z z1 1z z4 4z z2 2z z3 3 1 1 4 4 2 2 3 3交流电桥的调零交流电桥的调零要调两个参数要调两个参数。2.8交流电桥交流电桥UoU 由于供桥电源为交流电由于供桥电源为交流电源源, , 引线分布电容使得引线分布电容使得桥臂应桥臂应变片呈现复阻抗特性变片呈现复阻抗特性。11111CjwRRRZ22222CjwRRRZ33RZ 44RZ 即即相当于相当于两两

39、只只应变片各并联了应变片各并联了一个电容一个电容, , 则每一桥臂上复阻则每一桥臂上复阻抗分别为：抗分别为：14231234()()()ioUZ ZZ ZUZZZZ3412RRRR2112CCRR3412RRRR4132RCRC24241313CjwRRRCjwRRR第三节第三节 电阻应变片传感器的应用电阻应变片传感器的应用3.13.1力的测量（柱式转换法、差动法、环状法）力的测量（柱式转换法、差动法、环状法）3.23.2加速度的测量加速度的测量3.33.3流体压力的测量流体压力的测量3.13.1力的测量力的测量R R1 1受纵向力变化受纵向力变化柱式转换法柱式转换法F FR R2 2受横向力变化受横向力变化F FR5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF 采用采用八个