第2章电阻式传感器

1、现代检测技术现代检测技术 主讲教师：王国荣主讲教师：王国荣2.2 2.2 应变片式电阻传感器应变片式电阻传感器 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片主要特性金属电阻应变片主要特性 温度误差及其补偿温度误差及其补偿 应变片式电阻传感器的测量电路应变片式电阻传感器的测量电路 应变片式电阻传感器的应用举例应变片式电阻传感器的应用举例第第2章章 电阻式传感器电阻式传感器 2.1 2.1 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器第第2 2章章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器的电阻式传感器的基本原理基本原理是是将被测量的变化转换将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过测量电路

2、变成成传感元件电阻值的变化，再经过测量电路变成电信号输出。电信号输出。按工作的原理可分为按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、变阻器式、电阻应变式、 热敏式、光敏式、电敏式热敏式、光敏式、电敏式等。等。电阻传感器常用来测量电阻传感器常用来测量位移位移、力力、压力压力、应变应变、 扭矩扭矩和和加速度加速度等非电量。等非电量。2.1 2.1 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器 电位器是一个机电传感元件，它电位器是一个机电传感元件，它作为传感器可以将作为传感器可以将机械位移机械位移或其它能或其它能转换为位移的非电量转换为与其有一转换为位移的非电量转换为与其有一定函数关系的定函数关系的电阻值电阻

3、值的变化，从而引的变化，从而引起起输出电压输出电压的变化。的变化。一、电位器式传感器的种类一、电位器式传感器的种类 由电阻系数很高的极细的导线按一定规律绕在绝缘骨架上，用电刷（活由电阻系数很高的极细的导线按一定规律绕在绝缘骨架上，用电刷（活动触点）调节阻值大小。动触点）调节阻值大小。 特点：特点：结构简单，尺寸小，输出特性精度高（可达结构简单，尺寸小，输出特性精度高（可达0.1%）且稳定，输）且稳定，输出信号大，受环境影响小。由于电阻元件与电刷间的摩擦，可靠性和寿命受出信号大，受环境影响小。由于电阻元件与电刷间的摩擦，可靠性和寿命受到影响，分辨力也较低。到影响，分辨力也较低。 由电阻液（用石墨

4、、碳黑、树脂等材料配置而成）喷涂在绝缘骨架表面由电阻液（用石墨、碳黑、树脂等材料配置而成）喷涂在绝缘骨架表面上形成电阻膜。上形成电阻膜。 特点：特点：分辨力高、阻值范围宽、耐磨性好、工艺简单、成本低，其线性分辨力高、阻值范围宽、耐磨性好、工艺简单、成本低，其线性度在度在1%左右（经修刻后，可提高到左右（经修刻后，可提高到0.1% ）；接触电阻大，抗潮性差，噪声）；接触电阻大，抗潮性差，噪声较大。较大。 在玻璃或陶瓷基体上用真空蒸发或电镀的方法涂覆一层金属复合膜而制在玻璃或陶瓷基体上用真空蒸发或电镀的方法涂覆一层金属复合膜而制成。成。 特点：特点：电阻系数小，分辨力高，可工作在高温环境；耐磨性差

5、、功率电阻系数小，分辨力高，可工作在高温环境；耐磨性差、功率小、阻值较低（小、阻值较低（1K2K）。）。 由塑料粉及导电材料（如金属合金、碳黑、石墨）的粉料由塑料粉及导电材料（如金属合金、碳黑、石墨）的粉料经塑压而成。经塑压而成。 特点：特点：耐磨性极高，电刷接触压力要求较大，抗冲击振动耐磨性极高，电刷接触压力要求较大，抗冲击振动性能好，分辨力高，线性度一般性能好，分辨力高，线性度一般2%，阻值范围大，功率大；，阻值范围大，功率大；阻值易受温、湿度影响、接触电阻大、精度不高。阻值易受温、湿度影响、接触电阻大、精度不高。 5. 以合金（如钯银）、合金氧化物（如二硅化钼）、难溶化以合金（如钯银）、

6、合金氧化物（如二硅化钼）、难溶化合物（如碳化钨）等为电阻材料，以玻璃釉粉为粘合剂烧合物（如碳化钨）等为电阻材料，以玻璃釉粉为粘合剂烧结在陶瓷或玻璃基体上制成。结在陶瓷或玻璃基体上制成。 特点：特点：分辨力很高、耐磨、耐高温、抗湿、阻值范围广、分辨力很高、耐磨、耐高温、抗湿、阻值范围广、电阻温度系数小（约电阻温度系数小（约2.510-4/）；精度不高、接触电）；精度不高、接触电阻大。阻大。 是一种非接触式电位器，一光束代替常规的电刷。一般采用氧化铝作是一种非接触式电位器，一光束代替常规的电刷。一般采用氧化铝作基体，在其上蒸发一条带状电阻薄膜（镍铝合金或镍铁合金）和一条导电基体，在其上蒸发一条带状

7、电阻薄膜（镍铝合金或镍铁合金）和一条导电极（鉻合金或银）。极（鉻合金或银）。 图图1是这种电位器的结构图。平时无光照时，电阻体是这种电位器的结构图。平时无光照时，电阻体 和导电电极之间由于光电导层电阻很大而呈现绝缘状和导电电极之间由于光电导层电阻很大而呈现绝缘状 态。当光束照射在电阻体和导电电极的间隙上时，由态。当光束照射在电阻体和导电电极的间隙上时，由 于光电导层被照射部位的亮电阻很小，使电阻体被照于光电导层被照射部位的亮电阻很小，使电阻体被照 射部位和导电电极导通，于是光电电位器的输出端就射部位和导电电极导通，于是光电电位器的输出端就 有电压输出，输出电压的大小与光束位移照射到的位有电压输

8、出，输出电压的大小与光束位移照射到的位 置有关，从而实现了将光束位移转换为电压信号输置有关，从而实现了将光束位移转换为电压信号输 出。出。 特点：特点：光电电位器最大的优点是非接触型，不存在磨损问题，它不会光电电位器最大的优点是非接触型，不存在磨损问题，它不会对传感器系统带来任何有害的摩擦力矩，从而提高了传感器的精度、寿对传感器系统带来任何有害的摩擦力矩，从而提高了传感器的精度、寿命、可靠性及分辨率。光电电位器的缺点是接触电阻大，线性度差。由于命、可靠性及分辨率。光电电位器的缺点是接触电阻大，线性度差。由于它的输出阻抗较高，需要配接高输入阻抗的放大器。尽管光电电位器有着它的输出阻抗较高，需要配

9、接高输入阻抗的放大器。尽管光电电位器有着不少的缺点，但由于它的优点是其它电位器所无法比拟的，因此在许多重不少的缺点，但由于它的优点是其它电位器所无法比拟的，因此在许多重要场合仍得到应用。要场合仍得到应用。 1 2 3 132直线型直线型旋转型旋转型二、线绕电位器式传感器工作原理及结构二、线绕电位器式传感器工作原理及结构图图2 线绕电位器结构图线绕电位器结构图图图3 线绕电位器实物图线绕电位器实物图UiRx0Rx(等效电路等效电路)三、线性线绕电位器电输出特性三、线性线绕电位器电输出特性VorR(L)Vix图中：图中：Vi电位器输入电压；电位器输入电压； V0电位器输出电压；电位器输出电压； R

10、电位器总电阻；电位器总电阻； L电位器总行程；电位器总行程； x电刷行程；电刷行程； r电刷行程电刷行程x处对应电阻；处对应电阻； b骨架宽度；骨架宽度； h骨架高度；骨架高度； t线绕节距；线绕节距； RL负载电阻。负载电阻。 l 视在分辨力视在分辨力 阶跃值为阶跃值为iVVnV视在分辨力；视在分辨力；n 电位器线圈总匝数电位器线圈总匝数 如如Vi10V，n100匝，匝， 则则V0.1V，这意味着输出电压以，这意味着输出电压以0.1V的阶跃形式增加，即的阶跃形式增加，即为输入电压的为输入电压的1，不能给出小于，不能给出小于0.1V的电压变化。的电压变化。 l 负载误差负载误差在在RL条件下，

11、输出电压的表达式为条件下，输出电压的表达式为 02()iiLLLLLLLLVV r Rr RrRVIr RrRrRR RrRrRrrR0iiVVVrxRL显然显然RL时，时， 由负载电阻为有限值产生的相对负载误差为：由负载电阻为有限值产生的相对负载误差为： 200201100%1100%1100%1iLLRLiLLV r RVVR RrrrVrrVrRRR R11100%1(1)LrmXX若令负载系数若令负载系数mR/RL，行程比，行程比Xr/R=x/L，则有，则有2(2)01(1)LdrmXmdXmXXLr 对对求一阶导数求一阶导数 Lr12X 12xL 取取的极大值的极大值 ， ，亦即，亦

12、即可见相对负载误差在可见相对负载误差在x=1/2L处有极值。处有极值。 （负载误差最大）（负载误差最大）2.2 2.2 应变片式电阻传感器应变片式电阻传感器 在几何量和机械量测量中，最常用的传在几何量和机械量测量中，最常用的传感器是感器是某些金属和半导体材料制成的某些金属和半导体材料制成的电阻应电阻应变片式传感器。变片式传感器。 应变片式电阻传感器式以应变片式电阻传感器式以应变片为传感应变片为传感元件元件的传感器。的传感器。 应变应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象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，物体能够完全恢复其尺寸和形状的当外力去除后，物

13、体能够完全恢复其尺寸和形状的 应变应变 弹性元件弹性元件具有弹性应变特性的物体具有弹性应变特性的物体 应变式电阻传感器的基本原理应变式电阻传感器的基本原理是将被测量的是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。电路变成电信号输出。优点：优点：精度高，测量范围广精度高，测量范围广 使用寿命长，性能可靠稳定使用寿命长，性能可靠稳定 结构简单，尺寸小，重量轻结构简单，尺寸小，重量轻 频率响应特性较好频率响应特性较好 可在高可在高(低低)温、高速、高压、强烈振动、强温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常

14、工作磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作 价格低廉，品种多样，便于选择价格低廉，品种多样，便于选择 易于实现小型化、固态化易于实现小型化、固态化缺点：缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变只能测量一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下的测量变化等；不能用于过高温度场合下的测量。 电阻应变片的工作原理是电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应基于电阻应变效应。一、电阻应变片的工

15、作原理一、电阻应变片的工作原理 金属导体的电阻随着机械变形（伸长或金属导体的电阻随着机械变形（伸长或缩短）的大小发生变化的现象称为缩短）的大小发生变化的现象称为金属的电金属的电阻应变效应阻应变效应。应变效应应变效应导体（金属）或半导体材料在导体（金属）或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，相应发生变化， 这种现象称为这种现象称为“应变效应应变效应”。 电阻应变特性电阻应变特性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，电阻系数为的电阻丝，其电阻值的电阻丝，其电阻值R为：为：lRSldlSdSd导线两端

16、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，由材料力学可知：由材料力学可知： （径向变化）（径向变化），式中，式中泊松比泊松比表示电阻丝轴向的相对变化，也就是表示电阻丝轴向的相对变化，也就是应变应变。(12 )(12 )dRddldRl dRRK(12 )dKdRddldSRlS令令则则K金属电阻丝金属电阻丝的相对灵敏度系数。的相对灵敏度系数。金属电阻丝的相对灵敏度系数受两个因素影响：金属电阻丝的相对灵敏度系数受两个因素影响：（1）受力后材料的几何尺寸变化所引起

17、的；即）受力后材料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 )dp项项项项 对对金属材料金属材料：1+21+2( ( / /)/)/ 对对半导体材料半导体材料：( ( / /)/)/1+21+2 K由两部分组成： 前一部分是（1+2），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属0.3，因此（1+2）1.6； 后一部分为 ( (/ /)/)/ ，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。 对金属材料对金属材料，以前者为主，则K 1+2； 对半导体对半导体， K值主要由电阻率相对变化所决定。 大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，大量实验证

18、明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对变电阻的相对变化与应变成正比，即化与应变成正比，即K K为常数，为常数，通常K在1.73.6范围内 。 二、金属电阻应变片主要特性二、金属电阻应变片主要特性 应变片由电阻丝（敏感栅）、基底、引线和粘合剂组成。应变片由电阻丝（敏感栅）、基底、引线和粘合剂组成。1、金属电阻应变片结构及材料、金属电阻应变片结构及材料 2341电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图hl 由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。 栅长栅长栅宽栅宽（1） 敏感栅敏感栅 感受应变，并将应变转

19、换为电阻的变化。感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有丝式、 箔式和薄膜式三种。 对敏感栅的材料的要求：对敏感栅的材料的要求：应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；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，以便于制造小栅长的应变片；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；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；加工性能良好加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；易于拉制成丝或轧压成箔材；易于焊接，对引线材料的热电势小。易于焊接，对引

20、线材料的热电势小。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。（2） 基底和盖片基底和盖片 基底是基底是绝缘及传递应变绝缘及传递应变，由纸薄、胶质膜等制成。 测量是应变片的基底提高粘结剂粘在试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。 盖片（覆盖层）是盖片（覆盖层）是保护作用保护作用。防湿、蚀、尘。 基底基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置； 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。 基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。（3）

21、 引线引线 连接电阻丝与测量电路，输出电参量。连接电阻丝与测量电路，输出电参量。 是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。（4） 粘结剂粘结剂 敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结。 用于将敏感栅固定于基底上，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

22、机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。 敏感栅由很细的电阻丝（敏感栅由很细的电阻丝（0.010.05mm）或箔式）或箔式金属片（厚度为金属片（厚度为310m）组成。）组成。敏感栅常用下列材料制成敏感栅常用下列材料制成：（1）康铜（铜镍合金）：康铜（铜镍合金）：最常用；最常用；（2）镍鉻合金：镍鉻合金：多用于动态；多用于动态；（3）镍鉻铝合金：镍鉻铝合金：作中、高温应变片；作中、高温应变片；（4）镍鉻铁合金：镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片；疲劳寿命要求高的应变片；（5）铂及铂合金：铂及铂合金：高温动态应变测量。高温动态应变测量。u应变片的粘贴应变片的粘贴 应变片是用粘合剂粘贴到被

23、测件上的。粘合剂形成的胶层必须准确迅速地将披测件应变传进到敏感栅上。粘合剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数，线性以及它们受温度变化影响的程度。因此，对粘合剂和粘贴工艺有严格要求。应变片的粘贴：应变片的粘贴： 1）. 去污：去污：采用手采用手持砂轮工具除去构件表持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力细纹以增加粘贴力 ，用，用浸有酒精或丙酮的纱布浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。片或脱脂棉球擦洗。 2 2）. .贴片：贴片：在在应变片的表面和处应变片的表面和处理过的粘

24、贴表面上，理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘各涂一层均匀的粘贴胶贴胶 ，用镊子将，用镊子将应变片放上去，并应变片放上去，并调好位置，然后盖调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出指揉和滚压，排出下面的气泡下面的气泡 。 3）.测量测量 ：从分开的端子处，从分开的端子处，预先用万用表测预先用万用表测量应变片的电阻，量应变片的电阻，发现端子折断和发现端子折断和坏的应变片。坏的应变片。 4）.焊接：焊接： 将引线和端子用将引线和端子用烙铁焊接起来，烙铁焊接起来，注意不要把端子注意不要把端子扯断。扯断。 5）.固定：固定： 焊接后用胶布将焊接后用胶布将引线和被测对象引线和被测对

25、象固定在一起，防固定在一起，防止损坏引线和应止损坏引线和应变片变片。0 xRRK电阻应变片电阻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。l0PPyx2bar放大的栅状电阻应变片及弯角部分示意图放大的栅状电阻应变片及弯角部分示意图yx 纵向应变纵向应变 造成电阻增加，横向应造成电阻增加，横向应变变 造成电阻减少。造成电阻减少。xy000(1)(1)2(1)xrnnRlRKKrnnl经推导得：经推导得：n直线部分

26、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即应变片存在横向效应使应变片的灵敏度系数小于电阻丝的应变灵敏度系数敏度系数小于电阻丝的应变灵敏度系数。0KK小结小结dRdlKRl应用较多应用较多 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，多用于应变、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。应力的大批量、一次性试验。 箔式应变片箔式应变片与片基的接触面积大得多

27、，散热条件较好，在长时间与片基的接触面积大得多，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，适测量时的蠕变较小，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。合于大批量生产。 灵敏系数灵敏系数 横向效应横向效应 机械滞后，零漂及蠕变机械滞后，零漂及蠕变 温度效应温度效应 应变极限、疲劳寿命应变极限、疲劳寿命 动态响应特性动态响应特性2、金属电阻应变片主要特性、金属电阻应变片主要特性（1） 灵敏度系数灵敏度系数金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片后，其电阻应变特性，与金属单丝情况不同

28、金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻应变特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变金属应变片的电阻相对变化与应变在很宽的在很宽的范围内均为线性关系范围内均为线性关系。即K为金属应变片的灵敏系数。注意，K是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的钢材时测得的。测量结果表明，应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数K恒小于线材恒小于线材的灵敏系数的灵敏系数KS。原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。可忽视的因素。 KRRRRK灵敏系数RRK/灵敏系数由实验确定。实验发现，实际应

29、变片的实际应变片的K值比单丝的值比单丝的K值要小值要小，造成此现象原因是横向效应横向效应。还有粘结层传递变粘结层传递变形失真形失真。丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分bOlrrdld0（2） 横向效应横向效应 金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，其横向应变r也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化(除了起作用外)，应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。图为 应变片敏感栅半圆弧部分的形状。沿轴向应变为，沿横向应变为r 。 若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴向应变作用下，全部纵栅的变形视为L1半圆

30、弧横栅同时受到和r的作用，在任一微小段长度d l = r d上的应变可由材料力学公式求得 每个圆弧形横栅的变形量l为纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅的变形量为2cos2121rrrrrrddll200rrnL212L1= n l应变片敏感栅的总变形为敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则电阻相对变化为令 则 可见，敏感栅电阻的相对变化分别是和r作用的结果。rrnrnnlLLL2121221rSSSKLrnKLrnnlLLKRR2) 1(2) 1(2SxKLrnnlK2) 1(2SyKLrnK2) 1(ryxKKRR当r=0时，可得轴向灵敏度系数同样，当=0时，可得横

31、向灵敏度系数横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应系数H。即 由上式可见，r愈小，l愈大，则H愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。xxRRKryyRRKrnnlrnKKHxy121 横向效应在圆弧段产生，消除圆弧段即可消除横向效应。 为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片，其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，电阻值较小，因而电阻变化量也就小得多。（3） 机械滞后机械滞后 应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特应变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，即为机械滞后。性与卸载特性不重合，即为机械滞后。产生原因：应变片

32、在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。1机械应变卸载加载指示应变i应变片的机械滞后 机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常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生的实验误差。 （4） 零点漂移和蠕变零点漂移和蠕变 对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的的零点漂移零点漂移。产生原

33、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；粘结剂固化不充分等。 如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，如果在一定温度下，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其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。产生原因产生原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。这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。（5）应变极限、疲劳寿命）应变极限、疲劳寿命在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应应变片的指示应变对测试值的真实应变的

34、相对误差不超过规定范围（一般为变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的最）时的最大真实应变值。大真实应变值。在图中，真实应变是由于工作温度变化或承受机械载荷，在被测试件内产生应力(包括机械应力和热应力)时所引起的表面应变。lim真实应变z指示应变i应变片的应变极限10%1主要因素：主要因素：粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的安装质量。制造与安装应变片时，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料。基底和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获得较高的应变极限。疲劳寿命疲劳寿命 定义：定义：对已安装的应变片在一定的交对已安装的应变片在一定的交变机械应变幅值下，可连续工作而不致产

35、变机械应变幅值下，可连续工作而不致产生疲劳损坏的循环次数，称为疲劳寿命。生疲劳损坏的循环次数，称为疲劳寿命。 疲劳寿命的循环次数与动载荷的特性疲劳寿命的循环次数与动载荷的特性及大小有密切的关系。及大小有密切的关系。（6）最大工作电流和绝缘电阻）最大工作电流和绝缘电阻 绝缘电阻绝缘电阻是指应变片的引线与被测件之间的是指应变片的引线与被测件之间的电阻值。电阻值。 最大工作电流最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其是指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流。工作特性的最大电流。 工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高，工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高，但过大的电流会把应变片烧毁。但过大的

36、电流会把应变片烧毁。 应变片的电阻值：应变片的电阻值：电阻值大可加大应变片电阻值大可加大应变片承受电压，因此输出信号大，但敏感栅尺寸也承受电压，因此输出信号大，但敏感栅尺寸也增大。增大。（7） 动态特性动态特性 当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性。因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短(估计约0.2s)，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。 设一频率为 f 的正弦应变波在构件中以速度 v 沿应变片栅长方向传播，在某一瞬时 t，应变量沿构件分布如图所示。应变片对应变波的动态响应0应变片1lx1x xx2sin0 设应变波波长为，则有= v /

37、f。应变片栅长为L，瞬时t时应变波沿构件分布为 应变片中点的应变为 xt为t瞬时应变片中点的坐标。应变片测得的应变为栅长 l 范围内的平均应变m，其数值等于 l 范围内应变波曲线下的面积除以 l，即ttx2sin0llxxdxltxxmltltsin2sin2sin10022平均应变m与中点应变t相对误差为lltmtmtsin11ll（%）1.620.52误差误差的计算结果的计算结果 1/201/10由上式可见，相对误差的大小只决定于 的比值，表中给出了为1/10和1/20时的数值。由表可知，应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈小，相对误差愈小。当选中的应变片栅长为应变波长的（1/101/20）

38、时，将小于2%。因为式中 应变波在试件中的传播速度；f应变片的可测频率。取 ，则若已知应变波在某材料内传播速度若已知应变波在某材料内传播速度，由上式可计算，由上式可计算出栅长为出栅长为L的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。最高频率。 f101llf1 .0理想情况下，理想情况下， ，即应变片的输出电阻是，即应变片的输出电阻是应变的一元函数；但实际上应变片输出电阻还和温应变的一元函数；但实际上应变片输出电阻还和温度有关，即度有关，即 。( )RfR( , )RgtR3、 温度误差及其补偿温度误差及其补偿 温度变化引起电阻变化的原因主要有两点：温度

39、变化引起电阻变化的原因主要有两点：（1）电阻丝电阻本身就是温度的函数。）电阻丝电阻本身就是温度的函数。（2）试件材料与应变片材料热膨胀系数不同）试件材料与应变片材料热膨胀系数不同 由于测量现场环境温度的改变而给测量由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，带来的附加误差， 称为应变片的称为应变片的温度误差温度误差。 式中式中: Rt温度为温度为t时的电阻值；时的电阻值； R0温度为温度为t0时的电阻值；时的电阻值； 0温度为温度为t0时金属丝的电阻温度系数；时金属丝的电阻温度系数； t温度变化值，温度变化值，t=t-t0。 当温度变化当温度变化t时，电阻丝电阻的变化值为：时，电阻丝电阻

40、的变化值为： R=Rt-R0=R00t Rt=R0(1+0t) 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： 2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时：环境温度变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。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，电阻丝会产生附加化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。变形，从

41、而产生附加电阻变化。 设电阻丝和试件在温度为设电阻丝和试件在温度为0时的长度均为时的长度均为l0, 它们的线它们的线膨胀系数分别为膨胀系数分别为s和和g，若两者不粘贴，则它们的长度分别，若两者不粘贴，则它们的长度分别为：为： ls=l0(1+st)lg=l0(1+gt) 当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形加变形l、附加应变、附加应变和附加电和附加电阻变化阻变化R分分别为：别为： tRKRKRtlltllllsgsgsgsg)()()(000000由于温度变化而引起的应变片总电阻相由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为对变化量为 tKtKtRRRRR

42、sgsgt)()(000000 结论结论：因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化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量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K0, 0, s）以及被）以及被测试件线膨胀系数测试件线膨胀系数g有关。有关。 温度补偿的方法温度补偿的方法（1）采用敏感栅热处理或采用两种温度系数的材）采用敏感栅热处理或采用两种温度系数的材料相互补偿的方法，使得敏感栅与试件热膨胀系料相互补偿的方法，使得敏感栅与试件热膨胀系数相似。数相似。（自补偿法）（自补偿法）（2）电桥补偿法（电路实现）电桥补偿法（电路实现）(线路补偿

43、法线路补偿法)。 单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片由前式知，若使应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使即 每一种材料的被测试件，其线膨胀系数 都为确定值，可以在有关的材料手册中查到。在选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电阻温度系数 和线膨胀系数 满足上式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。 0getKegtKetg 单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用都比较方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料用都比较方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的

44、。的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。双丝组合式自补偿应变片双丝组合式自补偿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两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，相反，即(Ra) t= (Rb) t焊点RaRbaeaabebbtaatbbbaKKRRRRRR补偿效果可达0.45。 电路补偿法电路补偿法 如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为 式中A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。32

45、41RRRRAUSCUSCR2R4R1R3E桥路补偿法 由上式可知，当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。 测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2，称为补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。由于R1与R2接入电桥相邻臂上，造成R1t与R2t相同，根据电桥理论可知，其输出电压USC与温度无关。当工作应变片感受应变时，

46、电桥将产生相应输出电压。补偿应变片粘贴示意图R1R2 当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即上式中可以选择R1=R2=R及R3=R4=R。 当温度升高或降低时，若R1t=R2t，即两个应变片的热输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零，即03241RRRRAUSC322411RRRRRRAUttSCRRRRRRAtt21RRRRRRRRAtt21021ttRRRA= 若此时有应变作用，只会引起电阻R1发生变化，R2不承受应变。故由前式可得输出电压为由上式可知，电桥输出电压只与应变有关，与温度无关。RKRARRRRKRRRAUttSC3224111

47、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须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数数、线膨胀系数、线膨胀系数、应变灵敏系数、应变灵敏系数K都相同，两片的初都相同，两片的初始电阻值也要求相同；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；材料必须相同，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。 此方法简单易行，能在较大温度范围内进行补偿。缺点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，R1和R2很难处于相同温度点。四、应变片式电阻传感器的测量电路四、应变片式电阻传感器的测量电路3101234()RRUURRRR3124RRRR4131124113(1)(1)RRRR URRRRRR1R311011234()RRRUURRRRR3101234()RRUURRRR1021(1)RnUUnR0211(1)uUnKURnR0211(1)uUnKURnR104RUUR0211(1)uUnKURnR311udKndnn4uUK 11011(1)(1) RnRUURnnR1021(1