应变式传感器的基本知识(1)

1、 应变式传感器应变式传感器Exit应变式电阻传感器应变式电阻传感器 2.1 工作原理工作原理 2.3 电阻应变片的温度误差及补偿电阻应变片的温度误差及补偿 2.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路2.5 应变式传感器的应用应变式传感器的应用 + +- - DCDC + +6V6V + +R R A A 实验一实验一金属导体或半导体金属导体或半导体的电阻与其电阻率及几何尺的电阻与其电阻率及几何尺寸（长度、面积）有关，当寸（长度、面积）有关，当其受到外力作用时，这些参其受到外力作用时，这些参数发生变化，因而引起其的数发生变化，因而引起其的电阻的变化，进而引电阻的变化，进而引 起电起电流的变

2、化。流的变化。 金属导体或半金属导体或半导体在受到外力作用时，导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化。电阻也将随之发生变化。K电流电流: : 小小大大施加力施加力F F?RK K接通时接通时安培表指示安培表指示安培表变化安培表变化电阻：大电阻：大 小小让我们来做个应变效让我们来做个应变效应的实验应的实验Go!Go!荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。向变短，径向变长。4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 例例2-2 2-2 梁式力传感器梁式

3、力传感器 2.1工作原理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物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象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当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变和形状的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传感器概述应变式传感器概述是利用电阻应变片电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测

4、量的大小。结构：应变式传感器由弹性元件弹性元件上粘贴电阻应变片电阻应变片构成应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量应变效应分析应变效应分析 电阻应变片的工作原理是基于电阻应变片的工作原理是基于应变效应变效应应即即导体导体或或半导体半导体材料在外界力的作用材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，变化， 这种现象称为这种现象称为“应变效应应变效应”。 一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为： FlrrlFAlR 当电阻丝受到拉力当电阻丝受到拉力F作用时，作

5、用时， 将伸长将伸长l，横截面，横截面积相应减小积相应减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了影响而改变了，从而引起，从而引起电阻值变化量电阻值变化量为为 dAdAldlRdR式中：dl/l长度相对变化量长度相对变化量 2lldRddldAAAA电阻相对变化量：电阻相对变化量： 定义：应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数（物理意义）：单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为 KRR课堂作业：课堂作业： p52 第3题 灵敏系数K受两个因素影响 一是应变片受力后材料几何尺寸的变化 二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化 大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，

6、电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。 电阻应变片式传感器是电阻应变片式传感器是目前用于测量力、力矩、目前用于测量力、力矩、压力、加速度、质量等参压力、加速度、质量等参数最广泛的传感器之一。数最广泛的传感器之一。电阻丝电阻丝( (敏感栅敏感栅) )转换元件转换元件基底与面胶基底与面胶中间介质和绝缘作用中间介质和绝缘作用盖层盖层引线引线-连接测量导线之用连接测量导线之用 原理：原理： 它是利用照相制版或光刻腐蚀法将电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形的应变片； 优点优点： 敏感栅尺寸准确，线条均匀； 其弯头横向效应可以忽略； 可通过较大的电流； 散热性好，寿命长； 生产效率高；金属应变计金属应变计

7、 ）（10221 )RRx 半导体应变片的半导体应变片的灵敏系数灵敏系数比金属丝式高比金属丝式高50508080倍，倍， 但半导体材料的但半导体材料的温度系数温度系数大，大，应变时应变时非线性非线性比较严重，比较严重， 使它的使它的应用范应用范围受到一定的限制。围受到一定的限制。 思考思考应变式力传感器的工作原理：弹簧钢制成的梁形元件应变式力传感器的工作原理：弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面

8、的电阻变压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面的电阻变小小F越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化就越越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化就越大如果让应变片中通过的电流保持恒定，则上面应大如果让应变片中通过的电流保持恒定，则上面应变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小因此可得，外力越大，输出的电压差值也就越小因此可得，外力越大，输出的电压差值也就越大大 思考思考应变力传感器：它能够把机械变形转换成电阻变应变力传感器：它能够把机械变形转换成电阻变化化 灵敏度系数灵敏度系数. 物理意义：单位应变所引起的电阻相对变化物理意义：单位应变所引起的电阻相对变化.

9、 横向效应横向效应.（图（图2-22-2） 机械滞后机械滞后. 零点漂移和蠕变零点漂移和蠕变. 应变极限应变极限. 动态响应特性动态响应特性.（图（图2-32-3） 金属应变丝的金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系变之间具有线性关系，用，用灵敏度系数灵敏度系数KS表示。当表示。当金属丝做成应变片后，其电阻金属丝做成应变片后，其电阻应变特性与应变特性与金属金属单丝单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻电阻应变特性重新测定。实验表明，金属应变应变特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变片的电阻

10、相对变化与应变在很宽的范围内均为在很宽的范围内均为线性关系。线性关系。K为金属应变片的灵敏系数。为金属应变片的灵敏系数。 测量结果表明，应变片的灵敏系数测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小恒小于线材的灵敏系数于线材的灵敏系数KS。原因主要是胶层传递变。原因主要是胶层传递变形失真及横向效应。形失真及横向效应。 KRR）（或142 RRK 金属丝式应变片由于敏感栅的两端为半圆弧金属丝式应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏使敏感栅电阻发生变化，而其横向应变感栅电阻发生变化，而其横向应变r也使敏感栅也使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化

11、。半圆弧部分的电阻发生变化。 bOlrdld0r应变片的这种既受应变片的这种既受轴向应变影响，又轴向应变影响，又受横向应变影响而受横向应变影响而引起电阻变化的现引起电阻变化的现象称为象称为。应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加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，即为载特性与卸载特性不重合，即为。1机械应变R卸载加载指示应变i 机械滞后值还与应变片所承受的应变量有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，卸载时的滞后也关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、所以，通常在实验之前应将试件预先加、

12、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。误差。 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化；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，敏感栅受到的不适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充分等。当的变形或粘结剂固化不充分等。对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，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，称为应变片的其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的。产生的原因产生的原因：敏感栅通电

13、后的温度效应；应变片的内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。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。一般蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反的方向与原应变量的方向相反。由于胶层之间发生由于胶层之间发生“滑动滑动”，使力传，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。到敏感栅的应变量逐渐减少。在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误真实应变的相对误差差不超过规定

14、范围不超过规定范围（一般为（一般为10%10%）时的时的最大真实应变值。最大真实应变值。真实应变是由于工真实应变是由于工作温度变化或承受作温度变化或承受机械载荷，在被测机械载荷，在被测试件内产生应力时试件内产生应力时所引起的表面应变。所引起的表面应变。j真实应变g指示应变i100%190% 用作测量应变的金属应变片，希望其阻值用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受上应变片的阻值受环境温度环境温度( (包括被测试件的温包括被测试件的温度度) )影响影响很大。由于很大。由于环境温度变化环境温度变化引起的电

15、阻变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化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的片的，又称，又称。2.3 2.3 温度误差及其补偿温度误差及其补偿 因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：因素：应变片的电阻丝应变片的电阻丝( (敏感栅敏感栅) )具有一定具有一定温度系数温度系数；电阻丝材料与测试材料的电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数线膨胀系数不同。不同。 设环境引起的构件温度变化为设环境引起的构件温度变化为t（）时，粘贴）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅

16、材料的电阻温度系数在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为为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:）（1921 tRRt由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当系数不同，当t t 存在时，引起应变片的附加存在时，引起应变片的附加应变，应变，相应的电阻相对变化为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试件试件材料线膨胀系数；材料线膨胀系数；g敏感栅敏感栅材料线膨胀系数。材料线膨胀系数。）（2022 tKRRge 2. 电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方法通常

17、有线路补偿和应变片自补偿两大类。 1) 线路补偿法线路补偿法 电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。 电桥补偿法电桥补偿法R1R3RBR4UoR1RB(a)(b)R1工 作 应 变 片 ；RB补 偿 应 变 片FFU电桥的输出电桥的输出U0怎么计算？怎么计算？电桥补偿法电桥补偿法R1R3RBR4UoR1RB(a)(b)R1工作应变片；RB补偿应变片FFU314310134134()()BabBBRR RR RRUUUUUURRRRRRRR电桥平衡的条件是什么电桥平衡的条件是什么？ A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知，上式可知， 当当R3和和R4为

18、常数时，为常数时，R1和和RB对电桥输出电压对电桥输出电压Uo的作用方向相反。的作用方向相反。 利用利用这一基本关系可实现对温度的补偿。这一基本关系可实现对温度的补偿。314310134134()()BabBBRR RR RRUUUUUURRRRRRRR0143()BUAR RR R 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，且仅工作应变片承受应变。 当被测试件不承受应变时，当被测试件不承受应变时，R1和和RB又处于又处于同一环境温度为同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡之达到平衡，此时有 0

19、)(341RRRRAUBo工程上，一般按R1 = RB = R3 = R4 选取桥臂电阻。 温度补偿的实现：温度补偿的实现：(温度变化，无应变）温度变化，无应变）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：应变的测量： (温度变化，无应变）温度变化，无应变）被测试件有被测试件有应变应变的作用，则的作用，则工作应变片电阻工作应变片电阻R1又有新又有新的增量的增量R1=R1K，而，而补偿片因不承受应变补偿片因不承受应变，故不产生，故不产生新的增量，新的增量， 此时电桥输出电压为此时电桥输出

20、电压为 可见：电桥的输出电压可见：电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变仅与被测试件的应变有关，有关，而与环境温度无关。而与环境温度无关。 011431414()()BUKRR R R RA R RA RK R 注意补偿条件：注意补偿条件： 在应变片工作过程中，保证在应变片工作过程中，保证R3=R4。R1和和RB两个应变片应具有两个应变片应具有相同相同的电阻温度系数的电阻温度系数、线、线膨胀系数膨胀系数、应变灵敏度系数、应变灵敏度系数K和初始电阻值和初始电阻值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，两者材料必须一样，两者线膨胀系

21、数相同线膨胀系数相同。两应变片应处于两应变片应处于同一温度场同一温度场。 作业：作业： p50 第1、5题 2.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 2.4.1 直流电桥直流电桥 1. 直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件433211RRRRRREUoR1R2R4R3ACBEDIoRLUo图3-9 直流电桥 当RL时，电桥输出电压为 当电桥平衡时，Uo=0，则有 R1R4=R2R3或 4321RRRR电桥平衡条件：欲使电桥平衡， 其相邻两臂电阻的比值应相等， 或相对两臂电阻的乘积应相等。 电桥平衡条件 2. 电压灵敏度电压灵敏度 应变片工作时：电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需

22、要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。当受应变时：若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡，输出电压为 341211113443211414332111111)(RRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRREUo 设桥臂比n=R2/R1，由于R15的小曲率圆环：A、B两点的应变。 EbhFREbhFRA2291. 109. 1这样， 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()()0URRUfKf FRRRUFR 测量2.5.2 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 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p作用下，膜片产生径向应变r和切向应变t，表达式分别为 EhxRpEhxRptr222222228)(1 (38