第2章应变式传感器

1、第第2 2章章 应变式传感器应变式传感器2.1 2.1 工作原理工作原理12.2 2.2 电阻应变片特性电阻应变片特性2.3 2.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路32.4 2.4 应变式传感器应用应变式传感器应用42电阻式传感器电阻式传感器 第二章 应变式传感器 电阻式传感器的类别与特性电阻式传感器的类别与特性应变式电阻传感器：应变式电阻传感器：基本原理、工作特性和主要应用。基本原理、工作特性和主要应用。应变式电阻传感器应变式电阻传感器 第二章 应变式传感器 应变式电阻传感器作为应变式电阻传感器作为测力的主测力的主要传感器要传感器，测力范围小到肌肉纤维，测力范围小到肌肉纤维，大到登

2、月火箭，精确度可到大到登月火箭，精确度可到 0.01-0.01-0.1%0.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。弯曲式、剪切式。 应变式传感器特征：应变式传感器特征： 材料类型：金属应变片、半导体应变片材料类型：金属应变片、半导体应变片 应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度主要优点：使用简单、精度高、范围大、体积小主要优点：使用简单、精度高、范围大、体积小电阻应变片的发展历史电阻应变片的发展历史 第二章 应变式传感器 1856年，年，W. Thomoson发现金发现金属丝的应变效应，并用惠斯通电属丝的应

3、变效应，并用惠斯通电桥精确测量电阻的变化桥精确测量电阻的变化 。1938年，年，E. Simmons和和A. Ruge制成纸基丝绕式应变片。制成纸基丝绕式应变片。1953年，年，P. Jackson用光刻技术用光刻技术制成箔式应变片。制成箔式应变片。1954年，年，C. Smith发现半导发现半导体材料的压阻效应。体材料的压阻效应。 1957年，年，W. Mason研制出半研制出半导体应变片。导体应变片。 第二章 应变式传感器 2.1 电电阻应变应变片的工作原理 2.2 电电阻应变应变片的种类种类 2.3 电电阻应变应变片的主要特性 2.4 电电阻应变应变片的测测量电电路 2.5 应变应变式传

4、传感器的应应用应变式传感器的核心元应变式传感器的核心元件：件：电阻应变片电阻应变片，试件上的，试件上的应力变化转换成电阻变化。应力变化转换成电阻变化。 应变效应应变效应: :导体或半导体在导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。现象称为应变效应。 应变效应应变效应2.1 电阻应变片的工作原理一、金属的应变效应一、金属的应变效应对于一长为对于一长为L L、横截面积为、横截面积为A A、电阻率为电阻率为的金属丝，其电阻值的金属丝，其电阻

5、值R R为为 / ALR如果对电阻丝长度作用均匀如果对电阻丝长度作用均匀应力，则应力，则、L L、A A的变化的变化(d(d、dLdL、dA)dA)将引起电阻将引起电阻R R变化变化dRdR。通。通过对上式的全微分可得过对上式的全微分可得dRdR为为dAALdALdLAdR2金属丝的应变效应金属丝的应变效应ll+ dl2r2(r-dr)FF若电阻丝是圆形的，则若电阻丝是圆形的，则A=r A=r , ,对对r r 微分得微分得dA=2r drdA=2r dr，则，则 2.1 电阻应变片的工作原理在弹性范围内金属丝受拉力在弹性范围内金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，时，沿轴向伸长，沿径向缩短

6、，则轴向应变和径向应变的关系为则轴向应变和径向应变的关系为y=-x为金属材料的泊松系数。为金属材料的泊松系数。定义：定义：K KS S为金属丝的灵敏系为金属丝的灵敏系数，表示单位应变所引起的电阻数，表示单位应变所引起的电阻的相对变化，则有的相对变化，则有金属丝的应变效应金属丝的应变效应ll+ dl2r2(r-dr)FF 222rdrrrdrAdA金属的径向应变金属的轴向应变令yxrdrLdL/ / xxSdRdRK/)21 (/一、金属的应变效应一、金属的应变效应2.1 电阻应变片的工作原理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

7、应变效应ll+ dl2r2(r-dr)FFxxSdRdRK/)21 (/一、金属的应变效应一、金属的应变效应确定的确定的金属金属材料，材料，(1+2)项项是常数，其数值约在是常数，其数值约在12之间，之间，实验证明实验证明d/x 也是常数。也是常数。 / xSxSRdRKKRdR，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。通过弹性元件通过弹性元件，可，可将应力转将应力转换为应变，这是换为应变，这是应变式传感器测应变式传感器测量应量应力力的基本原理的基本原理。2.1 电阻应变片的工作原理应变是量纲为应变是量纲为1的数。通的数。通常应变很小，常用常应变很小，常用10-

8、6来来表示。表示。例如，当例如，当应变应变为为0.000001时，时，在工程中常表示为在工程中常表示为110-6或或m/m。在应变测量中，也常。在应变测量中，也常称为称为微应变微应变。金属丝的应变效应金属丝的应变效应ll+ dl2r2(r-dr)FFxSdK/)21 (一、金属的应变效应一、金属的应变效应金属材料：金属材料：灵敏度系数表达式中灵敏度系数表达式中1+2的值的值要比要比(d/)/x大得多。大得多。灵敏系数灵敏系数KS受两个因素影响：受两个因素影响：（1）应变片受力后材料几何）应变片受力后材料几何尺寸的变化，尺寸的变化， 即即1+2；（2）应变片受力后材料的电）应变片受力后材料的电阻

9、率的变化，即阻率的变化，即（d/）/ x 。2.1 电阻应变片的工作原理一、金属的应变效应一、金属的应变效应半导体应变片又称为压阻式传半导体应变片又称为压阻式传感器。感器。基于半导体材料的压阻效应而基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。制成的一种纯电阻性元件。2.1 电阻应变片的工作原理压阻效应：压阻效应：半导体材料的电阻率随作用应半导体材料的电阻率随作用应力的变化而发生变化的现象。力的变化而发生变化的现象。 半导体材料敏感条电阻半导体材料敏感条电阻率的相对变化值与其在轴向率的相对变化值与其在轴向所受的应力之比为一常数。所受的应力之比为一常数。即即二、半导体的压阻效应二、半导体的压

10、阻效应当半导体材料受轴向力作用时，当半导体材料受轴向力作用时，电阻相对变化为电阻相对变化为dRdRx)21（xllEdxlERdR)21 （l半导体材料的压阻系半导体材料的压阻系数。式中数。式中1+2项随几何形状项随几何形状而变化，而变化，lE项为压阻效应，项为压阻效应，随电阻率而变化。随电阻率而变化。几何形状几何形状压阻效应压阻效应实验证明实验证明lE比比1+2大近百倍，大近百倍，所以所以1+2可以忽略，因而半导体应可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数：变片的灵敏系数： 2.1 电阻应变片的工作原理半导体应变片的灵敏系数比半导体应变片的灵敏系数比金属丝式的高金属丝式的高50508080倍，但

11、半导倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使应用范围受到线性比较严重，使应用范围受到一定的限制。一定的限制。 半导体应变片的优点：半导体应变片的优点：体积小，灵敏度高，频率体积小，灵敏度高，频率响应范围宽，输出幅值大，不响应范围宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪需要放大器，可直接与记录仪连接，使测量系统简单。连接，使测量系统简单。二、半导体的压阻效应二、半导体的压阻效应ERdRKlxB/ 第三章 应变式传感器 2.1 电电阻应变应变片的工作原理 2.2 电电阻应变应变片的种类种类 2.3 电电阻应变应变片的主要特性 2.4 电电阻应变应变片的

12、测测量电电路 2.5 应变应变式传传感器的应应用基片基片覆盖层覆盖层金属丝金属丝引线引线2.2 电阻应变片的种类一、金属电阻应变片一、金属电阻应变片金属箔式应变片金属箔式应变片2.2 电阻应变片的种类一、金属应变片一、金属应变片 2 2、金属箔式应变片、金属箔式应变片常用金属薄膜应变片常用金属薄膜应变片2.2 电阻应变片的种类一、金属应变片一、金属应变片 3 3、金属薄膜应变片、金属薄膜应变片2.2 电阻应变片的种类金属应变片的基本结构金属应变片的基本结构1 1、体型半导体应变片、体型半导体应变片体型半导体应变片的结构体型半导体应变片的结构2.2 电阻应变片的种类二、半导体应变片二、半导体应变

13、片2.2 电阻应变片的种类二、半导体应变片二、半导体应变片 2 2、薄膜型半导体应变片、薄膜型半导体应变片引线引线绝缘层绝缘层金属箔基底金属箔基底半导体薄膜半导体薄膜薄膜型半导体应变片的结构薄膜型半导体应变片的结构2.2 电阻应变片的种类二、半导体应变片二、半导体应变片 3 3、扩散型半导体应变片、扩散型半导体应变片扩散型半导体应变片的结构扩散型半导体应变片的结构引线引线SiO2绝缘层绝缘层N型硅型硅吕电极吕电极P型硅扩散层型硅扩散层 第三章 应变式传感器 2.1 电电阻应变应变片的工作原理 2.2 电电阻应变应变片的种类种类 2.3 电电阻应变应变片的主要特性 2.4 电电阻应变应变片的测测

14、量电电路 2.5 应变应变式传传感器的应应用一、弹弹性敏感元件的基本特性二、电电阻应变应变片的灵灵敏系数数三、电电阻应变应变片的横横向效应应四、电电阻应变应变片的机械滞滞后、零漂及蠕变变五、电电阻应变应变片的应变极应变极限六、电电阻应变应变片的电电阻值值、绝缘电绝缘电阻和最大工作电电流七、电电阻应变应变片的动态动态特性八、电电阻应变应变片的温温度误误差2.3 电阻应变片的主要特性变形：变形： 物体在外力作用下而改变原物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象。来尺寸或形状的现象。弹性变形：弹性变形： 当外力去掉后物体又能完全当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状。恢复其原来的尺寸和形状

15、。弹性元件：弹性元件： 具有弹性变形特性的物体。具有弹性变形特性的物体。 2.3 电阻应变片的主要特性一、弹性敏感元件的基本特性一、弹性敏感元件的基本特性在应变片测量技术中有在应变片测量技术中有极其重要地位。极其重要地位。 传递给粘贴在弹性元件上传递给粘贴在弹性元件上的应变片的应变片力、力矩或压力变换成相力、力矩或压力变换成相应的应变或位移应的应变或位移力、力矩或压力通过应变力、力矩或压力通过应变片转换成相应的电阻值片转换成相应的电阻值定义：定义： 弹性元件单位变形下所需要弹性元件单位变形下所需要的力，用的力，用C C表示。刚度是弹性元表示。刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，件受外力作

16、用下变形大小的量度，数学表达式为数学表达式为2.3 电阻应变片的主要特性一、弹性敏感元件的基本特性一、弹性敏感元件的基本特性 1 1、刚度、刚度F作用在弹性元件上的外力，作用在弹性元件上的外力，单位为牛顿（单位为牛顿（N）；）； x弹性元件所产生的变形，单弹性元件所产生的变形，单位为毫米（位为毫米（mm）。）。 弹性特性曲线弹性特性曲线 从弹性特性曲线上可求刚度。从弹性特性曲线上可求刚度。曲线曲线1 1上上A A点的刚度，过点的刚度，过A A点作切线，点作切线，与水平夹角的正切就为与水平夹角的正切就为A A点处的刚点处的刚度，即度，即tan=dF/dxtan=dF/dx。曲线性是线性的，则刚度

17、是曲线性是线性的，则刚度是一个常数，即一个常数，即tan=F/x=tan=F/x=常数。常数。dxdFxFC lim定义：定义： 通常用刚度的倒数来表示弹通常用刚度的倒数来表示弹性元件的特性，称为弹性元件的性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度，一般用灵敏度，一般用S S表示，数学表表示，数学表达式为达式为 2.3 电阻应变片的主要特性一、弹性敏感元件的基本特性一、弹性敏感元件的基本特性 2 2、灵敏度、灵敏度灵敏度：单位力作用下弹性灵敏度：单位力作用下弹性元件产生变形的大小。元件产生变形的大小。灵敏度大，表明弹性元件软，灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。变形大。弹性特性曲线弹性特性曲线 与刚度相

18、似，如果弹性特性与刚度相似，如果弹性特性是线性的，则灵敏度为一常数，是线性的，则灵敏度为一常数，若弹性特性是非线性的，则灵敏若弹性特性是非线性的，则灵敏度为一变数，即表示此弹性元件度为一变数，即表示此弹性元件在弹性变形范围内，各处由单位在弹性变形范围内，各处由单位力产生的变形大小是不同的。力产生的变形大小是不同的。 dFdxCS1一、弹弹性敏感元件的基本特性二、电电阻应变应变片的灵灵敏系数数三、电电阻应变应变片的横横向效应应四、电电阻应变应变片的机械滞滞后、零漂及蠕变变五、电电阻应变应变片的应变极应变极限六、电电阻应变应变片的电电阻值值、绝缘电绝缘电阻和最大工作电电流七、电电阻应变应变片的动态

19、动态特性八、电电阻应变应变片的温温度误误差2.3 电阻应变片的主要特性应变片敏感材料应变片敏感材料金属或半导体金属或半导体的电阻相对变化与应变之间具有线性的电阻相对变化与应变之间具有线性关系，用灵敏度系数关系，用灵敏度系数KS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。 2.3 电阻应变片的主要特性二、电阻应变片的灵敏系数二、电阻应变片的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本身的不同本身的不同。xxSdRdRK/)21 (/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

20、围内均为线性在很宽的范围内均为线性关系：关系：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。测量结果表明，应变片的灵测量结果表明，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。RRK 2.3 电阻应变片的主要特性二、电阻应变片的灵敏系数二、电阻应变片的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

21、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：灵敏系数值通常采用从批量灵敏系数值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件下，生产中每批抽样，在规定条件下，通过实测来确定，应变片的灵敏通过实测来确定，应变片的灵敏系数称为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。一、弹弹性敏感元件的基本特性二、电电阻应变应变片的灵灵敏系数数三、电电阻应变应变片的横横向效应应四、电电阻应变应变片的机械滞滞后、零漂及蠕变变五、电电阻应变应变片的应变极应变极限六、电电阻应变应变片的电电阻值值、绝缘电绝缘电阻和

22、最大工作电电流七、电电阻应变应变片的动态动态特性八、电电阻应变应变片的温温度误误差2.3 电阻应变片的主要特性应变片敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件应变片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，而其横向应变也使敏感栅半的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，而其横向应变也使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。圆弧部分的电阻发生变化。 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电阻变化的现象称为。2.3 电阻应变片的主要特性三、电阻应变片的横向效应三、电阻应变片的横向效应机械滞

23、后产生原因：机械滞后产生原因：（1 1）应变片在承受机械应）应变片在承受机械应变后的残余变形，使敏感栅电阻变后的残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；发生少量不可逆变化；（2 2）在制造或粘贴应变片）在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的不适当的变形时，敏感栅受到的不适当的变形或粘结剂固化不充分等。或粘结剂固化不充分等。 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，即为机械滞后。载特性不重合，即为机械滞后。2.3 电阻应变片的主要特性四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变四、电阻应变片的机械滞后

24、、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还与应变片所承受的应变还与应变片所承受的应变量有关，加载时的应变愈大，量有关，加载时的应变愈大，卸载时的滞后也愈大。通常在卸载时的滞后也愈大。通常在实验之前预先加、卸载若干次，实验之前预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后误差。以减少因机械滞后误差。 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，不承受应变时，其电阻值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，称为应变片的随时间增加而变化的特性，称为应变片的。零点漂移产生的原因零点漂移产生的原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的

25、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承受恒定的机械应变时，电阻值随时间增加在一定温度下应变片承受恒定的机械应变时，电阻值随时间增加而变化的特性称为而变化的特性称为。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。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。2.3 电阻应变片的主要特性四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变应变极限：应变极限：在一定温度下，应变片在一定温度下

26、，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（一般为（一般为10%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%2.3 电阻应变片的主要特性五、电阻应变片的应变极限五、电阻应变片的应变极限真实应变：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。 1、电阻值、电阻值 应变片的电阻值是指应变片没有粘贴且未受应变时，在室温应变片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

27、的电阻值，即下测定的电阻值，即初始电阻值初始电阻值。 金属电阻应变片的电阻值已标准化，有一定的系列，如金属电阻应变片的电阻值已标准化，有一定的系列，如60、120、250、350和和1000，其中以，其中以120最为常用。最为常用。 2.3 电阻应变片的主要特性六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流 2、绝缘电阻、绝缘电阻 应变片绝缘电阻应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电引线与被测件之间的电阻值阻值Rm。通常要求。通常要求Rm在在50100 M以上。以上。2.3 电阻应变片的主要特性六、电阻应变片的电

28、阻值、绝缘电阻和最大工作电流六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流 2、绝缘电阻、绝缘电阻 绝缘电阻下降使测量系统的灵敏度降低。绝缘电阻下降使测量系统的灵敏度降低。Rm取决于粘结剂及取决于粘结剂及基底材料的种类及固化工艺。在常温使用条件下要采取必要的防潮基底材料的种类及固化工艺。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好的粘结剂和基底材料。措施；在中温或高温条件下要选取绝缘性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。工作电流大，输出信号大，

29、灵敏度高。但工作电流过大会使应变片工作电流大，输出信号大，灵敏度高。但工作电流过大会使应变片过热，灵敏系数产生变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。过热，灵敏系数产生变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。 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。通常静态测量时取决定。通常静态测量时取25mA左右；动态测量时可取左右；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。七、电阻应变片的动态特性七、电阻应变片的动态特性 1 1、正弦应变信号的响应特

30、性、正弦应变信号的响应特性 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。在某一瞬时t，应变，应变量沿构件分布为量沿构件分布为2.3 电阻应变片的主要特性 xtx2sinsin00 xttttx2sin0应变片中点的应变为应变片中点的应变为七、电阻应变片的动态特性七、电阻应变片的动态特性 1 1、正弦应变信号的响应特性、正弦应变信号的响应特性2.3 电阻应变片的主要特性xtt00000sin2sin2sin12020llxxd

31、xltxxmltlt sin1lltmt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七、电阻应变片的动态特性七、电阻应变片的动态特性 1 1、正弦应变信号的响应特性、正弦应变信号的响应特性2.3 电阻应变片的主要特性20200)(61)(61|1vflll ，|6maxl|60ma

32、xlvf最高频率：最高频率：最大栅长：最大栅长：七、电阻应变片的动态特性七、电阻应变片的动态特性 2 2、阶跃应变信号的响应特性、阶跃应变信号的响应特性2.3 电阻应变片的主要特性vltk08 . 0上升时间上升时间tk（应变输出从（应变输出从10%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=2.210-6 s。 用作测量的应变片，希望用作测量的应变片，希望阻值仅随应变变化，而不受其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片它因素的影响。实际上

33、应变片的阻值受环境温度的阻值受环境温度( (包括被测包括被测试件的温度试件的温度) )影响很大。影响很大。 环境温度变化引起的电阻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与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，产变化几乎有相同的数量级，产生很大的测量误差，称为应变生很大的测量误差，称为应变片的片的，又称又称。因环境温度改变而引起电阻变因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：化的两个主要因素：（1 1）应变片的敏感栅具有一定）应变片的敏感栅具有一定温度系数；温度系数；（2 2）应变片材料与测试材料的）应变片材料与测试材料的线膨胀系数不同。线膨胀系数不同。 设环境温度变化为设

34、环境温度变化为t（）时，）时，应变片敏感栅材料的电阻温度系数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，则应变片产生的电阻相对变化为化为tRRt 1八、电阻应变片的温度误差八、电阻应变片的温度误差2.3 电阻应变片的主要特性敏感栅材料和被测构件材料两者线敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当膨胀系数不同，当t存在时引起应变片存在时引起应变片的附加应变，相应的电阻相对变化为的附加应变，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试件材料线膨胀系试件材料线膨胀系数；数；g敏感栅材料线膨胀系数。敏感栅材料线膨胀系数。tKRRge 2八、电阻应变片的温度误差八、

35、电阻应变片的温度误差2.3 电阻应变片的主要特性温度变化温度变化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因此，应变片热输出因此，应变片热输出的大小不仅与应变片敏感的大小不仅与应变片敏感栅材料的性能参数栅材料的性能参数(K、t,、g)有关，而且与被测试有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数件材料的线膨胀系数(e)有有关。关。0,IRL32,41ZZZZ43,21ZZZZ2.4 电阻应变片的测量电路4321ZZZZ一、直流电桥一、直流电桥 1 1、平衡条件、平衡条件 4332110RRRRRREU2.4 电阻应变

36、片的测量电路 ERRRRRRRRRRU)1)(1 (34121134110 433211110RRRRRRRREU一、直流电桥一、直流电桥 2 2、电压灵敏度、电压灵敏度2.4 电阻应变片的测量电路 01120U1RRnnEU21101nnERRUKUEKU41max（1）非线性误差）非线性误差实际的非线性特性曲线与理实际的非线性特性曲线与理想的线性特性曲线的偏差。想的线性特性曲线的偏差。绝对非线性误差绝对非线性误差L与理想的与理想的线性特性曲线的比。线性特性曲线的比。实际输出实际输出电压电压U0与与R1/R1的关系是非线的关系是非线性的，非线性误差为性的，非线性误差为 100000UUUUU

37、L一、直流电桥一、直流电桥 3 3、非线性误差及补偿方法、非线性误差及补偿方法2.4 电阻应变片的测量电路 1111212RRRRL1)1)(1()()1()()(1)(341211343412111134RRRRERRRRRRRRRRERRRRL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非线性误差不能满足测量要求时要消除。非线性误差不能满足测量要求时要消除。1211111RRRRRRL一、直流电桥一、直流电桥 3 3、非线性误差及补偿方法、非线性误差及补偿方法2.4 电阻应变片的测量电路 一、直流电桥一、直流电桥 3 3、非线性误差及补偿方法、非线性误

38、差及补偿方法2.4 电阻应变片的测量电路 4332211110RRRRRRRRREU 21110RREU432121RRRRRR温度补温度补偿作用偿作用110RREU 一、直流电桥一、直流电桥3 3、非线性误差及补偿方法、非线性误差及补偿方法2.4 电阻应变片的测量电路 温度补温度补偿作用偿作用43213241433211ZZZZZZZZZZZZZZUUSRSC 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 2.4 电阻应变片的测量电路 1141ZZUUSRSC1121ZZUUSRSC11ZZUUSRSC二、交流电桥二、交流电桥 2

39、2、交流电桥的不平衡状态、交流电桥的不平衡状态 2.4 电阻应变片的测量电路 二、交流电桥二、交流电桥 3 3、交流电桥的调平方法、交流电桥的调平方法 2.4 电阻应变片的测量电路 I = I + I三、恒流源电桥三、恒流源电桥 1 1、电桥输出电压与电阻变化量的关系、电桥输出电压与电阻变化量的关系2.4 电阻应变片的测量电路 IRRRRRRIIRRRRRRI43212124321431；IRRRRRRRRRIRIU4321324132110RRRIIRRRRU41141400041URIU三、恒流源电桥三、恒流源电桥 1 1、电桥输出电压与电阻变化量的关系、电桥输出电压与电阻变化量的关系2.

40、4 电阻应变片的测量电路 44144100RRRRRRRRRUUI 22112112111RRRRRRRRE三、恒流源电桥三、恒流源电桥 2 2、电桥输出电压的非线性误差、电桥输出电压的非线性误差2.4 电阻应变片的测量电路 四、调零电桥电路四、调零电桥电路2.4 电阻应变片的测量电路 电阻应变片的温度补偿方法通常有电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿线路补偿和和应变片自补偿应变片自补偿两大类。两大类。 五、电阻应变片的温度误差补偿五、电阻应变片的温度误差补偿当被测试件线膨胀系数当被测试件线膨胀系数g已知时，已知时，合理选择敏感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

41、灵敏系数K以及线膨胀系数以及线膨胀系数e，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。自补偿应变片优点：自补偿应变片优点：结构简单，制造和使结构简单，制造和使用都比较方便，但必须在用都比较方便，但必须在具有一定线膨胀系数材料具有一定线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。达到温度自补偿的目的。)(0)(getgetKKtKtRRRRRRgett21 1 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2.4 电阻

42、应变片的测量电路 (Ra) t= (Rb) t焊点焊点RaRb2 2、双丝组合式自补偿应变片、双丝组合式自补偿应变片这种应变片的自补偿条件要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感求粘贴在某种试件上的两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即量大小相等，符号相反，即五、电阻应变片的温度误差补偿五、电阻应变片的温度误差补偿2.4 电阻应变片的测量电路 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R1 ；一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，；一片贴在

43、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。五、电阻应变片的温度误差补偿五、电阻应变片的温度误差补偿3 3、电路补偿法、电路补偿法2.4 电阻应变片的测量电路 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

44、，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五、电阻应变片的温度误差补偿五、电阻应变片的温度误差补偿3 3、电路补偿法、电路补偿法2.4 电阻应变片的测量电路 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

45、，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，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。五、电阻应变片的温度误差补偿五、电阻应变片的温度误差补偿3 3、电路补偿法、电路补偿法2.4 电阻应变片的测量电路 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

46、灵敏度。能提高输出的灵敏度。 3 3、电路补偿法、电路补偿法梁受弯曲应变时，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

47、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。五、电阻应变片的温度误差补偿五、电阻应变片的温度误差补偿2.4 电阻应变片的测量电路 热敏电阻热敏电阻Rt与应变片处在相同与应变片处在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温的温度下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，负温度系数热敏度升高而下降时，负温度系数热敏电阻电阻Rt的阻值下降，使电桥的输入电的阻值下降，使电桥的输入电压增加，从而提高了电桥的输出电压增加，从而提高了电桥的输出电压。压。选择分流电阻选择分流电阻R的值，可使应的值，可使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。得到很好的补偿。4

48、4、热敏电阻补偿法、热敏电阻补偿法五、电阻应变片的温度误差补偿五、电阻应变片的温度误差补偿2.4 电阻应变片的测量电路 一、应变式传感器的特点一、应变式传感器的特点1 1、应变式传感器的优点、应变式传感器的优点2.5 应变式传感器的应用 2 2、应变式传感器的缺点、应变式传感器的缺点N721010力：Pa811010压力：23/10sm加速度：VmV /几十0.1%0.01%s1171010几十几十上百上百kHz一、应变式力（荷重）传感器一、应变式力（荷重）传感器2.5 应变式传感器的应用 F一、应变式力（荷重）传感器一、应变式力（荷重）传感器 1 1、柱（筒）式力传感器、柱（筒）式力传感器 2.5 应变式传感器的应用 实心圆柱实心圆柱空心圆柱空心圆柱R6R7R8R2R3R4R5R1U0R1R3R5R7R6R8R2R4一、应变式力（荷重）传感器一、应变式力（荷重）传感器 1 1、柱（筒）式力传感器、柱（筒）式力传感器 2.5 应变式传感器的应用 一、应变式力（荷