传感器原理及应用-应变式传感器

1、电阻式传感器 第三章 应变式传感器 电阻式传感器的类别与特性电阻元件非电量电阻变化应变式电阻传感器：基本原理、工作特性和主要应用。应变式电阻传感器 第三章 应变式传感器 应变式电阻传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到 0.01-0.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。 应变式传感器特征： 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 第三章 应变式传感器 1856年，W. Thomoson发现金属丝的应变效应，并用惠斯通电桥精确测量电阻的变化 。1

2、938年，E. Simmons和A. Ruge制成纸基丝绕式应变片。1953年，P. Jackson用光刻技术制成箔式应变片。1954年，C. Smith发现半导体材料的压阻效应。 1957年，W. Mason研制出半导体应变片。 第三章 应变式传感器 3.1 电阻应变片的工作原理3.2 电阻应变片的种类3.3 电阻应变片的主要特性3.4 电阻应变片的测量电路3.5 应变式传感器的应用 第三章 应变式传感器 3.1 电阻应变片的工作原理3.2 电阻应变片的种类3.3 电阻应变片的主要特性3.4 电阻应变片的测量电路3.5 应变式传感器的应用应变式传感器的核心元件：电阻应变片，试件上的应力变化转

3、换成电阻变化。 应变效应:导体或半导体在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，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。 应变效应3.1 电阻应变片的工作原理一、金属的应变效应对于一长为L、横截面积为A、电阻率为的金属丝，其电阻值R为如果对电阻丝长度作用均匀应力，则、L、A的变化(d、dL、dA)将引起电阻R变化dR。通过对上式的全微分可得dR为金属丝的应变效应ll+ dl2r2(r-dr)FF若电阻丝是圆形的，则A=r ,对r 微分得dA=2r dr，则 3.1 电阻应变片的工作原理在弹性范围内金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为y=-

4、x为金属材料的泊松系数。定义：KS为金属丝的灵敏系数，表示单位应变所引起的电阻的相对变化，则有金属丝的应变效应ll+ dl2r2(r-dr)FF一、金属的应变效应3.1 电阻应变片的工作原理根据应力和应变的关系: 应力=E， 应变dR，dR。金属丝的应变效应ll+ dl2r2(r-dr)FF一、金属的应变效应确定的金属材料，(1+2)项是常数，其数值约在12之间，实验证明d/x 也是常数。金属的电阻相对变化与应变成正比关系。通过弹性元件，可将应力转换为应变，这是应变式传感器测量应力的基本原理。3.1 电阻应变片的工作原理应变是量纲为1的数。通常应变很小，常用10-6来表示。例如，当应变为0.0

5、00001时，在工程中常表示为110-6或m/m。在应变测量中，也常称为微应变。金属丝的应变效应ll+ dl2r2(r-dr)FF一、金属的应变效应金属材料：灵敏度系数表达式中1+2的值要比(d/)/x大得多。灵敏系数KS受两个因素影响：（1）应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2；（2）应变片受力后材料的电阻率的变化，即（d/）/ x 。3.1 电阻应变片的工作原理一、金属的应变效应半导体应变片又称为压阻式传感器。基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。3.1 电阻应变片的工作原理压阻效应：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。 半导体材料敏感条电阻率的相对变化值

6、与其在轴向所受的应力之比为一常数。即二、半导体的压阻效应当半导体材料受轴向力作用时，电阻相对变化为l半导体材料的压阻系数。式中1+2项随几何形状而变化，lE项为压阻效应，随电阻率而变化。几何形状压阻效应实验证明lE比1+2大近百倍，所以1+2可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数： 3.1 电阻应变片的工作原理半导体应变片的灵敏系数比金属丝式的高5080倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使应用范围受到一定的限制。 半导体应变片的优点：体积小，灵敏度高，频率响应范围宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接，使测量系统简单。二、半导体的压阻效应 第三章 应变式传感器 3.1

7、 电阻应变片的工作原理3.2 电阻应变片的种类3.3 电阻应变片的主要特性3.4 电阻应变片的测量电路3.5 应变式传感器的应用金属应变片：丝式 箔式 薄膜式 基片覆盖层金属丝引线金属丝应变片结构1、金属丝式应变片 金属电阻丝（合金，电阻率高，直径约0.02mm）粘贴在绝缘基片上，上面覆盖一层薄膜，变成一个整体。 3.2 电阻应变片的种类金属电阻应变片半导体电阻应变片电阻应变片一、金属电阻应变片按材料分类： 按结构分类： 单片、双片、特殊形状 按使用环境分类： 高温、低温、高压、磁场、水下 利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.0030.010 mm，粘贴在基片上，上面再覆

8、盖一层薄膜而制成。优点：表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种需要的形状，便于批量生产。金属箔式应变片3.2 电阻应变片的种类一、金属应变片 2、金属箔式应变片金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。特点：这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。 常用金属薄膜应变片3.2 电阻应变片的种类一、金属应变片 3、金属薄膜应变片3.2 电阻应变片的种类金属应变片的基本结构1、体型半导体应变片半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上制成。体型半导体应变片的结构

9、3.2 电阻应变片的种类二、半导体应变片半导体应变片的类型：体型、薄膜型和扩散型等。通过薄膜制备技术，在带有绝缘层的试件上沉积半导体材料薄膜而制成。3.2 电阻应变片的种类二、半导体应变片 2、薄膜型半导体应变片引线绝缘层金属箔基底半导体薄膜薄膜型半导体应变片的结构P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。3.2 电阻应变片的种类二、半导体应变片 3、扩散型半导体应变片扩散型半导体应变片的结构引线SiO2绝缘层N型硅吕电极P型硅扩散层 第三章 应变式传感器 3.1 电阻应变片的工作原理3.2 电阻应变片的种类3.3 电

10、阻应变片的主要特性3.4 电阻应变片的测量电路3.5 应变式传感器的应用一、弹性敏感元件的基本特性二、电阻应变片的灵敏系数三、电阻应变片的横向效应四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变五、电阻应变片的应变极限六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流七、电阻应变片的动态特性八、电阻应变片的温度误差3.3 电阻应变片的主要特性变形： 物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象。弹性变形： 当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状。弹性元件： 具有弹性变形特性的物体。 3.3 电阻应变片的主要特性一、弹性敏感元件的基本特性弹性元件在应变片测量技术中有极其重要地位。 传递给粘贴在弹性元件上的

11、应变片力、力矩或压力变换成相应的应变或位移力、力矩或压力通过应变片转换成相应的电阻值定义： 弹性元件单位变形下所需要的力，用C表示。刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，数学表达式为3.3 电阻应变片的主要特性一、弹性敏感元件的基本特性 1、刚度F作用在弹性元件上的外力，单位为牛顿（N）； x弹性元件所产生的变形，单位为毫米（mm）。 弹性特性曲线 从弹性特性曲线上可求刚度。曲线1上A点的刚度，过A点作切线，与水平夹角的正切就为A点处的刚度，即tan=dF/dx。曲线性是线性的，则刚度是一个常数，即tan=F/x=常数。定义： 通常用刚度的倒数来表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度，一

12、般用S表示，数学表达式为 3.3 电阻应变片的主要特性一、弹性敏感元件的基本特性 2、灵敏度灵敏度：单位力作用下弹性元件产生变形的大小。灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。弹性特性曲线 与刚度相似，如果弹性特性是线性的，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，各处由单位力产生的变形大小是不同的。 一、弹性敏感元件的基本特性二、电阻应变片的灵敏系数三、电阻应变片的横向效应四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变五、电阻应变片的应变极限六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流七、电阻应变片的动态特性八、电阻应变片的温度误差3.3 电阻应变片的主要

13、特性应变片敏感材料金属或半导体的电阻相对变化与应变之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示： 定义：K应变片的灵敏系数。 3.3 电阻应变片的主要特性二、电阻应变片的灵敏系数但材料做成应变片后的电阻应变特性与敏感材料本身的不同。实验表明，应变片的电阻相对变化与应变在很宽的范围内均为线性关系：灵敏系数K表示安装在被测试件上的应变片在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化与其单向应力引起的试件表面轴向应变之比。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度系数。3.3 电阻应变片的主要特性二、电阻应变片的灵敏系数主要影响因素：敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能，特别是横向效应。被测

14、体应变片标称灵敏系数：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，通过实测来确定，应变片的灵敏系数称为标称灵敏系数。应变片的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。一、弹性敏感元件的基本特性二、电阻应变片的灵敏系数三、电阻应变片的横向效应四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变五、电阻应变片的应变极限六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流七、电阻应变片的动态特性八、电阻应变片的温度误差3.3 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。 应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变

15、影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。3.3 电阻应变片的主要特性三、电阻应变片的横向效应一、弹性敏感元件的基本特性二、电阻应变片的灵敏系数三、电阻应变片的横向效应四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变五、电阻应变片的应变极限六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流七、电阻应变片的动态特性八、电阻应变片的温度误差3.3 电阻应变片的主要特性机械滞后产生原因：（1）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；（2）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。 1、机械滞后 应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械

16、滞后。3.3 电阻应变片的主要特性四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变应变片的机械滞后1机械应变R卸载加载指示应变i还与应变片所承受的应变量有关，加载时的应变愈大，卸载时的滞后也愈大。通常在实验之前预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后误差。 2、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。零点漂移产生的原因：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。 3、蠕变 在一定温度下应变片承受恒定的机械应变时，电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。蠕变产生的原因：胶层之间发生

17、“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。3.3 电阻应变片的主要特性四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变一、弹性敏感元件的基本特性二、电阻应变片的灵敏系数三、电阻应变片的横向效应四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变五、电阻应变片的应变极限六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流七、电阻应变片的动态特性八、电阻应变片的温度误差3.3 电阻应变片的主要特性应变极限：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差不超过规定范围（一般为10%）时的最大真实应变值。应变片的应变极限真实应变j指示应变i100%90%3.3 电阻应变片的主要特性五、电阻应变片的应变极限真实应变：因工作温

18、度变化或承受机械载荷，在被测试件内产生应力时所引起的表面应变。一、弹性敏感元件的基本特性二、电阻应变片的灵敏系数三、电阻应变片的横向效应四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变五、电阻应变片的应变极限六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流七、电阻应变片的动态特性八、电阻应变片的温度误差3.3 电阻应变片的主要特性 1、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，在室温下测定的电阻值，即初始电阻值。 金属电阻应变片的电阻值已标准化，有一定的系列，如60、120、250、350和1000，其中以120最为常用。 3.3 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

19、流 2、绝缘电阻 应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值Rm。通常要求Rm在50100 M以上。3.3 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 2、绝缘电阻 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。 3、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Imax。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。 工作电流的选取要根据试件的导热

20、性能及敏感栅形状和尺寸来决定。通常静态测量时取25mA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。一、弹性敏感元件的基本特性二、电阻应变片的灵敏系数三、电阻应变片的横向效应四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变五、电阻应变片的应变极限六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流七、电阻应变片的动态特性八、电阻应变片的温度误差3.3 电阻应变片的主要特性七、电阻应变片的动态特性 1、正弦应变信号的响应特性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。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，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动

21、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l0方向传播，应变片中点、两端点的坐标是xt 、x1和x2 。在某一瞬时t，应变量沿构件分布为3.3 电阻应变片的主要特性xt正弦应变波的动态响应0l0 x1xx2t应变片中点的应变为七、电阻应变片的动态特性 1、正弦应变信号的响应特性应变片测得的应变为栅长l0范围内的平均应变m，而不是xt点的应变。m数值等于l0范围内应变波曲线下的面积除以l0 ，即3.3 电阻应变片的主要特性xt正弦应变波的动态响应0l0 x1xx2t平均应变m与中点应变t相对误差为相对误差的大小只决定于l0/的比值，l0/为1/10和1/20时的数值为应变

22、片栅长与正弦应变波的波长之比愈小，相对误差愈小。（%）1.620.52误差的计算结果 1/201/10l0/ 给定级数展开计算出应变片可测动态应变的最高频率。七、电阻应变片的动态特性 1、正弦应变信号的响应特性3.3 电阻应变片的主要特性最高频率：最大栅长：七、电阻应变片的动态特性 2、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，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迟，才能达到最大值。3.3 电阻应变片的主要特性上升时间tk（应变输出从10%上升到90%的最大值所需时间）可表示为 阶跃

23、应变：理论响应：实际响应：若取l0=20mm，v=5000m/s，则tk=3.210-6 s。 一、弹性敏感元件的基本特性二、电阻应变片的灵敏系数三、电阻应变片的横向效应四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变五、电阻应变片的应变极限六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流七、电阻应变片的动态特性八、电阻应变片的温度误差3.3 电阻应变片的主要特性 用作测量的应变片，希望阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。 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，称为应变片的温度误差，又称热输

24、出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：（1）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。 设环境温度变化为t（）时，应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t，则应变片产生的电阻相对变化为八、电阻应变片的温度误差3.3 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膨胀系数不同，当t存在时引起应变片的附加应变，相应的电阻相对变化为K应变片灵敏系数; e试件材料线膨胀系数；g敏感栅材料线膨胀系数。八、电阻应变片的温度误差3.3 电阻应变片的主要特性温度变化t形成的总电阻相对变化相应的虚假应变为因此，应变片热输出的大小不仅与应变片敏感栅材料的性能参数(K、t,

25、、g)有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数(e)有关。一、弹性敏感元件的基本特性二、电阻应变片的灵敏系数三、电阻应变片的横向效应四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变五、电阻应变片的应变极限六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流七、电阻应变片的动态特性八、电阻应变片的温度误差3.3 电阻应变片的主要特性英国曼彻斯特大学的两位物理学家在石墨烯材料方面的卓越研究。海姆现年51岁，拥有荷兰国籍，诺沃肖洛夫则年仅36岁，拥有英国和俄罗斯双重国籍，两人都出生和长大在俄罗斯。评审委员会认为，“研究二维材料石墨烯的开创性实验”，“有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破”。安德烈海姆康斯坦丁诺沃

26、肖洛夫Graphene（石墨烯）Buckyballs（巴基球）The Nobel Prize in Physics 2010 第三章 应变式传感器 3.1 电阻应变片的工作原理3.2 电阻应变片的种类3.3 电阻应变片的主要特性3.4 电阻应变片的测量电路3.5 应变式传感器的应用应变电桥双臂应变电桥单臂应变电桥全臂应变电桥直流电桥：R交流电桥: R、L、C不平衡桥式：偏差测量法（动态）平衡桥式：零位测量法（静态）半等臂电桥全等臂电桥工作方式桥臂关系电源负载工作臂电压输出桥：功率输出桥：U、I电源端对称输出端对称3.4 电阻应变片的测量电路一、直流电桥 1、平衡条件当RL时，电桥输出电压 当电

27、桥平衡时，U0=0，R1 R4 = R2 R3或R1/R2 =R3/R4 U0ERLR2R4R1R3直流测量电桥3.4 电阻应变片的测量电路 若R1由应变片替代，当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为一、直流电桥 2、电压灵敏度设桥臂比n=R2/R1，R1R1有3.4 电阻应变片的测量电路 电压灵敏度KU正比于供桥电压，供电电压越高，灵敏度越高，但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。当供桥电压和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂阻值大小无关。 电压灵敏度是桥臂比的函数，恰当地选择桥臂比的值，保证有高的电压灵敏度。 在当供桥电压E确定后，当n=1即R

28、1= R2、R3= R4时，电桥的灵敏度最高。 （1）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。相对非线性误差 绝对非线性误差L与理想的线性特性曲线的比。实际输出电压U0与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为 一、直流电桥 3、非线性误差及补偿方法3.4 电阻应变片的测量电路 若四等臂电桥，即R1=R2=R3=R4则非线性误差为非线性误差不能满足测量要求时要消除。 提高桥臂比 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。为了不降低，必须适当提高供桥电压。 （2）减小或消除非线性误差的方法一、直流电桥 3、非线性误差及补偿方法3.4 电阻应变片的测量

29、电路 采用差动电桥半桥 为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥。 在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变。 桥臂电阻R1和R2都由应变片替代，接入电桥相邻桥臂，这种接法称为半桥差动电路。 采用差动电桥半桥一、直流电桥 3、非线性误差及补偿方法3.4 电阻应变片的测量电路 （2）减小或消除非线性误差的方法结论： U0 与R1/R1 成线性关系，半差动电桥无非线性误差；电压灵敏度，比使用单只应变片提高了一倍。 当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为ERLR2-R2R4R1+R1R3U0半桥差动电路温度补偿作用 采用差动电桥全桥 电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，两个受压应变。

30、两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。若满足R1=R2=R3=R4则输出电压为 全桥差动电桥也无非线性误差；电压敏度是使用单只应变片的4倍，比半桥差动提高了一倍。ERLR2-R2R4+R4R1+R1U0全桥差动电路R3 -R3一、直流电桥3、非线性误差及补偿方法3.4 电阻应变片的测量电路 （2）减小或消除非线性误差的方法温度补偿作用交流电桥输出电压为 桥路平衡条件为交流电桥USRZ2Z4Z1Z3USC二、交流电桥 1、交流电桥平衡条件 3.4 电阻应变片的测量电路 桥臂阻抗: Z= r+jx = zexp(j) z1z4=z2z31+4= 2+ 3 r1r4-r2r3=x1x4

31、-x2x3 r1x4+r4x1=r2x3+r3x2 平衡条件的另一种表示形式当Z1=Z2=Z3=Z4时，不同电桥输出： 半桥差动电路 全桥差动电路 二、交流电桥 2、交流电桥的不平衡状态 3.4 电阻应变片的测量电路 交流电桥USRZ2Z4Z1Z3USC 单臂交流电桥 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。交流电桥的平衡可用电阻调整和电容调整或阻容调整的方法。二、交流电桥 3、交流电桥的调平方法 3.4 电阻应变片的测量电路 USRR2R4R1R3USCC1C2C3C4USRR2R4R3USCR1C 半导体应变

32、电桥的非线性误差很大，故半导体应变电桥除了提高桥臂比、采用差动电桥等措施外，一般还采用恒流源。USRR2R4R1R3USC恒流源电桥I1I2若高输入阻抗电路，则有I1 ( R1+R2 )=I2 ( R3+R4 )I = I1+ I2三、恒流源电桥 1、电桥输出电压与电阻变化量的关系3.4 电阻应变片的测量电路 因此，输出电压:电桥初始平衡且R1 =R2 =R3=R4=R，当第一桥臂电阻R1 变为R1+R1 时，电桥输出电压为 若满足R1R1 则输出电压与R成正比，与被测量成正比。输出电压与恒流源供给的电流大小、精度有关，与温度无关。 三、恒流源电桥 1、电桥输出电压与电阻变化量的关系3.4 电

33、阻应变片的测量电路 USRR2R4R1R3USC恒流源电桥I1I2采用恒流源的非线性误差为采用恒压源的非线性误差为三、恒流源电桥 2、电桥输出电压的非线性误差3.4 电阻应变片的测量电路 USRR2R4R1R3USC恒流源电桥I1I2恒流源的非线性误差小于恒压源的非线性误差，仅为其一半。为了提高测量精度，传感器可采用种种补偿措施消除有关误差。补偿电桥2串接在应变片的输出1和测量仪表3之间，调节补偿电桥的电位器W，改变输出电压U02，用U02来抵消传感器的零点偏移输出电压U01。因此调节W可使传感器在空载时输出电压U0为零。四、调零电桥电路3.4 电阻应变片的测量电路 调零电桥电路电阻应变片的温

34、度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。 五、电阻应变片的温度误差补偿当被测试件线膨胀系数g已知时，合理选择敏感栅材料的电阻温度系数t、灵敏系数K以及线膨胀系数e，可在温度变化时均有Rt/R0=0，从而达到温度自补偿的目的。自补偿应变片优点：结构简单，制造和使用都比较方便，但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。 1、单丝自补偿应变片若使应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使3.4 电阻应变片的测量电路 两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的应变片材料串联组成敏感栅。一定温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿。(Ra) t= (Rb) t

35、焊点RaRb2、双丝组合式自补偿应变片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栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即五、电阻应变片的温度误差补偿3.4 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,称为工作应变片R1 ；一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，称为补偿应变片R2。在工作过程中，补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。R1R2补偿块试件五、电阻应变片的温度误差补偿3、电路补偿法3.4 电阻应变片的测量电路 当被测试件不承受应变时，R1与R2接入电桥相邻臂上，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R4ER2R

36、1R3桥路补偿法 U0当温度升高或降低t时，选择R1=R2=R及R3=R4=r，若R1t=R2t，即两个应变片的热输出相等，则电桥的输出电压为五、电阻应变片的温度误差补偿3、电路补偿法3.4 电阻应变片的测量电路 当被测试件受应变作用时，工作片R1感受应变，阻值变化R1；而补偿片R2不承受应变，阻值不变。这时电桥输出电压为R4ER2R1R3桥路补偿法 U0电桥输出电压U0 ， 只与应变有关，与温度无关。优点：简单易行，可在较大温度范围内补偿。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处于相同温度点。五、电阻应变片的温度误差补偿3、电路补偿法3.4 电阻应变片的测量电路 根据被测试件

37、承受应变的情况，有时也可不另加专门的补偿块，补偿片直接贴在被测试件上。这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度。 3、电路补偿法梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，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。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，达到了补偿的目的。R1R2F构件受弯曲应力构件受单向应力FFR1R2构件受单向应力时，工作片R2的轴线顺着应变方向，补偿片R1的轴线和应变方向垂直。五、电阻应变片的温度误差补偿3.4 电阻应变片的测量电路 热敏电阻Rt与应变片处在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，负

38、温度系数热敏电阻Rt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。选择分流电阻R的值，可使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。ER2R4R1R3热敏电阻补偿法USCRtR4、热敏电阻补偿法五、电阻应变片的温度误差补偿3.4 电阻应变片的测量电路 第三章 应变式传感器 3.1 电阻应变片的工作原理3.2 电阻应变片的种类3.3 电阻应变片的主要特性3.4 电阻应变片的测量电路3.5 应变式传感器的应用一、应变式传感器的特点1、应变式传感器的优点3.5 应变式传感器的应用 应用和测量范围广精度和灵敏度高频率响应特性好对复杂环境的适应性强商品化2、应变式传感器的缺点大应变下

39、的非线性屏蔽措施不能测应力梯度的变化0.1%0.01%几十上百kHz概念：被测物理量为荷重或力的应变式传感器时，统称为应变式力传感器。用途：各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。 特点：应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性，在受到侧向作用力或力的作用点少量变化时，不应对输出有明显的影响。一、应变式力（荷重）传感器3.5 应变式传感器的应用 常见种类：1、柱（筒）式力传感器 2、环式力传感器3、悬臂梁式力传感器F柱筒式力传感器，应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分。应变片对称地粘贴多片，电桥接线时考虑尽量减小载荷偏心和弯矩影响。横向贴片可提高灵敏

40、度并作温度补偿用。 一、应变式力（荷重）传感器 1、柱（筒）式力传感器 3.5 应变式传感器的应用 F-2+1面积SF实心圆柱F面积S-1+2空心圆柱FR6R7R8R2R3R4R5R1圆柱面展开图u0U0R1R3R5R7R6R8R2R4桥路连接汽车衡称重系统一、应变式力（荷重）传感器 1、柱（筒）式力传感器 3.5 应变式传感器的应用 与柱式相比，环式力传感器应力分布变化较大，且有正有负。测出A、B处的应变， 即可得到载荷F。 一、应变式力（荷重）传感器 2、环式力传感器3.5 应变式传感器的应用 环式结构应力分布等面积梁式力传感器（1）等截面梁悬臂梁的横截面积处处相等。一、应变式力（荷重）传

41、感器 3、悬臂梁式力传感器3.5 应变式传感器的应用 等强度梁式力传感器（3）其他形式梁梁的形式较多，如平行双孔梁、工字梁、S型拉力梁等。（2）等强度梁悬臂梁长度方向的截面积按一定规律变化，当力作用在自由端时，梁内各断面产生的应力相等，表面上的应变也相等。（3）其他形式梁一、应变式力（荷重）传感器 3、悬臂梁式力传感器3.5 应变式传感器的应用 平行双孔梁工字梁S型梁一、应变式力（荷重）传感器 3、悬臂梁式力传感器3.5 应变式传感器的应用 电子天平的精度可达十万分之一电子天平 吊钩秤 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, 如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力、枪管及炮管内部的压力、内燃机管道的压力等。压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。薄壁筒上贴有两片工作应变片，实心部分贴有两片温度补偿片。实心部分在筒