应变式传感器3课件

2.1.3应变式传感器的信号测量（调节）电路1.测量电桥的工作原理

1)平衡电桥的工作原理图2-7直流电桥R1R3R2R4UoUab当电桥平衡时，Uo=0，则有

R1R4=R2R312.1.3应变式传感器的信号测量（调节）电路1.测量电初始时，把R1用应变片代替，未发生应变时，通过选择R2，R3，R4的阻值使电桥平衡。当应变片发生应变时，由于应变片的阻值由R1变为（R1+ΔR1），电桥不再平衡，固定R3，R4的阻值，可以通过调节R2，使电桥再次达到平衡。（R1+ΔR1

）R4≠R2R3（R1+ΔR1

）R4=（R2+ΔR2）R3R1R4+ΔR1R4=R2R3+ΔR2R3ΔR1R4=ΔR2R3（1）两次平衡（2）通过改变桥臂比，可以改变量程应用：求出了ΔR1，，就可以求出相应的应变。2初始时，把R1用应变片代替，未发生应变时，通过选择R2，R32）不平衡电桥的工作原理初始平衡，若应变片电阻变化为ΔR，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo≠0，则电桥不平衡，输出电压为初始平衡条件，假设n=R2/R1＝R4/R3，R1R4=R2R3略去分母中的微小项ΔR1/R1，则有32）不平衡电桥的工作原理初始平衡条件电桥的电压灵敏度为：分析：①电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受两方面的限制：一是应变片的允许温升；二是电桥电阻的温度误差。所以一般供电电压为1～3V。②电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。4电桥的电压灵敏度为：4分析：由,可求Su的最大值

可知n=1时，Su为最大值。即在供桥电压确定后，当R1=R2，R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，(一般取R1=R2=R3=R4)，此时有？当U值确定后，n取何值时才能使Su最高？应用：根据上式，如果已知应变，就可以求出输出电压；反之依然。5分析：由,

2.非线性误差及其补偿方法

U0与ΔR1/R1的关系是非线性的，非线性误差为

理想情况（略去分母中的ΔR1/R1项）：实际情况（保留分母中的ΔR1/R1项）：若n=1：若n=1：若n=1：62.非线性误差及其补偿方法U0与ΔR1/R1例如：对于一般应变片：所受应变ε通常在5000μ以下，若取应变片灵敏系数K=2，则ΔR1/R1=Kε=0.01，计算得非线性误差为0.5%；若K=100，ε=1000μ时，ΔR1/R1=0.1，则得到非线性误差为5%，故当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。7例如：7图2-9差动电桥减小和消除非线性误差的方法(1)差动电桥8图2-9差动电桥减小和消除非线性误差的方法8R4R3ACBUDUo半桥差动：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，接入电桥相邻桥臂。该电桥输出电压为

若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，则得可知：Uo与ΔR1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度Su=U/2，是单臂工作时的2倍。9R4R3ACBUDUo半桥差动：在试件上安装两个工作应变片，全桥差动：在试件上安装四个工作应变片，两个受拉应变，两个受压应变，接入桥路时，将两个变形符号相同的应变片接在相对臂内，符号不同的接在相邻臂内。该电桥输出电压为若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，R1=R2=R3=R4，则得可知：Uo与ΔR1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度Su=U，是单臂工作时的4倍。ACBUDUo10全桥差动：在试件上安装四个工作应变片，两个受拉应变，两个受压（2）采用高内阻的恒流源电桥1.电桥输出电压与电阻变化量的关系解此方程组得：输出电压为：图2-10恒流源电桥R1+R3R2R4UoIabI1I211（2）采用高内阻的恒流源电桥解此方程组得：输出电压为：图2-若当第一桥臂电阻变为时，电桥输出电压为：若忽略，则此时2.非线性误差恒流源与恒压源电路相比，非线性误差减少一倍。12若当第一桥臂电阻变为时，电桥输出电压2.1.4应变式传感器的应用

应变片能将应变直接转换成电阻的变化其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应变－弹性元件应变式传感器的组成：弹性元件、应变片、附件（补偿元件、保护罩等）132.1.4应变式传感器的应用应变片能将应变直接转换成电1.应变式力传感器被测物理量：荷重或力主要用途：作为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。力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等141.应变式力传感器14圆柱（筒）式力传感器（a）柱式；（b）筒式；（c）圆柱面展开图；（d）桥路连线图1）柱（筒）式力传感器15圆柱（筒）式力传感器1）柱（筒）式力传感器15

2）环式力传感器图环式力传感器(a)环式传感器结构图；(b)应力分布162）环式力传感器图环式力传感器16对R/h>5的小曲率圆环：A、B两点的应变。这样，测出A、B处的应变，即可得到载荷F。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。17对R/h>5的小曲率圆环：A、B两点的应变。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εr和切向应变εt，表达式分别为2.应变式压力传感器18主要用来测量流动介质的动态或静态压力。2.应变式压力传感器图膜片式压力传感器（a）应变变化图;（b）应变片粘贴19图膜片式压力传感器19应变变化曲线的特点：当x=0时，εrmax=εtmax；当x=R时，εt=0，εr=－2εrmax。

特点的应用：一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片，在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片，然后接成全桥测量电路。避开位置。20应变变化曲线的特点：当x=0时，εrmax=εtmax；感压膜感受上面液体的压力。当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为Uo=U1＋U2=(K1＋K2)hρg

式中,K1，K2为传感器传输系数。结论：电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系，因此可以测量容器内储存的溶液重量。3.应变式容器内液体重量传感器21感压膜感受上面液体的压力。当容器中溶液增图应变片容器内液体重量传感器22图应变片容器内液体重量传感器22用于物体加速度的测量。依据：a=F/m。图电阻应变式加速度传感器结构图4.应变式加速度传感器23用于物体加速度的测量。图电阻应变式加速度传感器结构

测量原理：将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度a运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压，即可得出加速度a值的大小。

适用范围：不适用于频率较高的振动和冲击场合，一般适用频率为10~60Hz范围。24测量原理：将传感器壳体与被测对象刚性连接，当半导体、单晶2.2压阻式传感器

用半导体应变片制作的传感器称为压阻式传感器。2.2.1压阻效应半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率发生很大变化的现象，称为半导体的压阻效应。2.2.2工作原理一个长为，横截面积为A,电阻率为ρ的均匀条形半导体材料，其电阻值为25半导体、单晶25当该均匀条形半导体材料受到一个沿长度方向的纵向应力时，它的几何形状和内部结构要发生变化，会引起电阻值的变化，通过对上式的全微分可求得它的电阻相对变化为：压阻系数:半导体材料的电阻率的相对变化与应力成正比，二者的比例系数定义为压阻系数。即式中为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料的种类及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关：E为弹性模量，与晶向有关。26当该均匀条形半导体材料受到一个沿长度方向的纵向应力时，它实验表明，对半导体材料而言，所以：半导体材料的应变灵敏系数为：27实验表明，对半导体材料而言，所以：半导体材料的应变灵敏系数为ACBEDUo2.2.3测量桥路及温度补偿－－恒流源供电全桥差动电桥假设为温度引起的电阻变化，则输出电压为：电桥的输出电压与电阻的变化成正比，与恒流源的电流成正比，但与温度无关，因此不受温度的影响。28ACBEDUo2.2.3测量桥路及温度补偿－－恒流源供电习题与思考题1.P19-202.解：RU无应变时：有应变时：3.P22-244.直流电桥：直流电源供电的电桥，由被连接成四边形的四个电阻，其中一个对角线上接电源，另一个对角线上接电压检测器。29习题与思考题RU无应变时：有应变时：3.P22-2429按桥臂的工作方式可分为：（1）电桥单臂变化（2）电桥相邻两臂同向变化（3）电桥相邻两臂反向变化（半差动电桥）（4）电桥四臂差动变化（全差动电桥）输出电压：P26-285.解：输出电压分别为：(1)(2)(3)30按桥臂的工作方式可分为：5.解：输出电压分别为：(3)6.解：（1）电阻相对变化量为：电阻变化量为：