传感器原理与应用第四章：电阻应变传感器

传感器原理与应用第四章：电阻应变传感器第一页，共四十七页，2022年，8月28日学习要求1、掌握电阻应变片的工作原理2、掌握电阻应变式传感器的检测方法3、熟悉不同种类直流电桥的输出特点4、熟悉电阻应变式传感器的典型应用5、学习和掌握电阻应变传感器的创新应用第二页，共四十七页，2022年，8月28日第三页，共四十七页，2022年，8月28日

电阻应变式传感器是将被测量的应力（压力、荷重、扭力等）通过所产生的金属弹性形变转换成电阻变化的检测元件。

它由电阻应变片和测量线路两部分组成。目前应用最广泛的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片。LFF第一节电阻应变片第四页，共四十七页，2022年，8月28日各种金属应变片花第五页，共四十七页，2022年，8月28日1.1应变电阻效应

导体产生机械变形时，电阻值发生变化的现象称为“应变电阻效应”。

金属丝受力拉长，截面积S变小，由 知，R将增大。∴即径向应变∵测量相对误差：第六页，共四十七页，2022年，8月28日

金属导线在受应力拉长或缩短的时候,不仅长度要变,面积也要发生变化。其电阻的变化如何计算？第七页，共四十七页，2022年，8月28日

由材料力学知：横向应变与纵向应变

的关系可以用泊松系数

来描述：∴应变灵敏系数第八页，共四十七页，2022年，8月28日

要制成电阻应变片，用单一金属丝难以实现，所以用金属丝绕制。如用直径为0.015～0.05mm的细金属丝绕成栅网状，并粘贴在绝缘的基片上，两侧由引线接出，线栅上再覆盖一层绝缘保护膜。一般线栅面积为310mm2,阻值为60～150

对于大多数金属材料，泊松系数所以ks的数值在1.4～4.8之间，一般取ks为2（应变片的灵敏度）左右。利用这种效应制成传感器，即为电阻应变片。第九页，共四十七页，2022年，8月28日结构及材料金属丝电阻应变片的典型结构见图。它主要由粘合层1、3，基底2、盖片4，敏感栅5，引出线6构成。第十页，共四十七页，2022年，8月28日1.2

环境温度对测量的影响

造成应变片测量误差的因素很多，测量时要加以考虑。其中环境温度的影响是首要的误差。而当应变金属丝受环境温度影响时，有：RT＝RT0[1+T（T－T0）]温度系数T＝4.28×10-3/℃温度变化1℃时，RT＝RT0（1+T），即，R/R＝(RT－RT0)/RT0=2×2140比较R/R＝ksl=2l（假设KS＝2）环境温度变化1℃相当于引起2140的应变，必须解决。一般l应变单位为几百～几千(1×10-6)第十一页，共四十七页，2022年，8月28日1.3温度补偿措施1应变片补偿法

将两个特性相同的应变片，用同样的方法粘贴在同样材质的两个器件上，置于相同的温度中，承受应力的为工作片，不受应力的为补偿片。

测量时，如温度变化两个应变片引起的电阻增量不但符号相同，而且数量相同，根据电桥平衡条件R1R4＝R2R3，电桥必然保持平衡。应变片R1—测量元件应变片R2—温度补偿元件R1R2R3R4U0第十二页，共四十七页，2022年，8月28日2应变片自补偿

使用特殊的应变片，使其温度变化的电阻增量等于零或相互抵消，从而不产生测量误差。

这是利用某些电阻材料的温度系数有正负特性，将这两种不同的电阻丝串联成一个应变片来实现的温度补偿，其条件是这两段电阻丝栅随温度变化而产生的电阻增量大小相等，方向相反。即或，

这种温度补偿方法给应变片的应用带来了方便，但不易达到理想的效果，而且成本较高。第十三页，共四十七页，2022年，8月28日3热敏电阻补偿法

将热敏电阻Rt置于应变片相同的温度下，可以进行温度补偿，有下列多种方式：UBTR1RtU0不变TR1RtU0不变R1R2R3R4RtU0R1R2RtR3U0B第十四页，共四十七页，2022年，8月28日2.1电桥概述1〉电桥工作原理平衡条件：R1R2R3R4USU0第二节基本测量电路——电桥电路第十五页，共四十七页，2022年，8月28日2〉电桥分类按输入电源分：直流电桥、交流电桥、恒压源电桥、恒流源电桥按被测电阻的接入方式分：—四个桥臂中只有一个桥臂是敏感元件，其它均为电阻；

—四个桥臂中有两个敏感元件是相邻桥 臂，这两个敏感元件在测量对象中， 阻值变化大小相等，方向相反；

—四个桥臂中两个敏感元件是相对桥 臂，变化大小相对，方向相同。单臂电桥差动电桥相对臂电桥双差动电桥--四个敏感元件，分成大小相等、方向相反的两对。第十六页，共四十七页，2022年，8月28日按桥臂电阻的配备方式分：串联对称电桥(第一类对称电桥)并联对称电桥(第二类对称电桥)等臂电桥按电桥的工作方式分：平衡电桥不平衡电桥R1R2R3R4USU0a)对称电桥R1＝R2,R3

＝R4R1＝R3，R2＝R4R1＝R2＝R3

＝R4b)不对称电桥不满足上述条件的电桥满足R1R4＝R2R3又称“全对称电桥第十七页，共四十七页，2022年，8月28日2.2不平衡单臂电桥的工作特性单臂R1为敏感元件变化的电桥输出为：对串联对称电桥：由R1=R2,R3=R4,得由(Q是微小量)可展成泰勒级数：所以得：第十八页，共四十七页，2022年，8月28日忽略后一项2/8，得理想输出电桥电压灵敏度：非线性度：可见，输入量变化越大，非线性误差越大。若要求电桥误差小于0.03，即f≤3％则允许最大值为0.06（最大的测量范围）其结论同全对称电桥。第十九页，共四十七页，2022年，8月28日2.3差动电桥的工作特性

设：且则灵敏度比单臂电桥高一倍线性度R1和R2为敏感元件第二十页，共四十七页，2022年，8月28日2.4双差动电桥的工作特性灵敏度比差动电桥高一倍线性度

设：均为敏感元件R1＝R2＝R3＝R4且第二十一页，共四十七页，2022年，8月28日2.4相对臂电桥的工作特性设得灵敏度较高，但非线性误差较大，常用于极性显示。第二十二页，共四十七页，2022年，8月28日2.5提高不平衡电桥输出线性度的方法2电桥输出端串接一大阻值的电阻RLR1R2R3R4USU0RLIoU0R0RLIo当RL>>R0电桥输出电阻1采用差动电桥工作方式（前面已述）第二十三页，共四十七页，2022年，8月28日3采用恒流源供电方式等臂电桥：若R1为敏感元件，有：R2R4R1R3ISUososUU4e=线性度：理想输出：灵敏度：若US＝RIS供电，灵敏度近似不变，非线性误差为

/2。第二十四页，共四十七页，2022年，8月28日4采用有源电桥方式由得

有源电桥的输出在较小范围内为线性，灵敏度较等臂电桥提高一倍，输出信号的极性与无源电桥相反。RRRR+REoUs同相输入反相输入第二十五页，共四十七页，2022年，8月28日2.6电桥调零

原被测量的总元件无变化时，输出量应为零。即满足。若不平衡，则须调零。一般有两种调零方式：串联调零

应用于R1、R2值较大的场合，此时，RW越小，对传感器灵敏度的影响越小。USR1R2R3R4U0RW第二十六页，共四十七页，2022年，8月28日并联调零

该方式应用于桥臂电阻R2、R4值较小的场合。此时，Rw越大，对桥路影响越小。R1R2R3R4USU0RW第二十七页，共四十七页，2022年，8月28日2.7交流电桥Z1Z2Z3Z4～

采用交流电源供电的电桥称为“交流电桥”。设Z1＝z1ej1Z2＝z2ej2Z3＝z3ej3Z4＝z4ej4交流电桥平衡的条件是：Z1Z4＝Z2Z3z1z4＝z2z31＋4＝2＋3交流电桥的调零要调两个参数。第二十八页，共四十七页，2022年，8月28日第三节电阻应变片传感器的应用第二十九页，共四十七页，2022年，8月28日(1)力及扭矩的测量柱式转换法差动法R1受纵向力变化R2受横向力变化FFFR1R2环状法FF在拉力作用下，内环拉长，外环压缩，可构成双差动电桥，灵敏度比差动电桥提高一倍。第三节电阻应变片传感器的应用第三十页，共四十七页，2022年，8月28日几种梁式传感器外形第三十一页，共四十七页，2022年，8月28日(2)加速度的测量根据F=ma测得F便可以得到a。maF(3)流体压力的测量测量原理：压力位移应力第三十二页，共四十七页，2022年，8月28日第三十三页，共四十七页，2022年，8月28日应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置R1R2

R4第三十四页，共四十七页，2022年，8月28日应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF第三十五页，共四十七页，2022年，8月28日应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF第三十六页，共四十七页，2022年，8月28日汽车衡第三十七页，共四十七页，2022年，8月28日汽车衡第三十八页，共四十七页，2022年，8月28日汽车衡称重系统第三十九页，共四十七页，2022年，8月28日电子天平电子天平的精度可达十万分之一第四十页，共四十七页，2022年，8月28日人体秤

第四十一页，共四十七页，2022年，8月28日吊钩秤

便携式第四十二页，共四十七页，2022年，8月28日应变式数显扭矩扳手

可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2~500N.m，耗电量≤10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。第四十三页，共四十七页，2022年，8月28日材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试

第四十四