电阻式传感器白PPT讲稿.ppt

电阻式传感器白第1页，共74页，编辑于2022年，星期日绪论绪论 4.1 4.1 电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器的工作原理 4.2 4.2 电阻应变片的种类，材料，参数电阻应变片的种类，材料，参数 4.3 4.3 电阻应变片的动态响应特性电阻应变片的动态响应特性 4.4 4.4 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 4.5 4.5 信号调节电路及电阻应变仪信号调节电路及电阻应变仪4.6电阻应变式传感器应用电阻应变式传感器应用第2页，共74页，编辑于2022年，星期日弓形小载荷传感器弓形小载荷传感器第3页，共74页，编辑于2022年，星期日应变式称重组件应变式称重组件第4页，共74页，编辑于2022年，星期日应变片图应变片图第5页，共74页，编辑于2022年，星期日测定金属结构应变量的应变计测定金属结构应变量的应变计第6页，共74页，编辑于2022年，星期日 绪绪 论论1 1电电 阻阻 应应 变变 式式 传传 感感 器器 是是 应应 用用 最最 广广 泛泛 的的 传传 感感 器器，历历 史史 悠悠久久，其其金金属属电电阻阻应应变变效效应应是是18561856年年发发现现的的，19361936年年制制成成第第一一个个应应变变片片。19381938年年美美国国麻麻省省理理工工学学院院发发明明了了粘粘贴贴式式电电阻阻应应变变计计，至至今今已已有有6060余余年年，在在这这6060年年中中，由由于于科科学学技技术术，材材料料科科学学，工工艺艺技技术术及及半半导导体体工工艺艺集集成成电电路路技技术术等等新新技技术术的的发发展展，促促进进了了电电阻阻应应变变计计的的进进步步。5050年年代代中中期期，发发明明了了箔箔式式应应变变计计，半半导导体体应应变变计计。6060年年代代出出现现了了薄薄膜膜应应变变计计及及扩扩散散硅硅半半导导体体应应变变计计。8080年年代代又又出出现现了了厚厚膜膜应应变变计计。这这些些都都为为电电阻阻应应变变式式传传感感器器的的发发展展提提供供了了良良好好的的物物质质原原理理。第7页，共74页，编辑于2022年，星期日绪绪 论论2 2 优点优点：a 精度高，测量范围广精度高，测量范围广.b 频率响应特性较好频率响应特性较好 c c 结构简单，尺寸小，重量轻结构简单，尺寸小，重量轻.d d 可在高可在高(低低)温、高速、高压、强烈振动、强温、高速、高压、强烈振动、强 磁场磁场 及核及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作.e e 易于实现小型化、固态化易于实现小型化、固态化 f f 价格低廉，品种多样，便于选择价格低廉，品种多样，便于选择缺缺点点：具具有有非非线线性性，输输出出信信号号微微弱弱，抗抗干干扰扰能能力力较较差差，因因此此信号线需要采取屏蔽措施；信号线需要采取屏蔽措施；只只能能测测量量一一点点或或应应变变栅栅范范围围内内的的平平均均应应变变，不不能能显显示示应应力力场中应力梯度的变化等；场中应力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下的测量。不能用于过高温度场合下的测量。第8页，共74页，编辑于2022年，星期日应用范围：适应于动态和静态测量，测多种非电量。电阻应变片转换电路 被测量 电阻阻值变化 电信号非电量R电量绪绪 论论3 3第9页，共74页，编辑于2022年，星期日4.1 4.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理4.1.1金属电阻的应变效应金属电阻的应变效应4.1.2电阻应变片的结构及测试原理电阻应变片的结构及测试原理4.1.3电阻应变片的横向效应电阻应变片的横向效应第10页，共74页，编辑于2022年，星期日 4.1.1金属电阻的应变效应金属电阻的应变效应金属丝在外力作用下发生机械变形，该变形会引起金属电阻阻值的变化金属丝在外力作用下发生机械变形，该变形会引起金属电阻阻值的变化,这种现象称为这种现象称为金属的电阻应变效应。金属的电阻应变效应。2 2r A A =r 2 2L L4.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理1第11页，共74页，编辑于2022年，星期日LL+dL2r2(r-dr):电阻系数电阻系数l:l:金属导线长度金属导线长度A:A:金属导线截面积金属导线截面积FF当电阻丝受到拉力当电阻丝受到拉力F时时,将伸长将伸长dL,截面积将减小截面积将减小dA。电阻率电阻率,因晶格发生形变等改变因晶格发生形变等改变d,这些量引起的电阻改变这些量引起的电阻改变dR,对其全微分得对其全微分得:第12页，共74页，编辑于2022年，星期日由材料力学可知，由材料力学可知，径向和轴向之间径向和轴向之间的关系为：的关系为：-金属材料的泊松系数金属材料的泊松系数由由:4.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理2dA/A=2dr/r第13页，共74页，编辑于2022年，星期日 K K 为为金金属属丝丝灵灵敏敏系系数数，即即表表示示金金属属丝丝单单位位变变形形时时，电电阻阻相相对对变变化化的的大大小，它受两个因素影响：小，它受两个因素影响：K由两部分组成由两部分组成：前一部分是（：前一部分是（1+2），由材料的几何尺寸变化引起；），由材料的几何尺寸变化引起；d/d/后一部分为后一部分为 由材料的电阻率变化引起由材料的电阻率变化引起（称称“压阻效应压阻效应”)x x ，定义：定义：可得电阻的相对变化与可得电阻的相对变化与轴向轴向(线线)应变的关系应变的关系得得:压阻效应压阻效应应变效应应变效应4.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理3第14页，共74页，编辑于2022年，星期日 4.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理4栅长栅长栅宽栅宽对对金金属属材材料料来来说说，主主要要以以(1+2)影影响响较较大大，K一一般般实实验验求求得得，一一般般金金属属0.3，因因此此（1+2）1.6,一般注明标称灵敏度弹性范围在一般注明标称灵敏度弹性范围在1.7-3.61内内.4.1.2电阻应变片的结构及测试原理电阻应变片的结构及测试原理电电阻阻丝丝应应变变片片一一般般用用直直径径为为0.025的的高高电电阻阻率率的的电电阻阻丝丝绕绕制制而而成成，将将电电阻阻丝丝排排列成栅网状（称敏感栅），并粘贴在绝缘的基片上两端焊接引线而成。列成栅网状（称敏感栅），并粘贴在绝缘的基片上两端焊接引线而成。第15页，共74页，编辑于2022年，星期日当用应变片测量时，将其粘贴在被测量对象表面上，当被对象受力变形时，应变片的敏感栅随之变形，电阻值改变 R ，根据 得到x，由 =Ex 得到 值。E为材料的弹性模量。为试件应力.还需要通过转换电路（电桥），转换为电流电压。4.1 4.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理5 5应变方向应变方向试件试件应变片应变片第16页，共74页，编辑于2022年，星期日4.1.3 4.1.3 电阻应变片的横向效应电阻应变片的横向效应 在直线段上金属丝受单向力拉伸时，任一端都感受相同的应变，但当弯成敏感栅之后，直线段上金属丝感受轴向拉应变x，但在原弧段上，轴向感受的应变是由+x 变到-y，所以原弧部分的电阻变化小于直线段电阻变化，产生负的电阻变化，从而降低应变片的灵敏系数，该现象称为横向效应。在设计时，应尽量减小横向效应的影响，如用箔式应变片，原弧部分尺寸大些。目前已有许多方法来减小横向效应。bOlrrdld0图为 应变片敏感栅半圆弧部分的形状。沿轴向应变为，沿横向应变为r。4.1 4.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理6 6第17页，共74页，编辑于2022年，星期日4.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理7若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴向应变作用下，全部纵栅的变形视为L1半圆弧横栅同时受到和r的作用，在任一微小段长度dl=r d上的应变可由材料力学公式求得每个圆弧形横栅的变形量l为纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅的变形量为L1=n l第18页，共74页，编辑于2022年，星期日4.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理8应变片敏感栅的总变形为敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则电阻相对变化为令则可见，敏感栅电阻的相对变化分别是和r作用的结果。第19页，共74页，编辑于2022年，星期日4.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理9当r=0时，可得轴向灵敏度系数同样，当=0时，可得横向灵敏度系数横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应系数H。即由由上上式式可可见见，r愈愈小小，l愈愈大大，则则H愈愈小小。即即敏敏感感栅栅越越窄窄、基基长长越越长长的的应应变变片片，其其横向效应引起的误差越小。横向效应引起的误差越小。第20页，共74页，编辑于2022年，星期日4.2 电阻应变片的种类，材料和参数电阻应变片的种类，材料和参数4.2.1电阻应变的种类电阻应变的种类4.2.2应变片的主要参数应变片的主要参数第21页，共74页，编辑于2022年，星期日 4.2.1 4.2.1 电阻应变的种类电阻应变的种类 金属丝式应变片金属丝式应变片 绕制敏感栅式，制作简单，绕制敏感栅式，制作简单，性质稳定，价格便宜。性质稳定，价格便宜。金属箔式应变片金属箔式应变片用照相制版并光刻腐蚀的方法，用照相制版并光刻腐蚀的方法，将金属箔材料制在绝缘基底上将金属箔材料制在绝缘基底上制成各种图形，如应变花。（第制成各种图形，如应变花。（第6464页页）金属薄膜应变片金属薄膜应变片 用薄膜技术制作，一般用真空蒸发用薄膜技术制作，一般用真空蒸发 或溅射方法在衬底上形成绝缘层，或溅射方法在衬底上形成绝缘层，然后制作金属薄膜然后制作金属薄膜电电阻阻 ，最后加，最后加 保护层。可制成各种形状。保护层。可制成各种形状。4.2 电阻应变片的种类，材料和参数电阻应变片的种类，材料和参数1第22页，共74页，编辑于2022年，星期日 半导体应变片半导体应变片 体型半导体应变片体型半导体应变片 弹性体为金属弹性体为金属 分类分类 薄膜型半导体应变片薄膜型半导体应变片 弹性体为硅片弹性体为硅片扩散硅型半导体应变片扩散硅型半导体应变片 弹性体为硅片弹性体为硅片半半导导体体应应变变片片是是目目前前使使用用较较多多的的一一种种应应变变片片，它它是是根根据据半半导导体体材材料料受受力力后后，电电阻阻率率会会发发变变化化，也就是所谓的也就是所谓的“压阻效应压阻效应压阻效应压阻效应”，也称为压阻式传感器。，也称为压阻式传感器。对半导体材料对半导体材料对金属材料电阻相对变化量 4.2 电阻应变片的种类，材料和参数电阻应变片的种类，材料和参数2第23页，共74页，编辑于2022年，星期日4.2 电阻应变片的种类，材料和参数电阻应变片的种类，材料和参数3由由于于E一一般般都都比比（1+2）大大几几十十倍倍甚甚至至上上百百倍倍，因因此此引引起起半半导导体体材材料料电电阻阻相相对对变变化化的的主主要要原原因因是是压压阻阻效效应应，所所以以上上式式可近似写成可近似写成式中式中压阻系数；压阻系数；E弹性模量；弹性模量；应力；应力；应变。应变。上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应第24页，共74页，编辑于2022年，星期日分类：厚膜陶瓷型 厚膜金属型方法：（丝网印刷，烧结）两者弹性体不同 厚膜应变片是用厚膜技术制作，是80年代开发出来的，它是在陶瓷或金属弹性体上制作厚膜电阻而成，利用了厚膜电阻受力后，阻值会发生变化的应变效应。厚厚膜应变片膜应变片 4.2 电阻应变片的种类，材料和参数电阻应变片的种类，材料和参数4第25页，共74页，编辑于2022年，星期日应应变变计计种种类类敏敏感感栅栅材材料料工工艺艺特特点点发发明明时时间间金属丝金属丝康铜镍铬康铜镍铬烧制（手工机械）烧制（手工机械）简单，粘度低，箔式代替，简单，粘度低，箔式代替，成本低（成本低（K2）1938年年金属箔金属箔康铜镍铬康铜镍铬光刻光刻稳定性好，温度性能好，稳定性好，温度性能好，成本低（成本低（K2）50年代年代金属薄膜金属薄膜康铜镍铬康铜镍铬真空沉积，浅射真空沉积，浅射稳定性好，温度性差，稳定性好，温度性差，成本高（成本高（K2）60年代年代体体型型半半导导体体硅硅稳定差，温度性能差，稳定差，温度性能差，成本低（成本低（K100）60年代年代半半导导体体薄薄膜膜硅硅，多多晶晶硅硅等等化化学学汽汽相相等等离离子子化学化学稳定性好，温度性能较好，稳定性好，温度性能较好，成本高（成本高（K100），），易集成化易集成化60年代年代扩散硅扩散硅硅硅扩散外延工艺扩散外延工艺稳定性好，温度性能较好，稳定性好，温度性能较好，成本高（成本高（K100），），易集成化易集成化60年代年代厚膜型厚膜型氧化钉等氧化钉等金属氧化物金属氧化物厚厚膜工艺膜工艺（丝丝网网，印印制制，烧制）烧制）稳定性好，温度性能好，稳定性好，温度性能好，成本低易集成化（成本低易集成化（K10）80年代年代 各各种种电电阻阻应应变变对对照照表表第26页，共74页，编辑于2022年，星期日4.2.2应变应变片的主要参数片的主要参数应变电阻值应变电阻值：6060，1K1K，120120最多最多 事实上不同种类的应变片，阻值不同事实上不同种类的应变片，阻值不同6060-10K10K绝缘电阻绝缘电阻：大于：大于10101010灵敏系数：灵敏系数：金属金属1.71.7-3.6-3.6，半导体半导体100100，厚膜厚膜 10 10单位为单位应变的电阻的相对变化值单位为单位应变的电阻的相对变化值允许电流允许电流 ：金属静态金属静态2525mAmA，动态动态7575-100mA-100mA应应变变极极限限：在在一一定定温温度度下下，指指示示应应变变和和真真实实应应变变值值的的相相对对差差值值不不超超过过一一定定数数值值时时的的最最大大真实真实 应变数值，一般规定应变数值，一般规定10%10%。4.2 电阻应变片的种类，材料和参数电阻应变片的种类，材料和参数5lim真实应变真实应变指指示示应应变变i10%1应变片的应变极限应变片的应变极限z第27页，共74页，编辑于2022年，星期日4.2 电阻应变片的种类，材料和参数电阻应变片的种类，材料和参数6机机械械滞滞后后：应应变变片片粘粘贴贴在在被被测测试试件件上上，当当温温度度恒恒定定时时，其其加加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后.1机械应变卸载加载指示应变i应变片的机械滞后零零漂漂：一一定定温温度度下下无无机机械械应应变变时时，指示应变随时间的变化。指示应变随时间的变化。蠕蠕变变：一一定定温温度度下下并并承承受受一一定定机机械械应应变变时时，指指示示应应变变随随时时间间的变的变化。化。第28页，共74页，编辑于2022年，星期日4.3 电阻应变片的动态响应特性电阻应变片的动态响应特性4.3.1应变波的传播过程应变波的传播过程4.3.2应变计的可测频率估算应变计的可测频率估算第29页，共74页，编辑于2022年，星期日 电电阻阻应应变变片片在在测测量量较较高高的的动动态态应应变变时时，也也就就是是应应变变大大小小和和方方向向随随时时间间而而改改变变时时，应应考考虑虑其其动动态态特特性性。动动态态应应变变是是以以应应变变波波的的形形式式在在试试件中传播的。常以件中传播的。常以输入阶跃和正弦两种信号输入阶跃和正弦两种信号来研究输出量的响应特性。来研究输出量的响应特性。4.3.1应变波的传播过程应变波的传播过程应应变变波波经经过过试试件件或或弹弹性性元元件件材材料料，粘粘合合层层等等最最后后传传播播到到应应变变片片上上，其其响响应电阻的变化量。整个传播过程可分为：应电阻的变化量。整个传播过程可分为：应变波在试件材料中传播应变波在试件材料中传播 应变波在粘合层和应变片基层中的传播应变波在粘合层和应变片基层中的传播(可忽略不计可忽略不计)应变波在应变片线栅长度（基长）的传播应变波在应变片线栅长度（基长）的传播4.3 电阻应变片的动态响应特性电阻应变片的动态响应特性1第30页，共74页，编辑于2022年，星期日4.3.2应变计的可测频率估算应变计的可测频率估算 在在传传播播过过程程中中，影影响响应应变变片片频频率率响响应应特特性性的的主主要要因因素素是是应应变变片片的的基基长长和和应变波在试件材料中的传播速度。应变波在试件材料中的传播速度。所以，可测频率或称截止频率可按下面三种情况估算：所以，可测频率或称截止频率可按下面三种情况估算：4.3 电阻应变片的动态响应特性电阻应变片的动态响应特性2应变波为正弦波应变波为正弦波应变片为阶跃波应变片为阶跃波其他其他第31页，共74页，编辑于2022年，星期日4.3 电阻应变片的动态响应特性电阻应变片的动态响应特性3A.应应变变波波为为正正弦弦波波当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性。因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(估计约0.2s)，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。设一频率为 f 的正弦应变波在构件中以速度 v 沿应变片栅长方向传播，在某一瞬时 t，应变量沿构件分布如图所示。应变片对应变波的动态响应第32页，共74页，编辑于2022年，星期日4.3 电阻应变片的动态响应特性电阻应变片的动态响应特性4设设应应变变波波波波长长为为，则则有有=v/f。应应变变片片栅栅长长为为l0，瞬瞬时时t时时应应变变波波沿构件分布为沿构件分布为应变片测得的应变为栅长应变片测得的应变为栅长l0范围内的平均应变范围内的平均应变p，即，即第33页，共74页，编辑于2022年，星期日4.3 电阻应变片的动态响应特性电阻应变片的动态响应特性5平均应变平均应变p的的相对误差相对误差为为（%）1.620.52误差误差的计算结果的计算结果1/201/10由上式可见，相对误差由上式可见，相对误差的大小只决定于的大小只决定于栅长与正弦应变波的波栅长与正弦应变波的波长长的比值，的比值，表中给出了为表中给出了为1/10和和1/20时时的数值。的数值。第34页，共74页，编辑于2022年，星期日4.3 电阻应变片的动态响应特性电阻应变片的动态响应特性6由表可知，应变片栅栅长长与与正正弦弦应应变变波波的的波波长长之比愈小，相对误差愈小。当选中的应变片栅长为应变波长的（1/101/20）时，将小于2%。因为式中应变波在试件中的传播速度；f应变片的可测频率。取，则若已知应变波在某材料内传播速度若已知应变波在某材料内传播速度，由上式可计算出栅长为，由上式可计算出栅长为L0的的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。第35页，共74页，编辑于2022年，星期日4.3 电阻应变片的动态响应特性电阻应变片的动态响应特性7B.应变波为阶跃波应变波为阶跃波若以输出若以输出10%上升到上升到90%的时间作为上升时间的时间作为上升时间tk,则则tk.lv，可测频率f=0.35/tkf=0.35v/0.8l0=0.44v/l0第36页，共74页，编辑于2022年，星期日4.4 电阻应变片的温度误差及其补偿电阻应变片的温度误差及其补偿4.4.1温度误差及产生原因温度误差及产生原因4.4.2温度补偿方法温度补偿方法第37页，共74页，编辑于2022年，星期日温度误差产生的原因温度误差产生的原因应变计的温度误差应变计的温度误差：（热输出）：（热输出）由于环境温度改变而由于环境温度改变而带来的误差，称为应变计的温度误差。带来的误差，称为应变计的温度误差。第38页，共74页，编辑于2022年，星期日 4.4.1温度误差及产生原因温度误差及产生原因用用应应变变片片测测量量时时，希希望望电电阻阻值值只只随随应应变变而而变变，不不受受其其它它因因素素影影响响，但但实实际际上上环环境境温温度度变变化化后后，会会引引起起电电阻阻的的相相对对变变化化，从从而而产产生生温温度度误误差差，甚甚至至由由温温度度变变化化引引起起的的电电阻阻变变化化与与试试件件应应变变所所造造成成的的电电阻阻变变化化几几乎乎具具有有相相同同的的数数量量级级，所所以以必必须须对对其其进进行行来来补补偿偿剔剔除除温温度度的的影影响响，否否则则无无法法保保证证测测量量精度。精度。造成温度误差的因素主要有两个：造成温度误差的因素主要有两个：电阻温度系数电阻温度系数引起引起设设环环境境引引起起的的构构件件温温度度变变化化为为t（）时时，粘粘贴贴在在试试件件表表面面的的应应变变片敏感栅材料的电阻温度系数为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，则应变片产生的电阻相对变化为4.4 电阻应变片的温度误差及其补偿电阻应变片的温度误差及其补偿1第39页，共74页，编辑于2022年，星期日 线膨胀系数线膨胀系数不同引起（不同引起（应变丝的应变丝的与试件与试件不同）不同）4.4 电阻应变片的温度误差及其补偿电阻应变片的温度误差及其补偿2由由于于敏敏感感栅栅材材料料和和被被测测构构件件材材料料两两者者线线膨膨胀胀系系数数不不同同，当当t 存存在在时时，引引起起应变片的附加应变，其值为应变片的附加应变，其值为e试件材料线膨胀系数；试件材料线膨胀系数；g敏感栅材料线膨胀系数。敏感栅材料线膨胀系数。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第40页，共74页，编辑于2022年，星期日4.4 电阻应变片的温度误差及其补偿电阻应变片的温度误差及其补偿3温度变化形成的总电阻相对变化：温度变化形成的总电阻相对变化：相应的虚假应变为相应的虚假应变为上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化化t 时，应变片的温度效应。用应变形式表现出来，称之为热输出。时，应变片的温度效应。用应变形式表现出来，称之为热输出。可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能(t,g)有关，有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数而且与被测试件材料的线膨胀系数(e)有关。有关。第41页，共74页，编辑于2022年，星期日 4.4.2 4.4.2 温度补偿方法温度补偿方法 桥路补偿法桥路补偿法如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为。USCR2R4R1R3E桥路补偿法由上式可知，当由上式可知，当R3、R4为常数时，为常数时，Rl和和R2对输出电压的作用方向相反。对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。常用的补偿方法之一。4.4 电阻应变片的温度误差及其补偿电阻应变片的温度误差及其补偿4第42页，共74页，编辑于2022年，星期日4.4 电阻应变片的温度误差及其补偿电阻应变片的温度误差及其补偿5测测量量应应变变时时，使使用用两两个个应应变变片片，一一片片贴贴在在被被测测试试件件的的表表面面，图图中中R1称称为为工工作作应应变变片片。另另一一片片贴贴在在与与被被测测试试件件材材料料相相同同的的补补偿偿块块上上，图图中中R2，称称为为补补偿偿应应变变片片。在在工工作作过过程程中中补补偿偿块块不不承承受受应应变变，仅仅随随温温度度发发生生变变形形。由由于于R1与与R2接接入入电电桥桥相相邻邻臂臂上上，造造成成R1t与与R2t相相同同，根根据据电电桥桥理理论论可可知知，其其输输出出电电压压USC与与温温度度无无关关。当当工工作作应应变变片片感感受受应变时，电桥将产生相应输出电压。应变时，电桥将产生相应输出电压。补偿应变片粘贴示意图补偿应变片粘贴示意图R1R2第43页，共74页，编辑于2022年，星期日4.4 电阻应变片的温度误差及其补偿电阻应变片的温度误差及其补偿6当当被被测测试试件件不不承承受受应应变变时时，R1和和R2处处于于同同一一温温度度场场，调调整整电电桥桥参参数数，可使电桥输出电压为零，即可使电桥输出电压为零，即上式中可以选择上式中可以选择R1=R2=R及及R3=R4=R。当当温温度度升升高高或或降降低低时时，若若R1t=R2t，即即两两个个应应变变片片的的热热输输出出相相等等，由上式可知电桥的输出电压为零，即由上式可知电桥的输出电压为零，即=第44页，共74页，编辑于2022年，星期日 应变片的自补偿法应变片的自补偿法利利用用温温度度自自补补偿偿应应变变片片来来实实现现温温度度补补偿偿的的方方法法称称为为应应变变片片的的补补偿法。偿法。1）选择式自补偿应变片）选择式自补偿应变片由前式知，若使应变片在温度变化由前式知，若使应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使时的热输出值为零，必须使即每每一一种种材材料料的的被被测测试试件件，其其线线膨膨胀胀系系数数都都为为确确定定值值，可可以以在在有有关关的的材材料料手手册册中中查查到到。在在选选择择应应变变片片时时，若若应应变变片片的的敏敏感感栅栅是是用用单单一一的的合合金金丝丝制制成成，并并使使其其电电阻阻温温度度系系数数和和线线膨膨胀胀系系数数满满足足上上式式的的条条件件，即即可可实实现现温温度度自自补补偿偿。具具有有这种敏感栅的应变片称为选择式自补偿应变片。这种敏感栅的应变片称为选择式自补偿应变片。4.4 电阻应变片的温度误差及其补偿电阻应变片的温度误差及其补偿7第45页，共74页，编辑于2022年，星期日4.4 电阻应变片的温度误差及其补偿电阻应变片的温度误差及其补偿82）双金属敏感栅自补偿应变片）双金属敏感栅自补偿应变片（组合式自补偿应变片法）（组合式自补偿应变片法）是是由由两两种种不不同同电电阻阻温温度度系系数数（一一种种为为正正值值，一一种种为为负负值值）的的材材料料串串联联组组成成敏敏感感栅栅，以以达达到到一一定定的的温温度度范范围围内内在在一一定定材材料料的的试试件件上上实实现现温温度度补补偿偿的的，如如图图。这这种种应应变变片片的的自自补补偿偿条条件件要要求求粘粘贴贴在在某某种种试试件件上上的的两两段段敏敏感感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即(Ra)t=(Rb)t焊点RaRb补偿效果可达0.45。第46页，共74页，编辑于2022年，星期日4.4 电阻应变片的温度误差及其补偿电阻应变片的温度误差及其补偿93）热热敏敏电电阻阻补补偿偿法法如如图图所所示示，热热敏敏电电阻阻Rt与与应应变变片片处处在在相相同同的的温温度度下下，当当应应变变片片的的灵灵敏敏度度随随温温度度升升高高而而下下降降时时，热热敏敏电电阻阻Rt的的阻阻值值下下降降，使使电电桥桥的的输输入入电电压压随随温温度度升升高高而而增增加加，从从而而提提高高电电桥桥输输出出电电压压。选选择择分分流流电电阻阻R5的的值值，可可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。TKU RtVUUSCR2R4R1R3ER5RtV第47页，共74页，编辑于2022年，星期日4.5信号调节电路及电阻应变仪信号调节电路及电阻应变仪4.5.1信号调节电路信号调节电路4.5.2非线性误差及补偿非线性误差及补偿4.5.3电阻应变仪电阻应变仪第48页，共74页，编辑于2022年，星期日4.5信号调节电路及电阻应变仪信号调节电路及电阻应变仪14.5.1信号调节电路信号调节电路R2R4R1R3ERgACDIgB电电阻阻应应变变片片可可把把应应变变转转换换成成为为电电阻阻的的变变化化，但但还还需需把把电电阻阻的的变变化化再再转转换换成成为为电电压压式式或或电电流流的的变变化化，这这就就需需要要采采用用测测量量电电桥桥作作为电阻应变式传感器的信号调节电路。为电阻应变式传感器的信号调节电路。a.直流电桥（平衡电桥直流电桥（平衡电桥）直流电桥可用直流电压式电流供电，直流电桥可用直流电压式电流供电，臂中任一电阻可用应变片代替。臂中任一电阻可用应变片代替。第49页，共74页，编辑于2022年，星期日4.5信号调节电路及电阻应变仪信号调节电路及电阻应变仪2当当R1R4=R2R3时，时，Ig=0，Ug=0，即电桥处于平衡状态。，即电桥处于平衡状态。若电桥的负载电阻若电桥的负载电阻Rg为无穷大，则为无穷大，则B、D两点可视为开路，两点可视为开路，上式可以化简为上式可以化简为式中式中Rg为负载电阻，因而其输出电压为负载电阻，因而其输出电压Ug为为第50页，共74页，编辑于2022年，星期日4.5信号调节电路及电阻应变仪信号调节电路及电阻应变仪3设设R1为为应应变变片片的的阻阻值值，工工作作时时R1有有一一增增量量R，当当为为拉拉伸伸应应变变时时，R为正；压缩应变时，为正；压缩应变时，R为负。在上式中以为负。在上式中以R1+R代替代替R1，则，则设电桥各臂均有相应的电阻增量各臂均有相应的电阻增量R1、R2、R3、R4时在实际使用时，一般多采用等臂电桥或对称电桥。在实际使用时，一般多采用等臂电桥或对称电桥。第51页，共74页，编辑于2022年，星期日4.5信号调节电路及电阻应变仪信号调节电路及电阻应变仪4等臂电桥等臂电桥当当R R1 1=R R2 2=R R3 3=R R4 4=R R时，称为等臂电桥。时，称为等臂电桥。此时电桥输出可写为此时电桥输出可写为一一般般情情况况下下，Ri（i=1，2，3，4）很很小小，即即RRi，略略去去上上式式中中的高阶微量，并利用的高阶微量，并利用式得到式得到上式表明：第52页，共74页，编辑于2022年，星期日4.5信号调节电路及电阻应变仪信号调节电路及电阻应变仪5当当RiR时，输出电压与应变呈线性关系。时，输出电压与应变呈线性关系。若若相相邻邻两两桥桥臂臂的的应应变变极极性性一一致致，即即同同为为拉拉应应变变或或压压应应变变时时，输输出出电电压压为为两两者者之之差差；若若相相邻邻两两桥桥臂臂的的极极性性不不同同时时，输输出出电电压压为为两两者之和。者之和。若若相相对对两两桥桥臂臂应应变变的的极极性性一一致致时时，输输出出电电压压为为两两者者之之和和；相相对对桥臂的应变极性相反时，输出电压为两者之差。桥臂的应变极性相反时，输出电压为两者之差。利用上述特点可进行利用上述特点可进行温度补偿和提高测量的灵敏度温度补偿和提高测量的灵敏度等臂电桥可分为：单臂，双臂，全桥。等臂电桥可分为：单臂，双臂，全桥。u单臂单臂:仅一个应变片仅一个应变片R2R4R1R3ERgACDIgB第53页，共74页，编辑于2022年，星期日4.5信号调节电路及电阻应变仪信号调节电路及电阻应变仪6u双臂双臂:（半桥）两个应变片（半桥）两个应变片u全桥全桥:四个应变片四个应变片R2R4R1R3ERgACDIgBR2R4R1R3ERgACDIgB第54页，共74页，编辑于2022年，星期日第55页，共74页，编辑于2022年，星期日b.b.交流电桥交流电桥（平衡电桥）（平衡电桥）交交流流电电桥桥是是用用交交流流供供电电，这这时时其其平平衡衡条条件件，引引线线分分布布参参数数的的影影响响,平平衡衡调调节节，信号放大电路等许多方面，与直流电桥不同，其中信号放大电路等许多方面，与直流电桥不同，其中Z Z1 1 Z Z2 2 Z Z3 3 Z Z4 4为复阻抗。为复阻抗。当电桥平衡时，当电桥平衡时，u u0 0=0=0Z Z1 1Z Z3 3=Z=Z2 2Z Z4 4 其中其中Z=Z Z=Z j j 得交流电桥的平衡条件为：得交流电桥的平衡条件为：Z Z1 1Z Z3 3=Z=Z2 2Z Z4 4 1 1+3 3=2 2+4 4即相对两臂复阻抗的模之积相等，即相对两臂复阻抗的模之积相等，幅角之和相等。幅角之和相等。.4.5信号调节电路及电阻应变仪信号调节电路及电阻应变仪7Z1、Z2、Z3、Z4各阻抗的模；各阻抗的模；1、2、3、4阻抗角，是各桥臂电流与阻抗角，是各桥臂电流与电压之间的相位差。电压之间的相位差。第56页，共74页，编辑于2022年，星期日4.5.2非非线线性性误误差差及及补补偿偿在在以以上上研研究究的的电电桥桥中中，一一般般R变变化化小小，忽忽略略分分母母中中的的R，一一般般为为线线性性的的，但但当当R变变化化较较大大时，不能忽略，否则会出现非线性误差。时，不能忽略，否则会出现非线性误差。当考虑单臂工作时，即当考虑单臂工作时，即AB桥臂变化桥臂变化R，则，则由上式展开级数，得则电桥的相对非线性误差为可见，可见，K愈大，愈大，愈大，通常愈大，通常K=1。1/2K=1/24.5信号调节电路及电阻应变仪信号调节电路及电阻应变仪8第57页，共74页，编辑于2022年，星期日消消除除方方法法有有：（1）采采用用差差动动电电桥桥（2）采采用用恒恒流流源源非非线线性性减减小小一一倍倍，温温度度性性能能也也好好于于恒恒压压（3）电电子子线线路路硬硬件件非非线线性性元元件件与与运运放放适适当当组组合合实实现现非非线线性性变变换换（4）计算机软件补偿计算机软件补偿线性插值法线性插值法查表查表4.5信号调节电路及电阻应变仪信号调节电路及电阻应变仪9第58页，共74页，编辑于2022年，星期日4.5 信号调节电路及电阻应变仪信号调节电路及电阻应变仪104.5.3电阻应变仪第59页，共74页，编辑于2022年，星期日1.1.电电 桥桥 将应变片的电阻变化按一定的比例转换成电压或电流将应变片的电阻变化按一定的比例转换成电压或电流2.2.放放 大大 器器 将电桥的输入信号进行不失真放大（常用负反馈电路）将电桥的输入信号进行不失真放大（常用负反馈电路）3.3.相敏检器相敏检器 将放大的调幅波还原成与被测信号相同的波形，根据放大器输入的调幅波将放大的调幅波还原成与被测信号相同的波形，根据放大器输入的调幅波 的相位来鉴的相位来鉴别原来的被测信号的极性（拉变式或压变式），通常由四个二极管组成的环行结构。别原来的被测信号的极性（拉变式或压变式），通常由四个二极管组成的环行结构。4.4.低通滤波器低通滤波器 由由LC LC 或或 RL RL 或或 电容电容C C组成的滤波器，可滤去检波后波形的高频部分，取出所需要的正组成的滤波器，可滤去检波后波形的高频部分，取出所需要的正确波形。确波形。相敏检波器相敏检波器+滤波器滤波器=解调器解调器5.5.振荡器振荡器 产生一种幅值稳定的高频正弦波，作电桥的供桥电压和相敏检波器的产生一种幅值稳定的高频正弦波，作电桥的供桥电压和相敏检波器的 参考电压。参考电压。一般选择载波频率为测量频率的一般选择载波频率为测量频率的5-105-10倍。倍。6.6.电源电源 供放大器和振荡器的直流电源。供放大器和振荡器的直流电源。7.7.移相器移相器 改变输出波形的相位，通过调整称相器来保证相敏检波器的输入电压和参考电改变输出波形的相位，通过调整称相器来保证相敏检波器的输入电压和参考电压同频同相或反相，保证最佳传递效率。压同频同相或反相，保证最佳传递效率。第60页，共74页，编辑于2022年，星期日 4.6电阻应变式传感器应用电阻应变式传感器应用应变式传感器应变式传感器 =弹性敏感元件弹性敏感元件+应变片应变片F F（力）（力）（应力（应力F/SF/S）（应变（应变/E/E）R/R R/R（）U USCSC第61页，共74页，编辑于2022年，星期日电阻应变式传感器的应用：测力电阻应变式传感器的应用：测力第62页，共74页，编辑于2022年，星期日4.6电阻应变式传感器应用电阻应变式传感器应用11 1、柱力式传感器、柱力式传感器圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。柱式力传感器-2+1截面积SFFF面积S-1+2b）a）在在轴轴向向布布置置一一个个或或几几个个应应变变片片，在在圆圆周周方方向向布布置置同同样样数数目目的的应应变变片片，后后者者取取符符号号相相反反的的横横向向应应变变，从从而而构构成成了了差差动动对对。由由于于应应变变片片沿沿圆圆周周方方向向分分布布，所所以以非非轴轴向向