第三章电阻传感器PPT讲稿.ppt

第三章电阻传感器第1页，共84页，编辑于2022年，星期二2-1 2-1 应变式传感器应变式传感器应变式传感器是基于金属电阻的应变效应变式传感器是基于金属电阻的应变效应制成。应制成。一、金属的电阻应变效应一、金属的电阻应变效应金属导体的电阻随着机械变形（伸长或金属导体的电阻随着机械变形（伸长或缩短）的大小发生变化的现象称为缩短）的大小发生变化的现象称为金属的电金属的电阻应变效应阻应变效应。第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第2页，共84页，编辑于2022年，星期二金属丝受拉时，金属丝受拉时，l l、r r 和和 R 将如何变化？将如何变化？提出问题提出问题提出问题提出问题第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第3页，共84页，编辑于2022年，星期二结论：结论：结论：结论：金属丝受拉时，金属丝受拉时，金属丝受拉时，金属丝受拉时，l l变长、变长、r变小，导致变小，导致变小，导致变小，导致R变大变大变大变大。第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器第4页，共84页，编辑于2022年，星期二llrrFF设一根长为设一根长为l，截面积为，截面积为S，电阻系数为，电阻系数为的电的电阻丝，其电阻值阻丝，其电阻值R为：为：导线两端受到力导线两端受到力F作用时作用时第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器第5页，共84页，编辑于2022年，星期二将上式取对数再微分，则引起电阻值变化将上式取对数再微分，则引起电阻值变化dR：因因，由材料力学可知：由材料力学可知：（径向变化）（径向变化），式中，式中泊松比泊松比表示电阻丝轴向的相对变化，也就是表示电阻丝轴向的相对变化，也就是应变应变。第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第6页，共84页，编辑于2022年，星期二令令则则K金属电阻丝金属电阻丝的相对灵敏度系数。的相对灵敏度系数。金属电阻丝的相对灵敏度系数受两个因素影响：金属电阻丝的相对灵敏度系数受两个因素影响：（1）受力后材料的几何尺寸变化所引起的；即）受力后材料的几何尺寸变化所引起的；即（2）受力后材料的电阻率发生变化引起的；即）受力后材料的电阻率发生变化引起的；即项项项项第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器第7页，共84页，编辑于2022年，星期二二、应变片的结构二、应变片的结构应变片由电阻丝（敏感栅）、基底、引线和粘合剂组成。应变片由电阻丝（敏感栅）、基底、引线和粘合剂组成。第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器第8页，共84页，编辑于2022年，星期二敏感栅由很细的电阻丝（敏感栅由很细的电阻丝（0.010.05mm）或箔式金）或箔式金属片（厚度为属片（厚度为310m）组成。）组成。敏感栅常用下列材料制成敏感栅常用下列材料制成：（1）康铜（铜镍合金）：康铜（铜镍合金）：最常用；最常用；（2）镍鉻合金：镍鉻合金：多用于动态；多用于动态；（3）镍鉻铝合金：镍鉻铝合金：作中、高温应变片；作中、高温应变片；（4）镍鉻铁合金：镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片；疲劳寿命要求高的应变片；（5）铂及铂合金：铂及铂合金：高温动态应变测量。高温动态应变测量。第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器第9页，共84页，编辑于2022年，星期二第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器第10页，共84页，编辑于2022年，星期二电阻应变片电阻应变片的灵敏度系数定义为：的灵敏度系数定义为：为轴向应变。为轴向应变。其中其中实验证明，实验证明，电阻丝电阻丝的应变灵敏度系数不等的应变灵敏度系数不等于于电阻丝应变片电阻丝应变片的应变灵敏度系数，即的应变灵敏度系数，即。（电阻丝应变片存在横向效应）（电阻丝应变片存在横向效应）第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第11页，共84页，编辑于2022年，星期二l0PP2bar图图4放大的栅状电阻应变片及弯角放大的栅状电阻应变片及弯角部分示意图部分示意图纵向应变纵向应变造成电阻增加，横向应造成电阻增加，横向应变变造成电阻减少。造成电阻减少。第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器第12页，共84页，编辑于2022年，星期二经推导得：经推导得：n直线部分栅丝的数目；直线部分栅丝的数目；n-1弯角部分的个数。弯角部分的个数。可见可见，即应变片存在横向效应使应变片的灵即应变片存在横向效应使应变片的灵敏度系数小于电阻丝的应变灵敏度系数敏度系数小于电阻丝的应变灵敏度系数。第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器第13页，共84页，编辑于2022年，星期二小结小结金属电阻金属电阻金属电阻金属电阻应变片应变片应变片应变片金属丝金属丝金属丝金属丝式应变片式应变片式应变片式应变片箔式箔式箔式箔式应变片应变片应变片应变片金属薄膜金属薄膜金属薄膜金属薄膜应变片应变片应变片应变片应用较多 金属丝式应变片使用最早，但由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，能将温度影响减小到最小的程度，适合于大批量生产。第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第14页，共84页，编辑于2022年，星期二由于机械应变一般都很小由于机械应变一般都很小由于机械应变一般都很小由于机械应变一般都很小,那么考虑那么考虑那么考虑那么考虑通常采用通常采用通常采用通常采用直流电桥直流电桥和和和和交流电桥交流电桥。提出问题？提出问题？提出问题？提出问题？三、三、电阻应变片的测量转换电路电阻应变片的测量转换电路l要把微小应变引起的微小电阻变化要把微小应变引起的微小电阻变化要把微小应变引起的微小电阻变化要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来测量出来；l同时要把电阻相对变化同时要把电阻相对变化R/R转换转换为为为为电压电压或或或或电流电流电流电流的的的的变化变化变化变化。应该采用什么测量转换电路？应该采用什么测量转换电路？应该采用什么测量转换电路？应该采用什么测量转换电路？回答回答第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第15页，共84页，编辑于2022年，星期二1.直流电桥直流电桥由四个桥臂由四个桥臂由四个桥臂由四个桥臂R R1 1、R R2 2、R R3 3及及及及R R4 4和一和一和一和一个供桥电源个供桥电源个供桥电源个供桥电源U U组成。组成。组成。组成。R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4B BD DU Uo oU UA AC C R RL LI IL Ln n 电路特点：电路特点：电路特点：电路特点：当被测量无变化，且四桥臂满足一定的关系，输出为零；当被当被测量无变化，且四桥臂满足一定的关系，输出为零；当被当被测量无变化，且四桥臂满足一定的关系，输出为零；当被当被测量无变化，且四桥臂满足一定的关系，输出为零；当被测量发生变化时，测量电桥平衡被破坏，有电压输出。测量发生变化时，测量电桥平衡被破坏，有电压输出。测量发生变化时，测量电桥平衡被破坏，有电压输出。测量发生变化时，测量电桥平衡被破坏，有电压输出。n n 电路组成电路组成电路组成电路组成其中，其中，其中，其中，R RL L为负载电阻为负载电阻为负载电阻为负载电阻U Uo o为电桥输出电压。为电桥输出电压。为电桥输出电压。为电桥输出电压。第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第16页，共84页，编辑于2022年，星期二A.A.直流电桥直流电桥直流电桥直流电桥a.a.a.a.电桥平衡条件电桥平衡条件电桥平衡条件电桥平衡条件R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4B BD DU Uo oU UA AC C R RL LI IL L当电桥平衡时当电桥平衡时当电桥平衡时当电桥平衡时,U Uo o=0,=0,则有：则有：则有：则有：R R1 1R R4 4=R R2 2R R3 3欲使电桥平衡欲使电桥平衡欲使电桥平衡欲使电桥平衡,其相邻两臂电阻的比值应相等其相邻两臂电阻的比值应相等其相邻两臂电阻的比值应相等其相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两或相对两或相对两或相对两臂电阻的乘积相等。臂电阻的乘积相等。臂电阻的乘积相等。臂电阻的乘积相等。电桥平衡条件电桥平衡条件电桥平衡条件电桥平衡条件结论：结论：或或或或第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器第17页，共84页，编辑于2022年，星期二R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4B BD DU Uo oU UA AC C R RL LI IL L分析：分析：b.b.电压灵敏度电压灵敏度（1 1）R2,R R3 3,R R4为电桥固定电阻为电桥固定电阻这就构成了这就构成了单臂电桥单臂电桥。R R1为电阻应变片为电阻应变片第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第18页，共84页，编辑于2022年，星期二（2 2）当）当）当）当R R1 1产生应变时产生应变时产生应变时产生应变时,若应变若应变若应变若应变片电阻变化为片电阻变化为片电阻变化为片电阻变化为RR1，其它桥臂固，其它桥臂固，其它桥臂固，其它桥臂固定不变，定不变，定不变，定不变，电桥输出电压电桥输出电压电桥输出电压电桥输出电压U Uo o00R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4B BD DU Uo oU UA AC C R RL LI IL L分析：分析：b.b.电压灵敏度电压灵敏度电桥不平衡输出电压为电桥不平衡输出电压为:设桥臂比设桥臂比设桥臂比设桥臂比n n=R R2 2/R R1 1考虑到平衡条件考虑到平衡条件考虑到平衡条件考虑到平衡条件R R2 2/R R1 1=R R4 4/R R3 3且且且且 R R1 1/R R1 1很小可忽略很小可忽略很小可忽略很小可忽略第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第19页，共84页，编辑于2022年，星期二电桥电压灵敏度定义为：电桥电压灵敏度定义为：R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4B BD DU Uo oU UA AC C R RL LI IL L分析：分析：分析：分析：b.b.b.b.电压灵敏度电压灵敏度电压灵敏度电压灵敏度电桥不平衡输出电压为电桥不平衡输出电压为电桥不平衡输出电压为电桥不平衡输出电压为:第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器第20页，共84页，编辑于2022年，星期二 电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度Ku=KuKu=Ku(n n)，恰当地选择桥臂比恰当地选择桥臂比恰当地选择桥臂比恰当地选择桥臂比n n 的值，的值，的值，的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。保证电桥具有较高的电压灵敏度。保证电桥具有较高的电压灵敏度。保证电桥具有较高的电压灵敏度。分析可知：分析可知：分析可知：分析可知：电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度 电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度KuKu正比于电桥供电电压正比于电桥供电电压正比于电桥供电电压正比于电桥供电电压U U 提出问题？提出问题？提出问题？提出问题？当当当当U U值确定后值确定后值确定后值确定后,n n值取何值时使值取何值时使值取何值时使值取何值时使KuKu最高最高最高最高？但供电电压但供电电压但供电电压但供电电压U U的提高受到应变片允许功耗的限制，所以的提高受到应变片允许功耗的限制，所以的提高受到应变片允许功耗的限制，所以的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择要作适当选择要作适当选择要作适当选择;U UKuKu 第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器第21页，共84页，编辑于2022年，星期二当当当当dKu/dn=0时，求时，求KuKu的最大值。的最大值。的最大值。的最大值。即：即：在电桥电压确定后在电桥电压确定后,当当R R1 1=R R2 2=R3=R4 4时时,电桥电电桥电压灵敏度最高压灵敏度最高,此时有此时有解决办法：解决办法：求得求得求得求得n=1时时,KuKu为最大值为最大值为最大值为最大值当电桥电压当电桥电压U U和电阻相对变化量和电阻相对变化量和电阻相对变化量和电阻相对变化量 R R1/R1 1一定时一定时一定时一定时,电桥的电桥的电桥的电桥的输出电压及其灵敏度也是定值输出电压及其灵敏度也是定值输出电压及其灵敏度也是定值输出电压及其灵敏度也是定值,且与各桥臂电阻阻值大小无关。且与各桥臂电阻阻值大小无关。且与各桥臂电阻阻值大小无关。且与各桥臂电阻阻值大小无关。结论：结论：第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第22页，共84页，编辑于2022年，星期二c.c.c.c.非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法理想值理想值理想值理想值实际值实际值实际值实际值 非线性误差非线性误差如果是四等臂电桥如果是四等臂电桥,R1=R R2 2=R R3=R R4 4,则则提出问题？提出问题？非线性误差非线性误差是否能满足测量要求？是否能满足测量要求？第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器第23页，共84页，编辑于2022年，星期二讨论：讨论：讨论：讨论：非线性误差是否能满足测量要求？非线性误差是否能满足测量要求？对于一般应变片来说，所受应变对于一般应变片来说，所受应变对于一般应变片来说，所受应变对于一般应变片来说，所受应变通常在通常在通常在通常在510510-3以下。以下。以下。以下。（1 1）若取）若取）若取）若取K K=2,=2,则则则则 R R1 1/R1 1=K K=0.01,=0.01,代入上式计算得非线代入上式计算得非线代入上式计算得非线代入上式计算得非线性误差为性误差为性误差为性误差为0.5%;（2）若）若K K=130,=10-3-3时时,R R1/R R1 1=0.130,=0.130,则得到非线则得到非线则得到非线则得到非线性误差为性误差为性误差为性误差为6%。结论：结论：结论：结论：K K较小时，非线性误差能满足测量要求；当较小时，非线性误差能满足测量要求；当较小时，非线性误差能满足测量要求；当较小时，非线性误差能满足测量要求；当K K 到某值到某值到某值到某值时，非线性误差已不能满足测量要求。时，非线性误差已不能满足测量要求。时，非线性误差已不能满足测量要求。时，非线性误差已不能满足测量要求。利用利用和和两式，有：两式，有：必须予以必须予以必须予以必须予以减小和克服减小和克服减小和克服减小和克服非线性误差。非线性误差。非线性误差。非线性误差。如何解决？如何解决？第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器第24页，共84页，编辑于2022年，星期二解决办法：解决办法：（1）差动电桥差动电桥即：在试件上安装两个工作应变片即：在试件上安装两个工作应变片即：在试件上安装两个工作应变片即：在试件上安装两个工作应变片,一个一个一个一个受拉应变受拉应变受拉应变受拉应变,一个一个受受压应变压应变,接入电桥相邻桥臂接入电桥相邻桥臂接入电桥相邻桥臂接入电桥相邻桥臂,称为称为称为称为半桥差动电路半桥差动电路。第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第25页，共84页，编辑于2022年，星期二R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4B BD DU Uo oU UA AC C R RL LI IL L单臂电桥单臂电桥单臂电桥单臂电桥R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4B BD DU Uo oU UA AC C R RL LI IL L双臂电桥双臂电桥双臂电桥双臂电桥（半桥式）（半桥式）（半桥式）（半桥式）R R1 1测量测量测量测量R R2 2R R4 4R R3 3a ab bU Uo oU U单臂工作单臂工作单臂工作单臂工作R R1 1测量测量测量测量R R2 2R R4 4R R3 3a ab bU Uo oU U测量测量测量测量双臂工作双臂工作双臂工作双臂工作第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器第26页，共84页，编辑于2022年，星期二解决办法：解决办法：解决办法：解决办法：（1 1）差动电桥差动电桥差动电桥差动电桥即：在试件上安装两个工作应变片即：在试件上安装两个工作应变片,一个一个受拉应变受拉应变受拉应变受拉应变,一个一个一个一个受压应变受压应变受压应变受压应变,接入电桥相邻桥臂接入电桥相邻桥臂接入电桥相邻桥臂接入电桥相邻桥臂,称为半桥差动电路。称为半桥差动电路。称为半桥差动电路。称为半桥差动电路。测量测量测量测量R R1 1R R2 2R R4 4R R3 3a ab bU Uo oU U测量测量测量测量半桥式（半桥式（半桥式（半桥式（双臂工作双臂工作双臂工作双臂工作）该电桥输出电压为该电桥输出电压为若若则得则得第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第27页，共84页，编辑于2022年，星期二解决办法：解决办法：（1）差动电桥差动电桥差动电桥差动电桥呈线性关系；呈线性关系；无非线性误差；无非线性误差；电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度K K=U U /2,/2,比单臂工作时提高一倍。比单臂工作时提高一倍。比单臂工作时提高一倍。比单臂工作时提高一倍。结论：结论：结论：结论：第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器解决办法：解决办法：（2）恒流源电桥恒流源电桥恒流源电桥恒流源电桥非线性误差减少，但不能消除，一般用于半导体应变片非线性误差减少，但不能消除，一般用于半导体应变片非线性误差减少，但不能消除，一般用于半导体应变片非线性误差减少，但不能消除，一般用于半导体应变片中。中。中。中。见教科书见教科书P30303030。第28页，共84页，编辑于2022年，星期二解决办法：解决办法：解决办法：解决办法：（2 2）恒流源电桥恒流源电桥恒流源电桥恒流源电桥非线性误差减少，但不能消除，一般用于半导体应变非线性误差减少，但不能消除，一般用于半导体应变片中。片中。第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器第29页，共84页，编辑于2022年，星期二d.d.电压灵敏度的不足电压灵敏度的不足电压灵敏度的不足电压灵敏度的不足第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器单臂电桥电压灵敏度定义为：单臂电桥电压灵敏度定义为：单臂电桥电压灵敏度定义为：单臂电桥电压灵敏度定义为：双臂电桥电压灵敏度定义为：双臂电桥电压灵敏度定义为：因应变片的电阻变化与温度有关，而温度与供电电压因应变片的电阻变化与温度有关，而温度与供电电压有关。因此直流电桥的供电电压一般取有关。因此直流电桥的供电电压一般取13v。第30页，共84页，编辑于2022年，星期二第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器解决办法：解决办法：四臂电桥（全桥电路）四臂电桥（全桥电路）测量测量测量测量R R1 1R R2 2R R4 4R R3 3a ab bU Uo oU U测量测量测量测量全桥式（全桥式（全桥式（全桥式（四臂工作四臂工作四臂工作四臂工作）测量测量测量测量测量测量测量测量即：在试件上安装四个工作应变即：在试件上安装四个工作应变片片,两组相对桥臂分别同时两组相对桥臂分别同时受拉应受拉应受拉应受拉应变变变变,和和和和受压应变受压应变,称为全桥差动电路。称为全桥差动电路。称为全桥差动电路。称为全桥差动电路。该电桥输出电压为该电桥输出电压为第31页，共84页，编辑于2022年，星期二第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器解决办法：解决办法：解决办法：解决办法：四臂电桥（全桥电路）四臂电桥（全桥电路）四臂电桥（全桥电路）四臂电桥（全桥电路）该电桥输出电压为该电桥输出电压为若：若：则：则：可知全桥电压灵敏度为：可知全桥电压灵敏度为：第32页，共84页，编辑于2022年，星期二e.温度误差及其补偿温度误差及其补偿第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器1、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化t 时，敏感栅材料电阻温度系数为t，则引起的电阻相对变化为2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化温度误差第33页，共84页，编辑于2022年，星期二e.温度误差及其补偿温度误差及其补偿第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器相应的虚假应变输出可得由于温度变化而引起的总电阻相对变化为第34页，共84页，编辑于2022年，星期二e.温度误差及其补偿温度误差及其补偿第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器单丝自补偿法自补偿法组合式自补偿法线路补偿法温度补偿电桥补偿法外电路补偿法第35页，共84页，编辑于2022年，星期二e.e.温度误差及其补偿温度误差及其补偿温度误差及其补偿温度误差及其补偿第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器（1）单丝自补偿应变片由温度引起的虚假应变输出可知，实现温度补偿的条件为由温度引起的虚假应变输出可知，实现温度补偿的条件为当被测试件的线膨胀系数当被测试件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料，已知时，通过选择敏感栅材料，使下式成立使下式成立即可达到温度自补偿的目的。即可达到温度自补偿的目的。优点：易加工，成本低，优点：易加工，成本低，缺点：只适用特定试件材料，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围较窄。温度补偿范围较窄。第36页，共84页，编辑于2022年，星期二e.e.温度误差及其补偿温度误差及其补偿温度误差及其补偿温度误差及其补偿第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器R1R2组合自补偿法（2）双金属敏感栅自补偿应变片双金属敏感栅自补偿应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达0.45m/的高精度第37页，共84页，编辑于2022年，星期二e.温度误差及其补偿温度误差及其补偿第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器（3）电桥补偿电桥补偿测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变。当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡。第38页，共84页，编辑于2022年，星期二e.温度误差及其补偿温度误差及其补偿第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器（3）电桥补偿电桥补偿令：R1=RB=R3=R4=R当当R1上有应力产生，上有应力产生，R1和和RB上的温度影响一致时：上的温度影响一致时：输出与温输出与温度无关度无关第39页，共84页，编辑于2022年，星期二e.e.温度误差及其补偿温度误差及其补偿温度误差及其补偿温度误差及其补偿第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器（3）电桥补偿电桥补偿为达到完全补偿，需满足下列三个条件：为达到完全补偿，需满足下列三个条件：R1和和R2须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数、线膨胀、线膨胀系数系数、应变灵敏系数、应变灵敏系数K都相同，两片的初始电阻值也要求相同；都相同，两片的初始电阻值也要求相同；用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等；同，即要求两者线膨胀系数相等；两应变片处于同一温度环境中。两应变片处于同一温度环境中。此方法简单易行，能在较大温度范围内进行补偿。缺点是三个条件不易满足，尤其是条件此方法简单易行，能在较大温度范围内进行补偿。缺点是三个条件不易满足，尤其是条件。在某些测试条件下，温度场梯度较大，在某些测试条件下，温度场梯度较大，R1和和R2很难处于相同温度点。很难处于相同温度点。第40页，共84页，编辑于2022年，星期二e.e.温度误差及其补偿温度误差及其补偿温度误差及其补偿温度误差及其补偿第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器（4）外补偿外补偿采用热敏电阻进行补偿采用热敏电阻进行补偿。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，热敏电阻Rt的阻值下降，使电桥的输入电压温度升高而增加，从而提高电桥输出电压。选择分流电阻R5的值，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。USCR2R4R1R3ERtR5第41页，共84页，编辑于2022年，星期二d.d.零点误差及其补偿零点误差及其补偿零点误差及其补偿零点误差及其补偿第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器为达到电桥平衡，必须消除零点误差。即在没有应力产生的情况为达到电桥平衡，必须消除零点误差。即在没有应力产生的情况下，保证电桥输出为下，保证电桥输出为0。第42页，共84页，编辑于2022年，星期二l l 应变片应变片应变片应变片R R1 1工作时工作时工作时工作时,其电阻值变化很小，其电阻值变化很小，其电阻值变化很小，其电阻值变化很小，即：即：即：即：R R1 1很小很小很小很小l电桥相应输出电压也很小，即：电桥相应输出电压也很小，即：电桥相应输出电压也很小，即：电桥相应输出电压也很小，即：Uo o很小很小很小很小所以，一般需要所以，一般需要加入放大器放大加入放大器放大。放大器放大器放大器放大器（1 1）考虑：）考虑：）考虑：）考虑：R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4B BD DU Uo oU UA AC C R RL LI IL Lg.直流电桥存在的不足直流电桥存在的不足第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器存在零点存在零点存在零点存在零点漂移漂移漂移漂移第43页，共84页，编辑于2022年，星期二交流电桥交流电桥R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4B BD DA AC C R RL LI IL L C C1 1C C2 2 由于供桥电源为交流电由于供桥电源为交流电源源,引线分布电容使得引线分布电容使得桥臂应桥臂应变片呈现复阻抗特性变片呈现复阻抗特性。即相当于二只应变片各并联即相当于二只应变片各并联了一个电容了一个电容,则每一桥臂上复则每一桥臂上复阻抗分别为：阻抗分别为：a.a.a.a.电路特点电路特点电路特点电路特点第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第44页，共84页，编辑于2022年，星期二交流电桥交流电桥由交流电路分析可得由交流电路分析可得由交流电路分析可得由交流电路分析可得要满足电桥平衡条件要满足电桥平衡条件,即即Uo=0,则有则有Z1 1 Z Z4 4=Z Z2 Z Z3 3a.a.a.a.平衡条件平衡条件平衡条件平衡条件 其实部、其实部、其实部、其实部、虚部分别相等虚部分别相等虚部分别相等虚部分别相等,并整理可得并整理可得并整理可得并整理可得:第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第45页，共84页，编辑于2022年，星期二交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥电阻平衡条件电阻平衡条件电阻平衡条件电阻平衡条件电容平衡条件电容平衡条件交流电桥的平衡条件交流电桥的平衡条件:其实部、其实部、虚部分别相等虚部分别相等,并整理可得并整理可得:即即要要满满足足电电电电阻阻阻阻平平平平衡衡衡衡条条条条件件件件，还还还还要要要要满满满满足足足足电电电电容容容容平衡条件平衡条件平衡条件平衡条件。第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器第46页，共84页，编辑于2022年，星期二交流电桥交流电桥交流电容电桥除要满足电阻平衡条件外交流电容电桥除要满足电阻平衡条件外,还必须满足电容平衡条件。还必须满足电容平衡条件。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第47页，共84页，编辑于2022年，星期二1、几何尺寸几何尺寸：敏感栅基长、基宽、应变片的基底长：敏感栅基长、基宽、应变片的基底长和基底宽；和基底宽；2、初始电阻初始电阻：未粘贴前，在室温下测得的电阻：未粘贴前，在室温下测得的电阻(常常用用120)；3、绝缘电阻绝缘电阻：敏感栅与基底间的电阻值；：敏感栅与基底间的电阻值；4、允许工作电流允许工作电流：最大的工作电流。：最大的工作电流。五、五、应变片的主要参数应变片的主要参数第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第48页，共84页，编辑于2022年，星期二六、六、电阻应变传感器应用电阻应变传感器应用磅秤磅秤磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤超市打印秤超市打印秤第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器第49页，共84页，编辑于2022年，星期二六、六、电阻应变传感器应用电阻应变传感器应用原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第50页，共84页，编辑于2022年，星期二六、六、电阻应变传感器应用电阻应变传感器应用第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器第51页，共84页，编辑于2022年，星期二六、六、电阻应变传感器应用电阻应变传感器应用调零电位器传传感感器器电电路路第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第52页，共84页，编辑于2022年，星期二六、六、电阻应变传感器应用电阻应变传感器应用信号处信号处理电路理电路（1）第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第53页，共84页，编辑于2022年，星期二六、六、电阻应变传感器应用电阻应变传感器应用信号处理电路信号处理电路（2）第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第54页，共84页，编辑于2022年，星期二六、六、电阻应变传感器应用电阻应变传感器应用数字滤波技术数字滤波技术用软件通过计算或判断减少干扰在信号中的比例。用软件通过计算或判断减少干扰在信号中的比例。数字滤波的特点：数字滤波的特点：不需硬设备，可靠性高，参数修改方便，效果好（可对低频信不需硬设备，可靠性高，参数修改方便，效果好（可对低频信号如号如0.001Hz以下实现滤波）。以下实现滤波）。常用数字滤波方法：常用数字滤波方法：平均值滤波、中值滤波、限幅滤波、惯性滤波等。平均值滤波、中值滤波、限幅滤波、惯性滤波等。第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器第55页，共84页，编辑于2022年，星期二六、六、电阻应变传感器应用电阻应变传感器应用1、限幅滤波法（又称程序判断滤波法）、限幅滤波法（又称程序判断滤波法）A、方法：、方法：根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值（设为（设为A）每次检测到新值时判断：）每次检测到新值时判断：如果本次值与上次值之差如果本次值与上次值之差A,则本次值无效则本次值无效,放弃放弃本次值本次值,用上次值代替本次值。用上次值代替本次值。B、优点：、优点：能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰 C、缺点、缺点：无法抑制那种周期性的干扰无法抑制那种周期性的干扰 平滑度差平滑度差 第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第56页，共84页，编辑于2022年，星期二六、六、电阻应变传感器应用电阻应变传感器应用假定从假定从8位位AD中读取数据，子程序为中读取数据，子程序为get_ad();/*A值可根据实际情况调整值可根据实际情况调整，value为有效值为有效值new_value为为*/*当前采样值当前采样值*/#defineA10charvalue;charfilter()charnew_value;new_value=get_ad();if(new_value-valueA)|(value-new_valueA)returnvalue;returnnew_value;第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第57页，共84页，编辑于2022年，星期二六、六、电阻应变传感器应用电阻应变传感器应用2、中位值滤波法、中位值滤波法A、方法：、方法：连续采样连续采样N次（次（N取奇数）取奇数）把把N次采样值按大小排列次采样值按大小排列取中间值为本次有效值取中间值为本次有效值B、优点：、优点：能有效克服因偶然因素引起的波动干扰能有效克服因偶然因素引起的波动干扰对温度、液位的变化缓慢的被测参数有对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果良好的滤波效果C、缺点：、缺点：对流量、速度等快速变化的参数不宜对流量、速度等快速变化的参数不宜第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第58页，共84页，编辑于2022年，星期二六、六、电阻应变传感器应用电阻应变传感器应用/*N值可根据实际情况调整值可根据实际情况调整，排序采用冒泡法，排序采用冒泡法*/#defineN11charfilter()charvalue_bufN;charcount,i,j,temp;for(count=0;countN;count+)value_bufcount=get_ad();delay();for(j=0;jN-1;j+)for(i=0;ivalue_bufi+1)temp=value_bufi;value_bufi=value_bufi+1;value_bufi+1=temp;returnvalue_buf(N-1)/2;假定从假定从8位位AD中读取数据，子程序为中读取数据，子程序为get_ad();第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器第59页，共84页，编辑于2022年，星期二六、六、电阻应变传感器应用电阻应变传感器应用3、算术平均滤波法、算术平均滤波法A、方法：、方法：连续取连续取N个采样值进行算术平均运算个采样值进行算术平均运算N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高N值的选取：一般流量：值的选取：一般流量：N=12；压力：；压力：N=4B、优点：、优点：适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动值范围附近上下波动C、缺点：、缺点：对于要求数据计算速度较快的实时控制不适用，比对于要求数据计算速度较快的实时控制不适用，比较浪费较浪费RAM第三章第三章电阻式传感器电阻式传感器第60页，共84页，编辑于2022年，星期二六、六、电阻应变传感器应用电阻应变传感器应用假定从假定从8位位AD中读取数据，子程序为中读取数据，子程序为get_ad();#defineN12charfilter()intsum=0;for(count=0;countN;count+)sum+=get_ad();delay();return(char)(sum/N);第三章第三章第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器第61页，共84页，编辑于2022年，星期二六、六、电阻应变传感器应用电阻应变传感器应用4、递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法）、递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法）A、方法：、方法：把连续取把连续取N个采样值看成一个队列个采样值看成一个队列队列的长度固定为队列的长度固定为N每次采样到一个新数据放入队尾每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的一并扔掉原来队首的一次数据次数据.(先进先出原则先进先出原则)把队列中的把队列中的N个数据进行算术平均运算个数据进行算术平均运算,就