传感器与检测技术第02章.ppt

《传感器与检测技术第02章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器与检测技术第02章.ppt（80页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器n1 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器n2 应变片式电阻传感器应变片式电阻传感器电位器式：电位器式：（电位计）（电位计）应变式：应变式：物理量变化物理量变化电阻变化电阻变化传感元件传感元件属于大电阻变化型，属于大电阻变化型，R：0R传传物理量变化物理量变化变形变形（应力、应变）（应力、应变）敏感元件敏感元件属于微电阻变化型，属于微电阻变化型，R：020%R传传传感元件传感元件电阻变化电阻变化 电阻式传感器的电阻式传感器的基本原理基本原理：将被测量的变化转化成：将被测量的变化转化成电阻值的变化，再经相应的测量电路而最后显示被测量电阻值的变化，再经相应的测

2、量电路而最后显示被测量的变化的变化电位计式传感器的优、缺点：电位计式传感器的优、缺点：优点：优点：结结构构简简单单、尺尺寸寸小小、重重量量轻轻、精精度度高高(0.1%0.05%)、性性能能稳稳定定、受受环环境境因因素素影影响响小小，可可实实现现输输出出-输输入入任任意意函函数数关关系系，输出信号较大，一般不用放大。输出信号较大，一般不用放大。缺点：缺点：存存在在滑滑动动触触头头与与线线圈圈等等之之间间的的摩摩擦擦，输输入入能能量量要要求求较较大大，且磨损降低寿命和可靠性，也会降低测量精度。且磨损降低寿命和可靠性，也会降低测量精度。2.1 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器电位计分类电位计分类

3、按输出按输出-输输入特性入特性线性电位计线性电位计非线性电位计非线性电位计按结构形式按结构形式线绕式线绕式在在传感器中应用较多传感器中应用较多薄膜式薄膜式具具有较高的精度和线性特性有较高的精度和线性特性光电式光电式无无摩擦和磨损，分辨率高摩擦和磨损，分辨率高2.1.1线性线绕电位计线性线绕电位计以线位移型为例以线位移型为例若变阻器式：若变阻器式：若分压器式：若分压器式：kR电阻灵敏度电阻灵敏度kU电压灵敏度电压灵敏度一、线性线绕电位器式传感器工作原理一、线性线绕电位器式传感器工作原理：kR电阻灵敏度电阻灵敏度kU电压灵敏度电压灵敏度二、二、阶梯特性、阶梯误差和分辨率阶梯特性、阶梯误差和分辨率2

4、 阶梯特性阶梯特性 电位计输出电压随电位计输出电压随x的变化是不连续的，而的变化是不连续的，而是一条阶梯形的折线。是一条阶梯形的折线。1 理论特性曲线理论特性曲线 （线性）通过每个阶梯中点的曲线。（线性）通过每个阶梯中点的曲线。4 4 阶梯误差阶梯误差 阶特梯形曲线围绕理论特性曲线上下波动产生阶特梯形曲线围绕理论特性曲线上下波动产生的偏差。的偏差。5 5 分辨率分辨率 电压分辨率和行程分辨率电压分辨率和行程分辨率3 3 视在分辨脉冲：视在分辨脉冲：主要分辨脉冲，次要分辨脉冲。主要分辨脉冲，次要分辨脉冲。2.1.2 2.1.2 非线性电位器非线性电位器 非线性电位器是指在空载时其输出电压非线性电

5、位器是指在空载时其输出电压(或电阻或电阻)与电刷与电刷行程之间具有行程之间具有非线性函数关系非线性函数关系的一种电位器，也称函数电位的一种电位器，也称函数电位器。常用的非线性线绕电位器有变骨架式、变节距式、分路器。常用的非线性线绕电位器有变骨架式、变节距式、分路电阻式及电位给定式四种。电阻式及电位给定式四种。2.1.3 负载特性与负载误差负载特性与负载误差1 负载特性负载特性电位器端接电位器端接有负载电阻时的特性。有负载电阻时的特性。电阻相对变化系数：电阻相对变化系数：令令 负载系数：负载系数：负载特性曲线：负载特性曲线：负载误差负载误差 由于负载由于负载电阻存在，造成负载特性为电阻存在，造成

6、负载特性为一下垂曲线，产生误差，也一下垂曲线，产生误差，也称非线性误差。称非线性误差。电刷在起始和最终位置电刷在起始和最终位置时，时，L=0；电刷在相对行程；电刷在相对行程r=1/2时，时，Lmax。当当m，有，有L 通常希望：通常希望：2 负载误差负载误差3 改善电位器式电阻传感器的特性改善电位器式电阻传感器的特性（1）采用高输入阻抗放大器；）采用高输入阻抗放大器；（2）将电位器空载特性设计成某种上凸特性。）将电位器空载特性设计成某种上凸特性。2.1.4 电位器的结构与材料电位器的结构与材料由于测量领域的不同，电位器结构及材料选择有所不由于测量领域的不同，电位器结构及材料选择有所不同。但是其

7、基本结构是相近的。电位器通常都是由骨架、电同。但是其基本结构是相近的。电位器通常都是由骨架、电阻元件及活动电刷组成。常用的线绕式电位器的电阻元件由阻元件及活动电刷组成。常用的线绕式电位器的电阻元件由金属电阻丝绕成。金属电阻丝绕成。1电刷电刷2电阻元件电阻元件2.1.5 电位器式传感器应用举例电位器式传感器应用举例2.1.5 电位器式传感器应用举例电位器式传感器应用举例2.1.5 电位器式传感器应用举例电位器式传感器应用举例1骨架；骨架；2触点；触点；3输入轴；输入轴；4导电片导电片2.1.5 电位器式传感器应用举例电位器式传感器应用举例2.1.5 电位器式传感器应用举例电位器式传感器应用举例变

8、阻器式传感器产品变阻器式传感器产品案例：案例：重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备比较比较重量设定原材料原材料原理：弹簧原理：弹簧-力力-位移位移 -电位器电位器-电阻电阻案例：案例：煤气包储量检测煤气包储量检测煤气包煤气包钢丝钢丝原理：钢丝原理：钢丝-收线圈数收线圈数 -电位器电位器 -电阻电阻案例：案例：玩具机器人（广州中鸣数码玩具机器人（广州中鸣数码 ）原理：电机原理：电机-转角转角 -电位器电位器 -电阻电阻一、金属丝式应变片 二、金属箔式应变片三、测量电路四、应变式传感器2.2 金属应变片式传感器金属应变片式传感器应变效应 结构与材料 主要特性 温度误差及系数2.2.1 工

9、作原理及分类工作原理及分类n电阻应变式传感器的工作原理是将电阻应变片电阻应变式传感器的工作原理是将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，使物理量的变化粘贴到各种弹性敏感元件上，使物理量的变化变成应变片的应力、应变变化，从而变成电阻变成应变片的应力、应变变化，从而变成电阻值变化。值变化。n根据应变片的材料不同，可分为两种根据应变片的材料不同，可分为两种金属电阻应变片：应变效应（本节内容）金属电阻应变片：应变效应（本节内容）半导体应变片：半导体应变片：压阻效应压阻效应2.2.1 工作原理及分类工作原理及分类 电阻应变式传感器的工作原理是基于应变效应，将电电阻应变式传感器的工作原理是基于应变效应，将电

10、阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，使物理量的变化变阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，使物理量的变化变成应变片的应力、应变变化，从而变成电阻值变化。成应变片的应力、应变变化，从而变成电阻值变化。应变效应：在导体产生机械形变时，导体的电阻值相应地应变效应：在导体产生机械形变时，导体的电阻值相应地发生变化。发生变化。1 应变效应：应变效应：2 应变片式电阻传感器的工作原理：应变片式电阻传感器的工作原理：3 3 理论基础：理论基础：根据欧姆定律：根据欧姆定律：金属丝的电阻应变效应金属丝的电阻应变效应金属丝的电阻应变效应金属丝的电阻应变效应 金属丝的电阻值随着金金属丝的电阻值随着金金属丝的电阻值随着金金

11、属丝的电阻值随着金属丝的几何尺寸变化（伸长或缩短）而发生相应的变属丝的几何尺寸变化（伸长或缩短）而发生相应的变属丝的几何尺寸变化（伸长或缩短）而发生相应的变属丝的几何尺寸变化（伸长或缩短）而发生相应的变化的现象。化的现象。化的现象。化的现象。称为泊松比称为泊松比且对金属材料，导电率几乎不变且对金属材料，导电率几乎不变优点：优点：精度高，测量范围广精度高，测量范围广 频率响应特性较好（响应速度快）频率响应特性较好（响应速度快）结构简单，尺寸小，重量轻结构简单，尺寸小，重量轻 可在高可在高(低低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工

12、作核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作 易于实现小型化、固态化易于实现小型化、固态化 价格低廉，品种多样，便于选择价格低廉，品种多样，便于选择缺点：缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采此信号线需要采 取屏蔽措施；取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围内的平均应变，不能显只能测量一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；示应力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。4 优缺点：优缺点：一、一、应变片结构与材料应变片结构与材料n1.1.敏感珊敏感珊n2.2.基底和盖

13、片基底和盖片n3.3.粘合剂粘合剂n4.4.引线引线2.2.2 金属电阻应变片主要特性金属电阻应变片主要特性（1 1）敏感栅敏感栅 电电阻阻应应变变片片的的电电阻阻值值为为6060、120120、200200等等多多种种规规格，以格，以120120最为常用。最为常用。应应变变片片测测得得的的应应变变大大小小是是应应变变片片栅栅长长和和栅栅宽宽所所在在面面积积内的平均轴向应变量。内的平均轴向应变量。（2 2）基底和盖片基底和盖片 基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，基底基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。的全长称为基底长，其宽度称为基底

14、宽。（3 3）引线）引线 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。（4 4）粘结剂）粘结剂 用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。起。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。金属箔式应变片金属箔式应变片 在绝缘基底上，将厚度为电阻箔材，利用照相制板或光刻在绝缘基底上，将厚度为电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。二、主要特性二、主要特性1（应变片）灵敏系数（应变片）灵敏系数n 金属应变丝的电阻相对变化与它所感

15、受的应变之间具有线金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数性关系，用灵敏度系数KO表示；而电阻应变片的灵敏系数表示；而电阻应变片的灵敏系数K却却不同，不同，一般一般 K KO。原因原因有二：有二：（1）弹性元件的形变是通过剪切力传递到金属丝上的；）弹性元件的形变是通过剪切力传递到金属丝上的；（2）因横向效应的存在）因横向效应的存在n 应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数 K只能只能通过通过实验方法实验方法抽样测定抽样测定确定，确定，具体具体方法方法：每批产品中提取一定百分比的产品进行标定。：每批产品中提取一定百分比的产品进行标定。2 2 横向效应横向效应 金金属属应应

16、变变片片发发生生机机械械形形变变时时，除除应应变变片片的的轴轴向向应应变变使使敏敏感感栅栅电电阻阻发发生生变变化化外外，其其横横向向应应变变r r也也将将使使敏敏感感栅栅半半圆圆弧弧部部分分的电阻发生变化。的电阻发生变化。金金属属应应变变片片在在发发生生机机械械形形变变时时，既既受受轴轴向向应应变变影影响响，又又受受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。bOlrrdld0图为图为 应变片敏感栅半圆弧应变片敏感栅半圆弧部分的形状。沿轴向应变为部分的形状。沿轴向应变为，沿横向应变为，沿横向应变为r r 。3 3 机械滞后机械滞后 应应变变片片粘

17、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，其其加加载载特特性性与与卸载特性不重合，即为机械滞后。卸载特性不重合，即为机械滞后。1机械应变机械应变卸载卸载加载加载指指示示应应变变i应变片的机械滞后应变片的机械滞后 产生原因：应变片在承产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果敏造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。粘结剂固化不充分。4 4 零点漂移和蠕变零点漂移和蠕变零零点点漂漂移移：对

18、对于于粘粘贴贴好好的的应应变变片片，当当温温度度恒恒定定时时，不不承承受受应应变变时时，其其电电阻阻值值随随时时间间增增加加而而变变化化的的特特性性，称称为为应应变变片片的的零零点漂移。点漂移。产产生生原原因因：敏敏感感栅栅通通电电后后的的温温度度效效应应；应应变变片片的的内内应应力力逐逐渐渐变化；粘结剂固化不充分等。变化；粘结剂固化不充分等。蠕变蠕变：如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，：如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。产生原因产生原因：由于胶层之间发生：由于胶层之间发生“滑动滑动”，使力

19、传到敏感栅的，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。应变量逐渐减少。5 温度效应温度效应温度效应温度效应：粘贴在试件上的电阻应变片在环境温度变化：粘贴在试件上的电阻应变片在环境温度变化时引起的电阻变化，产生虚假效应，这种现象称为温度效应。时引起的电阻变化，产生虚假效应，这种现象称为温度效应。两种主要影响因素：两种主要影响因素：敏感栅的电阻温度系数引起的电阻变化；敏感栅的电阻温度系数引起的电阻变化；由于热胀冷缩，膨胀系数不同形成的机械形变而引由于热胀冷缩，膨胀系数不同形成的机械形变而引起的电阻变化。起的电阻变化。虚假应变：虚假应变：6 6 应变极限、疲劳寿命应变极限、疲劳寿命应应变变极极限限：在在一一

20、定定温温度度下下，应应变变片片的的指指示示应应变变对对测测试试值值的的真真实实应应变变的的相相对对误误差差不不超超过过规规定定范范围围（一一般般为为10%10%）时时的的最最大大真真实实应应变值。变值。lim真实应变真实应变z指指示示应应变变i应变片的应变极限应变片的应变极限10%1疲劳寿命疲劳寿命：连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数：连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数N，称为应变，称为应变片的疲劳寿命。片的疲劳寿命。疲劳损坏疲劳损坏：三种情形。：三种情形。敏感栅或引线发生断路；敏感栅或引线发生断路；输出指示应变的极值变化输出指示应变的极值变化10%；输出波形上出现穗状尖峰。输出波形上出现穗状

21、尖峰。7 绝缘电阻、最大工作电流绝缘电阻、最大工作电流应变片绝缘电阻应变片绝缘电阻RmRm：是指已粘贴的应变片的引线与被测：是指已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值。通常试件之间的电阻值。通常RmRm在在5050100M100M以上。以上。应变片最大工作电流应变片最大工作电流ImaxImax:对已安装的应变片，允许通对已安装的应变片，允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流称为应变片最大工过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流称为应变片最大工作电流。作电流。8 8 动态特性动态特性当当被被测测应应变变值值随随时时间间变变化化的的频频率率很很高高时时，需需考考虑虑应应变变片片的的动动态态特

22、特性性。因因应应变变片片基基底底和和粘粘贴贴胶胶层层很很薄薄，构构件件的的应应变变波波传传到到应应变变片片的的时时间间很很短短(估估计计约约0.2s)，故故只只需需考考虑虑应应变变沿沿应应变变片片轴轴向向传播时的动态响应。传播时的动态响应。应变片对应变波的动态响应应变片对应变波的动态响应0应变片应变片1lx1x2.2.3 温度误差及其补偿1、敏敏感感栅栅电电阻阻随随温温度度的的变变化化引引起起的的误误差差。当当环环境境温温度度变变化化t 时时，敏敏感感栅栅材材料料电电阻阻温温度度系系数数为为，则则引引起起的的电电阻相对变化为阻相对变化为2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化、试件材料的线膨

23、胀引起的误差。当温度变化t时，时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将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产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化温度温度误差误差相应的虚假应变输出：相应的虚假应变输出：温度补偿单丝自补偿法自补偿法组合式自补偿法线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻温度补偿（1）单丝自补偿应变片）单丝自补偿应变片优点：容易加工，成本低，优点：容易加工，成本低，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。实现温度补偿的条件为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

24、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。一、一、自补偿法自补偿法R1R2组合自补偿法一组合自补偿法一（2）组合式自补偿应变片（双金属丝栅法）组合式自补偿应变片（双金属丝栅法）敏感栅丝由两种不同符号的电阻温度系数的金属丝串接组成敏感栅丝由两种不同符号的电阻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选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整调整R1和和R2的比例，使温度变化时产生的的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足电阻变化满足通过调节两种敏感栅的长度来控制通过调节两种敏感栅的长度

25、来控制应变片的温度自补偿，应变片的温度自补偿，可达可达0.45m/0.45m/的高精度的高精度（2）组合式自补偿应变片组合式自补偿应变片敏感栅丝由两种相同符号的温度系数，敏感栅丝由两种相同符号的温度系数，R2为补偿电阻为补偿电阻满足以上条件即可实现自补偿满足以上条件即可实现自补偿二二线路补偿法线路补偿法如图，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式中式中A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由桥臂电阻和电源电压决定的常数。USCR2R4R1R3E桥路补偿法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（可调）（可调）对输出电压的作用方向

26、相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反。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，这是最的补偿，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。由由上上式式可可知知，电电桥桥输输出出电电压压只只与与应应变变有有关关，与与温温度无关。为达到完全补偿，需满足下列度无关。为达到完全补偿，需满足下列三个条件三个条件：R1和和R2须须属属于于同同一一批批号号的的，即即它它们们的的电电阻阻温温度度系系数数、线线膨膨胀胀系系数数、应应变变灵灵敏敏系系数数K都都相相同同，两两片片的的初初始电阻值也要求相同；始电阻值也要求相同；用用于于粘粘贴贴补补偿偿片片的的构构

27、件件和和粘粘贴贴工工作作片片的的试试件件二二者者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等；材料必须相同，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。缺点缺点：三个条件不易满足，尤其是条件：三个条件不易满足，尤其是条件。在某些测试。在某些测试条件下，温度场梯度较大，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。方法一：方法一：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

28、块上，图中块上，图中R2称为补偿应变片称为补偿应变片。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，因因温温度度变变化化造造成成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应变时，电桥将产生相应输出电压。受应变时，电桥将产生相应输出电压。补偿应变片粘贴示意图R1R2方法二：方法二：根根据据被被测测试试件件承承受受应应变变的的情情况况，可可以以不不另另加加专专门门的的补补偿偿块块，而而是是将将补补偿偿片片

29、贴贴在在被被测测试试件件上上，这这样样既既能能起起到到温温度度补偿作用，又能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。补偿作用，又能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。R1R2FFR1R2（b）（a）F构件受弯构件受弯曲应力曲应力构件受单构件受单向应力向应力如图所示，热敏电阻如图所示，热敏电阻Rt与应变片处在相同的温度下，当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，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。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。选择分流电阻选择分流电阻R5的值，可

30、以使应变片灵敏度下降对电桥输出的的值，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。影响得到很好的补偿。USCR2R4R1R3ERtR5方法三：采用热敏电阻进行补偿方法三：采用热敏电阻进行补偿 应变片式电阻传感器的测量电路应变片式电阻传感器的测量电路应变片将应变的变化转换成电阻相对变化应变片将应变的变化转换成电阻相对变化R/R，要把电阻的，要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。根据变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。根据电源不同，分为直流电桥和交流电桥。电源不同，分为直流电桥和交流电桥。一一直流电桥直流电桥R2R4R1R3E电桥线路原理图RLAC

31、DILB由由IL=0可得：可得：1直流电流平衡条件直流电流平衡条件检流计中流过的电流检流计中流过的电流I IL L=O=O。式中RL为负载电阻，当当R1R4=R2R3时，时，IL=0，UL=0，即电桥处于平衡状态。，即电桥处于平衡状态。若电桥的若电桥的负载电阻负载电阻RL为无穷大，则为无穷大，则B、D两点可视为开路，上式两点可视为开路，上式可以化简为：可以化简为：2直流电桥的输出电压直流电桥的输出电压电桥的输出电压电桥的输出电压Ug为：为：3直流电桥的电压灵敏度直流电桥的电压灵敏度应应变变片片工工作作时时：电电阻阻值值变变化化很很小小，电电桥桥相相应应输输出出电电压压也也很很小小，一一般般需需

32、要要加加入入放放大大器器进进行行放放大大。由由于于放放大大器器的的输输入入阻阻抗抗比比桥桥路路输输出出阻阻抗抗高高很很多多，所所以以此此时时仍仍视视电电桥桥为为开开路路情况。情况。当当受受应应变变时时：若若应应变变片片电电阻阻变变化化为为R，其其它它桥桥臂臂固定不变，导致电桥不平衡，那么电桥输出电压固定不变，导致电桥不平衡，那么电桥输出电压Uo0。3直流电桥的电压灵敏度直流电桥的电压灵敏度（续）（续）单单臂臂电电桥桥当当只只有有R1为为应应变变片片发生应变时，发生应变时，输出电压为输出电压为：设设桥桥臂臂比比n=R2/R1，由由于于R1R1，分分母母中中R1/R1可可忽忽略略，并并考虑到平衡条

33、件考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3，则上式可写为：则上式可写为：电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度定义为定义为：分析：分析：电电桥桥电电压压灵灵敏敏度度正正比比于于电电桥桥供供电电电电压压，供供电电电电压压越越高高，电电桥桥电电压压灵灵敏敏度度越越高高，但但供供电电电电压压的的提提高高受受到到应应变变片片允许功耗的限制允许功耗的限制，所以要作适当选择；，所以要作适当选择；电电桥桥电电压压灵灵敏敏度度是是桥桥臂臂电电阻阻比比值值n的的函函数数，恰恰当当地地选选择桥臂比择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。半半桥桥差差动动当当只只有有R1、R2为为应应变变

34、片片发发生生应应变变时时，一一个个受受拉拉应应变变，一一个受压应变，个受压应变，输出电压为输出电压为若若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得：，则得：可可知知：Uo与与R1/R1成成线线性性关关系系，无无非非线线性性误误差差，而而且且电电桥电压灵敏度桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。，是单臂工作时的两倍。全全桥桥差差动动电电桥桥四四臂臂接接入入四四片片应应变变片片，即即两两个个受受拉拉应应变变，两两个个受受压压应应变变，将将两两个个应应变变符符号号相相同同的的接接入入相相对对桥臂上。若桥臂上。若R1=R2=R3=R4，且，且R1=R2=R3=R4，则，则：结结论论：全全桥桥差差

35、动动电电路路不不仅仅没没有有非非线线性性误误差差，而而且且电电压灵敏度为单片工作时的压灵敏度为单片工作时的4倍。倍。4.非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法与与R1/R1的关系是的关系是非线非线性的性的，非线性误差非线性误差为：为：理想情况理想情况（略去分母中的（略去分母中的R1/R1项）：项）：实实际际情情况况（保保留留分分母中的母中的R1/R1项）：项）：如果桥臂比如果桥臂比n=1，则则：减减小小和和消消除除非非线线性性误误差差的的方方法法:半桥（单臂、双臂）和全桥半桥（单臂、双臂）和全桥初始情况：初始情况：初始情况：初始情况：R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4

36、，假设，假设，假设，假设 R R1 1=R R2 2=R R3 3=R R4 4 根据参与工根据参与工根据参与工根据参与工作的桥臂数作的桥臂数作的桥臂数作的桥臂数半桥半桥半桥半桥半桥单臂半桥单臂半桥单臂半桥单臂半桥双臂半桥双臂半桥双臂半桥双臂全桥全桥全桥全桥 应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测

37、量各种物理量的专用应变式传感器。应变换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；测量转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。2.2.5 2.2.5 应变式传感器的应用举例应变式传感器的应用举例 应应变变式式传传感感器器包包括括两两个个部部分分：一一是是弹弹性性敏敏感感元元件件，利利用

38、用它它将将被被测测物物理理量量（如如力力、扭扭矩矩、加加速速度度、压压力力等等）转转换换为为弹弹性性体体的的应应变变值；另一个是值；另一个是应变片应变片作为转换元件将应变转换为电阻的变化。作为转换元件将应变转换为电阻的变化。u柱力式传感器柱力式传感器u梁力式传感器梁力式传感器u应变式压力传感器应变式压力传感器u应变式加速度传感器应变式加速度传感器1 1、荷重柱式传感器、荷重柱式传感器柱式力传感器柱式力传感器-2+1截面积截面积SFFF面积面积S-1+2b）a）圆圆柱柱式式力力传传感感器器的的弹弹性性元元件件分分为实心和空心两种。为实心和空心两种。在在轴轴向向布布置置一一个个或或几几个个应应变变

39、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，从从而而构成了差动对。构成了差动对。2 2、梁力式传感器、梁力式传感器力力F作用于梁端三角形顶点上，等强度梁内各断面产生的作用于梁端三角形顶点上，等强度梁内各断面产生的应力相等，故在对长度应力相等，故在对长度L方向上粘贴应变片位置要求不严。方向上粘贴应变片位置要求不严。梁的形式：横截面梁、双空梁、梁的形式：横截面梁、双空梁、S形弹性元件形弹性元件P（b）（a）应变式压力传感器应变式压力传感器3、应变式压力传感器应变式压力传感器测测量量气气体体或或液液体体压压力力的的薄薄板板式式

40、传传感感器器，如如图图所所示示。当当气气体体或或液液体体压压力力作作用用在在薄薄板板承承压压面面上上时时，薄薄板板变变形形，粘粘贴贴在在另另一一面面的的电电阻阻应应变变片片随随之之变变形形，并并改改变变阻阻值值。这这时时测测量量电电路路中中电电桥桥平平衡衡被被破破坏坏，产生输出电压。产生输出电压。圆形薄板固定形式：采用嵌固形式，如图（圆形薄板固定形式：采用嵌固形式，如图（a）或与传感器）或与传感器外壳作成一体，如图外壳作成一体，如图(b)。应变片4 4、应变式加速度传感器、应变式加速度传感器由由端端部部固固定定并并带带有有惯惯性性质质量量块块m的的悬悬臂臂梁梁及及贴贴在在梁梁根根部部的的应应变

41、片、基座及外壳等组成。是一种惯性式传感器。变片、基座及外壳等组成。是一种惯性式传感器。L应变片应变片质量块质量块m弹簧片弹簧片外壳外壳基座基座a应变式加速度传感器应变式加速度传感器 测测量量时时，根根据据所所测测振振动动体体加加速速度度的的方方向向，把把传传感感器器固固定定在在被被测测部部位位。当当被被测测点点的的加加速速度度沿沿图图中中箭箭头头所所示示方方向向时时，固固定定在在被被测部位。测部位。各种悬臂梁各种悬臂梁FF固定点固定点固定点固定点电缆电缆各种悬臂梁各种悬臂梁 应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置应变式荷重传感器的外形及

42、应变片的粘贴位置FR1R2 R4荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。向变短，径向变长。电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示人体秤人体秤 应变式数显扭矩扳手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。和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程量程2，耗电量，耗电量10mA，有公制，有公制/英制单位转换、峰英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。值保持、自动断电等功能。材料应变的测量材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试斜拉桥上的斜拉绳应变测试案例：机器人握力测量案例：机器人握力测量讨论，设计一个地音入侵探测器讨论，设计一个地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。洞、爆破等破坏行为均可及时发现。