【精品】传感器原理及应用精品ppt课件.ppt

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1、传感器原理及应用本章重点：本章重点：l电阻应变式传感器的构成原理及特性电阻应变式传感器的构成原理及特性l电桥测量电路的结构形式及特点电桥测量电路的结构形式及特点l压阻式传感器的工作原理压阻式传感器的工作原理基本要求：基本要求：掌握电阻应变式传感器的构成原理及特性，掌握电阻应变式传感器的构成原理及特性，掌握电桥测量电路的结构形式及和差特性，掌握掌握电桥测量电路的结构形式及和差特性，掌握压阻式传感器的工作原理及设计特点。压阻式传感器的工作原理及设计特点。电电阻阻应应变变片片式式传传感感器器的的核核心心元元件件是是电电阻阻应应变变片片，是是将将被被测测试试件件（弹弹性性元元件件）上上的的应应变变转转

2、换换为为电电阻阻变变化化的的一一种种传传感感器器,由由弹弹性性元元件件和和粘粘贴贴在在其其上上的的电电阻阻应应变变片片构构成成。当当被被测测物物理理量量作作用用在在弹弹性性元元件件上上时时,弹弹性性元元件件的的变变形形引引起起应应变变片片的的阻阻值值变变化化,通通过过测测量量电电路路将将其其转转变变成成电电压压或或电电流流的的输出输出,输出电量的变化反映了被测物理量的变化。输出电量的变化反映了被测物理量的变化。2-1电阻应变片式传感器电阻应变片式传感器l 应变应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象。物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象。l 弹性应变弹性应变 当外力去除后，物体能够完

3、全恢复其尺寸和形状的当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变。应变。l 弹性元件弹性元件 具有弹性应变特性的物体。具有弹性应变特性的物体。弹性体弹性体 应变片应变片 电桥电路电桥电路 力、加速度、荷重等力、加速度、荷重等 应变应变 电阻变化电阻变化 电压、电流电压、电流 电阻应变式传感器是目前测量力、力矩、电阻应变式传感器是目前测量力、力矩、压力、压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。图图2-1 电阻应变式传感器典型结构与测量原理电阻应变式传感器典型结构与测量原理弹性体弹性体应变片应变片F电桥（转换）电路电桥（转换）电路电压或电流电压或电流输

4、出输出电阻的相对变化量为：电阻的相对变化量为：当当电电阻阻丝丝受受到到轴轴向向拉拉力力F作作用用时时，将将伸伸长长l，横横截截面面积积相相应应减减小小S，电电阻阻率率因因材材料料晶晶格格发发生生变变形形等等因因素素影影响响而而改改变变了了，从从而而引引起起电电阻阻值值绝绝对对变变化化量为：量为：式中：式中：dl/l长度相对变化量，用长度相对变化量，用表示，表示，称为称为轴轴向应变。单位：微应变向应变。单位：微应变 ，。对对于半径于半径为为r的的圆圆截面截面电电阻阻 由由材材料料力力学学知知：在在弹弹性性范范围围内内，金金属属丝丝受受拉拉力力时时，沿沿轴轴向向伸伸长长，沿沿径径向向缩缩短短，反反

5、之之亦亦然然。轴轴向向应应变变和和径径向向应应变变的关系可表示为的关系可表示为：电阻丝材料的泊松比，电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。负号表示应变方向相反。故故应变效应表达式应变效应表达式为为 l 金属金属丝丝的的应变应变效效应应所以所以应变效应表达式应变效应表达式 也可写成增量形式也可写成增量形式式式中中，Ks金金属属丝丝的的应应变变灵灵敏敏系系数数。物物理理意意义义是是单单位位应应变变所引起的电阻相对变化量。所引起的电阻相对变化量。因因为为 注意注意：在金属丝拉伸极限范围内，同一材料，灵敏系数为在金属丝拉伸极限范围内，同一材料，灵敏系数为常数常数；金属丝的应变效应主要取决于金属丝的

6、应变效应主要取决于几何尺寸的变化几何尺寸的变化。金属丝几何尺寸金属丝几何尺寸金属本身的特性金属本身的特性C如如康铜康铜，C1，Ks 2.0。其他金属，。其他金属，Ks一般在一般在1.84.8范围内。范围内。金属金属丝丝的灵敏系数取决于两部分：的灵敏系数取决于两部分：金属丝几何尺寸的变化金属丝几何尺寸的变化，电阻率随应变而引起的变化电阻率随应变而引起的变化 康康铜铜是是目目前前应应用用最最广广泛泛的的应应变变丝丝材材料料，它它有有很很多优点：多优点：u灵灵敏敏系系数数稳稳定定性性好好，不不但但在在弹弹性性变变形形范范围围内内能能保保持持为为常常数，进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；数，进入

7、塑性变形范围内也基本上能保持为常数；u康康铜铜的的电电阻阻温温度度系系数数较较小小且且稳稳定定，当当采采用用合合适适的的热热处处理理工艺时，可使电阻温度系数在工艺时，可使电阻温度系数在5010-6/5010-6/的范围内；的范围内；u康康铜铜的的加加工工性性能能好好，易易于于焊焊接接，因因而而国国内内外外多多以以康康铜铜作为应变丝材料。作为应变丝材料。l 半半导导体的体的应变应变效效应应 半导体应变片是用半导体材料制成的半导体应变片是用半导体材料制成的,其工作原理是其工作原理是基于半导体材料的基于半导体材料的压阻效应压阻效应。所谓所谓压阻效应压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力，是指半导体

8、材料在某一轴向受外力作用时作用时,其电阻率其电阻率发生变化的现象。发生变化的现象。即半导体的即半导体的dd/与其在轴向所受应力与其在轴向所受应力的的关系为关系为式中：式中：半导体材料的半导体材料的压阻系数压阻系数；半导体材料所受的半导体材料所受的轴向应力轴向应力；E半导体材料的半导体材料的弹性模量弹性模量。l 实验证明实验证明,EE 比比（1+2）大上百倍大上百倍,所以所以（1+2）可以忽可以忽略略,因而半导体应变片的灵敏系数为因而半导体应变片的灵敏系数为 。可见，半导。可见，半导体体的应变效应主要取决于的应变效应主要取决于压阻效应压阻效应。所以半所以半导导体材料的体材料的应变效应表达式应变效

9、应表达式为为 式中，式中，Kb半导体材料的半导体材料的应变灵敏系数应变灵敏系数。l 半导体应变片的灵敏系数比金属丝式的高半导体应变片的灵敏系数比金属丝式的高5080倍倍，但但半导体材料的半导体材料的温度系数大温度系数大，测量应变时，测量应变时非线性非线性比较严重，比较严重，使使它的应用范围受到一定的限制。它的应用范围受到一定的限制。（二）结构与类型（二）结构与类型图图 2-3 电阻应变片的结构示意图电阻应变片的结构示意图1.结构结构 金金属属应应变变片片由由敏敏感感栅栅、基基片片、覆覆盖盖层层和和引引线线等等部部分分组组成成。敏敏感感栅栅是是应应变变片片的的核核心心部部分分,它它粘粘贴贴在在绝

10、绝缘缘的的基基片片上上,其其上上再再粘粘贴贴起起保保护护作作用用的的覆覆盖盖层层,两两端焊接端焊接引出导线引出导线。l 敏感栅敏感栅 感受应变感受应变，并将应变转换为电阻的变化。，并将应变转换为电阻的变化。l 基底（基片）基底（基片）绝缘及传递应变绝缘及传递应变。由纸质或胶质膜等制成。由纸质或胶质膜等制成。l 黏结剂黏结剂 敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层间的敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层间的黏结黏结。l 覆盖层覆盖层 保护作用保护作用。防潮湿、腐蚀、灰尘等。防潮湿、腐蚀、灰尘等。l 引线（低阻易焊）引线（低阻易焊）连接连接电阻丝与测量电路，输出电参量。电阻丝与测量电路，输出电参

11、量。2.电阻应变片的类型电阻应变片的类型金属电阻应变片金属电阻应变片半导体电阻应变片半导体电阻应变片丝式丝式箔式箔式薄膜式薄膜式根据制栅工艺的不同根据制栅工艺的不同l 箔式应变片箔式应变片 是是利利用用光光刻刻、腐腐蚀蚀等等工工艺艺制制成成的的一一种种很很薄薄的的金金属属箔箔栅栅,其厚度一般在其厚度一般在0.0030.01mm。与丝式应变片相比较，与丝式应变片相比较，箔式应变片箔式应变片有如下有如下优点优点：金金属属箔箔栅栅很很薄薄，所所感感受受的的应应力力状状态态与与试试件件表表面面的的应应力力状状态态更更为为接接近近；接接触触面面积积大大；箔箔栅栅端端部部较较宽，横向效应较小，测量精度高。

12、宽，横向效应较小，测量精度高。箔箔材材表表面面积积大大，散散热热条条件件好好，故故允允许许通通过过较较大大电电流，可输出较大信号，提高了测量灵敏度。流，可输出较大信号，提高了测量灵敏度。箔箔栅栅的的尺尺寸寸准准确确、均均匀匀，且且能能制制成成任任意意形形状状，特特别别是是为为制制造造应应变变花花和和小小标标距距应应变变片片提提供供了了条条件件，使使用用范范围大。围大。便于成批生产。便于成批生产。缺缺点点：电电阻阻值值分分散散性性大大，有有的的相相差差几几十十，故故需需要要作作阻阻值值调调整整；生生产产工工序序较较为为复复杂杂，因因引引出出线线的的焊焊点点采采用用锡锡焊焊，不适于高温环境下测量；

13、此外价格较贵。不适于高温环境下测量；此外价格较贵。l 薄膜式应变片薄膜式应变片 是是采采用用真真空空蒸蒸发发或或真真空空沉沉淀淀等等方方法法在在薄薄的的绝绝缘缘基基片片上上形形成成0.1m以以下下的的金金属属薄薄膜膜敏敏感感栅栅,然然后后再再加加上上保保护护层层。它它的的优优点点是是应应变变灵灵敏敏度度系系数数大大,允允许许电电流流密密度度大大,工工作作范范围广。围广。缺点缺点温度稳定性较差，非线性较大。温度稳定性较差，非线性较大。l 半导体电阻应变片半导体电阻应变片制作制作从单晶硅或锗上切下薄片制成。从单晶硅或锗上切下薄片制成。结构组成结构组成基片、半导体薄片、引线。基片、半导体薄片、引线。

14、优点优点灵敏系数大，横向效应和机械滞后小。灵敏系数大，横向效应和机械滞后小。图图 2-4（a）金属电阻应变片结构金属电阻应变片结构图图 2-4（b）半导体应变片结构半导体应变片结构 应根据测量精度、允许工作电流、散热、体积、应根据测量精度、允许工作电流、散热、体积、是否批量等要求查手册选择。是否批量等要求查手册选择。常见金属应变片的初始阻值有：常见金属应变片的初始阻值有：60、120、350等等。3.应变片的选择应变片的选择 半半导导体体应应变变片片突突出出优优点点是是灵灵敏敏度度高高,尺尺寸寸小小,横横向向效效应应小小,动动态态响响应应好好。但但它它有有温温度度系系数数大大,应应变变时时非非

15、线性比较严重线性比较严重等缺点。等缺点。（三）电阻应变片的特性（三）电阻应变片的特性1.应变片的应变片的灵敏系数灵敏系数Kl 确定方法：确定方法：5%抽样，实验测定抽样，实验测定l 确定过程：确定过程：FF应力仪测出应力仪测出x图图 2-5 应变片应变片K的的确定方法确定方法=0.285的的钢件钢件应变片应变片电位差计测出电位差计测出应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数K不同不同于单根金属丝的灵敏系数于单根金属丝的灵敏系数Ks 敏感栅是由敏感栅是由n条直线段和（条直线段和（n1）个半径为）个半径为r的半圆的半圆组成组成,若该应变片承受轴向应力而产生若该应变片承受轴向应力而产生轴向拉应变轴向拉应变

16、时时,则各直线段的电阻将增加则各直线段的电阻将增加,但在半圆弧段则受到从但在半圆弧段则受到从 到到 之间变化的应变，即从之间变化的应变，即从轴向拉应变轴向拉应变过渡到过渡到横向压横向压应变应变，会使应变片电阻减小。，会使应变片电阻减小。2.横向效应横向效应l 定性分析定性分析 应变片这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响应变片这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为而引起电阻变化的现象称为横向效应横向效应。图图 2-6 应变片的轴向受力与横向效应应变片的轴向受力与横向效应FFa点：只有点：只有 。b点：既有点：既有 ，又有，又有 。c点：只有点：只有 。如：如：可可见见：

17、圆圆弧弧段段横横向向收收缩缩引引起起的的阻阻值值减减小小量量对对轴轴向向伸伸长长引引起起的的阻阻值值增增加加量量起起着着抵抵消消作作用用，因因而而横横向向效效应应会会使使阻阻值值变变化化量量较较理想情况减小，导致理想情况减小，导致灵敏度灵敏度减小减小。应变片置于二维应力场，即有应变片置于二维应力场，即有 ，又有，又有 。l 定量分析定量分析横向效应系数：横向效应系数：可可见见：r/l 越越小小，则则 H 越越小小，故故采采用用短短接接式式或或直直角角式式横横栅栅，可有效克服横向效应的影响。可有效克服横向效应的影响。加加长长敏敏感感栅栅栅栅长长l，缩缩短短栅栅宽宽b，加加宽宽圆圆弧弧处处栅栅线线

18、，采采用短接式或直角式横栅用短接式或直角式横栅。采用箔式和薄膜式应变片，其横向效应可忽略。采用箔式和薄膜式应变片，其横向效应可忽略。当当实实际际使使用用应应变变片片的的条条件件与与其其灵灵敏敏系系数数K的的标标定定条条件件不不同同时时,如如00.285或或主主应应力力与与应应变变计计轴轴向向不不一一致致,由由于于横横向向效效应应的的影影响响,实实际际K值值要要改改变变,如如仍仍按按标标称称灵灵敏敏系系数数来进行计算来进行计算,可能造成较大误差，其相对误差为：可能造成较大误差，其相对误差为：l 减小横向效应的措施：减小横向效应的措施：单向应力与应变计轴向一致单向应力与应变计轴向一致3.机械滞后（

19、机械滞后（Zj）指指粘粘贴贴在在试试件件的的应应变变片片，在在恒恒温温条条件件下下增增（加加载载）、减减（卸卸载载）试试件件应应变变的的过过程程中中，对对应应同同一一机机械械应应变变所所指示应变量（输出）的指示应变量（输出）的差值差值。图图2-7 应变片的机械滞后应变片的机械滞后0指示应变指示应变i i机械应变机械应变卸载卸载加载加载l 一般要求一般要求l 实测前应通过多次重复预加、实测前应通过多次重复预加、卸载，来减小机械滞后带来的误卸载，来减小机械滞后带来的误差差。4.零点漂移（零点漂移（P0）与蠕变（）与蠕变（）图图2-8 应变片的零漂与蠕变应变片的零漂与蠕变0指示应变指示应变i itl

20、 试件试件初始空载初始空载，温度恒定时，应变片的指示值仍会，温度恒定时，应变片的指示值仍会随时间变化的现象称为随时间变化的现象称为零漂零漂（P0）。l 在在恒温恒载恒温恒载情况下，应情况下，应变片的指示值随时间变化变片的指示值随时间变化的情况称为的情况称为蠕变蠕变()。通。通常要求常要求 。5.应变极限应变极限图图2-9 应变片的应变极限应变片的应变极限0指示应变指示应变i i真实应变真实应变 在恒温条件下，使非线在恒温条件下，使非线性误差达到性误差达到10%时的真实应时的真实应变值，称为应变极限变值，称为应变极限 。l 应变极限是衡量应变片测应变极限是衡量应变片测量范围和过载能力的指标，量范

21、围和过载能力的指标，通常要求通常要求 。6.动态特性动态特性l 实实验验证证明明，电电阻阻应应变变片片在在测测量量频频率率较较高高的的动动态态应应变变时时，应应变变是是以以应应变变波波的的形形式式在在材材料料中中传传播播的的，它它的传播速度与声波相同，对于钢材的传播速度与声波相同，对于钢材v5000m/s。应变片应变片x图图2-10 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 图图示示为为一一频频率率为为 f 的的正正弦弦应应变变片片在在构构件件中中以以速速度度 v 沿沿应应变变片片栅栅长长方方向向传传播播，在在某一瞬时某一瞬时 t 的分布。的分布。l 应应变变片片对对正正弦弦应应变变

22、波波的的响响应应是是在在其其栅栅长长 l 范范围围内内所所感感受受应应变变量量的的平平均均值值 ，低低于于真真实实应应变变波波 ，从从而而产生误差。产生误差。t 瞬时应变片瞬时应变片中点的应变中点的应变(真实应变波真实应变波)值值为：为：t 瞬时应变片的瞬时应变片的平均应变平均应变(实际响应波实际响应波)值值为：为：由此产生的相对误差由此产生的相对误差为：为：相对误差的大小只取决于相对误差的大小只取决于 的比值。的比值。因为因为取取 ，则，则若已知若已知v，则可由上式求出可测动态应变最高频率，则可由上式求出可测动态应变最高频率fmax。另，考虑到另，考虑到 ，可将，可将 展开为级数，展开为级数

23、，并略去高阶小量后可得：并略去高阶小量后可得：则可根据给定的精度则可根据给定的精度e，来确定合理的栅长，来确定合理的栅长l或工作频限或工作频限fmax，即：即：1.温度误差温度误差 原因之一：电阻丝温度系数的影响原因之一：电阻丝温度系数的影响（四）应变片的温度误差及补偿（四）应变片的温度误差及补偿 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差误差,称为应变片的温度误差。称为应变片的温度误差。原因原因之二：之二：电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数不同带来的影响。不同带来的影响。因为因为所以所以式中：式中：试件材料的试件

24、材料的线膨胀系数线膨胀系数；敏感栅材料的敏感栅材料的线膨胀系数线膨胀系数；所以由温度变化形成的电阻相对变化为所以由温度变化形成的电阻相对变化为由温度变化引起的附加应变（由温度变化引起的附加应变（热输出热输出）为）为结结论论：因因环环境境温温度度变变化化而而引引起起的的附附加加电电阻阻的的相相对对变变化化量量，除除了了与与环环境境温温度度有有关关外外，还还与与应应变变片片自自身身的的性性能能参参数数（K,0,g）以及被测试件线膨胀系数）以及被测试件线膨胀系数e有关。有关。2.温度补偿温度补偿（1）应变片的自补偿法应变片的自补偿法要使应要使应变片在变片在t0时，时，t=0，则需，则需特特点点：结结

25、构构简简单单，制制造造与与使使用用方方面面，但但电电阻阻丝丝材材料料与被测材料需配合恰当。与被测材料需配合恰当。单丝自补偿单丝自补偿选择式的选择式的应变片应变片自补偿法自补偿法所以所以两段敏感两段敏感栅栅的的电电阻大小阻大小选择选择RaRb双丝组合式自补偿双丝组合式自补偿双金属敏感栅应变片双金属敏感栅应变片要求要求图图2-11 双金属丝敏感栅双金属丝敏感栅电桥补偿电桥补偿是最常用且效果较好的电路补偿。是最常用且效果较好的电路补偿。补补偿偿原原理理：桥桥路路相相邻邻两两臂臂增增加加相相同同电电阻阻，对对电电桥桥输输出出无影响。无影响。（2）电路补偿法电路补偿法R3R2R4R1EUscR1R2FF

26、工作应变片工作应变片补偿应变片补偿应变片补偿块补偿块图图2-12 桥路补偿法桥路补偿法 电桥开路输出电压为电桥开路输出电压为l A为为由由桥桥臂臂电电阻阻和和电电源源电电压压决决定定的的常常数数。由由上上式式可可知知，当当R3和和R4为为常常数数时时，R1和和R2对对电电桥桥输输出出电电压压Usc的的作作用用方方向向相相反反。利利用用这这一一基基本本关关系系可可实实现现对对温温度度的的补补偿。偿。测量应变时，工作应变片测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表粘贴在被测试件表面上，补偿应变片面上，补偿应变片R2粘贴在粘贴在与被测试件材料完全相与被测试件材料完全相同同的的补偿块补偿块上，且仅工作

27、应变片承受应变。上，且仅工作应变片承受应变。l 可以按可以按R1=R2=R，R3=R4=R选取初始桥臂电阻。选取初始桥臂电阻。当被测试件不承受应变时，当被测试件不承受应变时，R1和和R2处于同一环境温度处于同一环境温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有 温温度度补补偿偿的的实实现现：当当温温度度升升高高或或降降低低t 时时，两两个个应应变变片片因因温温度度而而引引起起的的电电阻阻变变化化量量Rt 相相等等，电电桥桥仍处于平衡状态，仍处于平衡状态，即即 应应变变的的测测量量：若若被被测测试试件件有有应应变变的的作作用用，则则工工作作应应变变片片电电阻阻R

28、1随随之之有有新新的的增增量量R1=R1K，而而补补偿偿片片不不承承受受应变，故不产生新的增量，应变，故不产生新的增量，此时电桥输出电压为此时电桥输出电压为可可见见：电电桥桥的的输输出出电电压压Usc仅仅与与被被测测试试件件的的应应变变成成单单值值函数关系函数关系，而与环境温度无关。，而与环境温度无关。l 注意满足以下完全补偿条件：注意满足以下完全补偿条件：在应变片工作过程中，保证在应变片工作过程中，保证R3=R4。R1和和R2两两个个应应变变片片应应具具有有相相同同的的电电阻阻温温度度系系数数、线线膨胀系数膨胀系数、应变灵敏度系数、应变灵敏度系数K和初始电阻值和初始电阻值R0。粘粘贴贴补补偿

29、偿片片的的补补偿偿块块材材料料和和粘粘贴贴工工作作片片的的被被测测试试件件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。材料必须一样，两者线膨胀系数相同。两应变片应处于两应变片应处于同一温度场中同一温度场中。应应变变片片是是用用粘粘结结剂剂粘粘贴贴到到被被测测件件上上的的。粘粘结结剂剂形形成成的的胶胶层层必必须须准准确确迅迅速速地地将将被被测测件件应应变变传传递递到到敏敏感感栅栅上上。选选择择粘粘结结剂剂时时必必须须考考虑虑应应变变片片材材料料和和被被测测件件材材料料性性能能，不不仅仅要要求求粘粘接接力力强强，粘粘结结后后机机械械性性能能可可靠靠，而而且且粘粘合合层层要要有有足足够够大大的的剪剪切切弹弹性

30、性模模量量，良良好好的的电电绝绝缘缘性性，蠕蠕变变和和滞滞后后小小，耐耐湿湿，耐耐油油，耐耐老老化化，动动态态应应力力测测量量时时耐耐疲疲劳劳等等。还还要要考考虑虑到到应应变变片片的的工工作作条条件件，如如温温度度、相相对对湿湿度度、稳定性要求以及贴片固化时加热加压的可能性等。稳定性要求以及贴片固化时加热加压的可能性等。(五五)金属电阻应变片的粘贴金属电阻应变片的粘贴 u 常常用用的的粘粘结结剂剂类类型型有有硝硝化化纤纤维维素素型型、氰氰基基丙丙稀稀酸酸型、聚酯树脂型、环氧树脂型型、聚酯树脂型、环氧树脂型和和酚醛树脂型酚醛树脂型等。等。u 粘粘贴贴工工艺艺包包括括被被测测件件粘粘贴贴表表面面处

31、处理理、贴贴片片位位置置确确定定、涂涂底底胶胶、贴贴片片、干干燥燥固固化化、贴贴片片质质量量检检查查、引引线线的的焊焊接接与固定以及防护与屏蔽等。与固定以及防护与屏蔽等。u 粘粘结结剂剂的的性性能能及及应应变变片片的的粘粘贴贴质质量量直直接接影影响响应应变变片片的的工工作作特特性性，如如零零漂漂、蠕蠕变变、滞滞后后、灵灵敏敏系系数数、线线性性以以及及它它们们受受温温度度变变化化影影响响的的程程度度。可可见见，选选择择粘粘结结剂剂和和正正确的粘结工艺与应变片的测量精度有着极重要的关系。确的粘结工艺与应变片的测量精度有着极重要的关系。图图2-13 不平衡直流电桥不平衡直流电桥二、测量电路二、测量电

32、路（一）直流电桥（一）直流电桥 由于机械应变一般都很小由于机械应变一般都很小,要把微小应变引起要把微小应变引起的电阻变化测量出来的电阻变化测量出来,并把电阻相对变化并把电阻相对变化R/R转换转换为电压或电流的变化为电压或电流的变化,需要专用测量电路。通常采需要专用测量电路。通常采用用电桥电路电桥电路。C R1R2R4R3EABDIoRgUol不平衡直流电桥电路的输出不平衡直流电桥电路的输出四个桥臂均为应变片时，其电阻变化四个桥臂均为应变片时，其电阻变化Ri，i=14，则则当当Rg时，电桥输出电压为时，电桥输出电压为l直流电桥的直流电桥的平衡条件平衡条件当当 时，时，则有则有Io=0 或或Uo=

33、0，电桥平衡。，电桥平衡。R1R4=R2R3或或称为称为电桥平衡条件电桥平衡条件。这说明这说明欲使电桥平衡欲使电桥平衡,其相邻两臂电阻的比值应相其相邻两臂电阻的比值应相等等,或相对两臂电阻的乘积相等或相对两臂电阻的乘积相等。当当Ri R (i=1,2,3,4)时，略去上式中的高阶微量时，略去上式中的高阶微量 1.等臂电桥（等臂电桥（R1=R2=R3=R4=R）其中其中l 上式可分析出直流电桥的上式可分析出直流电桥的和差特性和差特性。l 直流直流电桥的电桥的和差特性和差特性若若相邻相邻两桥臂电阻变化的两桥臂电阻变化的极性一致极性一致，输出电压为，输出电压为两两者之差者之差；若；若极性相反极性相反

34、，则输出电压为，则输出电压为两者之和两者之和。若若相对相对两桥臂电阻变化的两桥臂电阻变化的极性一致极性一致，输出电压为，输出电压为两者之和两者之和；若若极性相反极性相反，则输出电压为，则输出电压为两者之差两者之差。正确利用正确利用和差特性和差特性，可以，可以提高电桥输出灵敏度提高电桥输出灵敏度、抑制共模抑制共模干扰干扰、改善非线性改善非线性。例例1 1 单臂电桥测量单臂电桥测量R1F图图2-14 悬臂梁应变测量及单臂电桥电路悬臂梁应变测量及单臂电桥电路UoR1R1R4R3R2E电压灵敏度：电压灵敏度：可见，单臂电桥可见，单臂电桥理想的线性输出理想的线性输出为为而而实际输出电压实际输出电压，非线

35、性误差，非线性误差 即即 例例2 2 半桥差动测量半桥差动测量 R1R2F图图2-15 悬臂梁应变测量及差动半桥邻臂测量电路悬臂梁应变测量及差动半桥邻臂测量电路UoR1RR4R3R2-RE半半桥桥差差动动：在在试试件件上上贴贴两两块块应应变变片片，一一块块受受拉拉应应变变，一一块受块受压应变压应变，接入电桥接入电桥相邻桥臂相邻桥臂。输出电压为输出电压为若若R1=-R2=R，R1=R2，R3=R4，则，则可见：可见：Uo与与R/R成成线线性性关关系系，无无非非线线性性误误差差，而而且且电电桥桥电电压压灵敏度灵敏度 KU是单臂工作时的是单臂工作时的2倍倍。也可直接由也可直接由和差特性公式和差特性公

36、式得得注意：注意：前面也提到可以利用差动半桥的前面也提到可以利用差动半桥的和差特性和差特性进行温度进行温度等共模干扰的等共模干扰的补偿补偿，即：，即：例例3 3 全桥差动测量全桥差动测量 R1、R4R2、R3F图图2-16 悬臂梁应变测量及差动全桥测量电路悬臂梁应变测量及差动全桥测量电路R2-R2EUoR1R1R3-R3R4R4全全桥桥差差动动：电电桥桥四四臂臂接接入入四四块块应应变变片片，即即两两块块受受拉拉应应变变，两两块块受受压压应应变变，将将应应变变符符号号相相同同的的接接入入相相对对桥桥臂臂中中，开开路输出电压为：路输出电压为：若若R1=R4=-R2=-R3=R，R1=R2=R3=R

37、4，则，则可见：可见：全全桥桥差差动动电电路路不不仅仅没没有有非非线线性性误误差差，而而且且电电压压灵灵敏敏度度为为单单臂臂测测量量时时的的4倍倍；也也可可以以利利用用差差动动全全桥桥的的和和差差特特性性进行温度等共模干扰的进行温度等共模干扰的补偿补偿。也可直接由也可直接由和差特性公式得和差特性公式得结论：结论：Ri1(RR)时，时，其非线性较等臂电桥大；，其非线性较等臂电桥大；k1(RR)时，其非线性较等臂电桥小。时，其非线性较等臂电桥小。k1时，时，其非线性得到很好改善。其非线性得到很好改善。k=1时，即为等臂电桥。时，即为等臂电桥。若若R R，忽略忽略 项，则有：项，则有：在一定应变范围

38、内，在一定应变范围内，其输出与应变呈线性关系，但比等臂电其输出与应变呈线性关系，但比等臂电桥输出电压桥输出电压小，故这种组桥形式小，故这种组桥形式不如前二者常用不如前二者常用。引引入入原原因因：由由于于应应变变电电桥桥输输出出电电压压很很小小，一一般般都都要要加加放放大大器器，而而直直流流放放大大器器易易于于产产生生零零漂漂，因因此此应变电桥多采用交流电桥。应变电桥多采用交流电桥。由由于于供供桥桥电电源源为为交交流流电电源源，引引线线分分布布电电容容使使得得二二桥桥臂臂应应变变片片呈呈现现复复阻阻抗抗特特性性，即即相相当当于于两两只只应应变片各并联了一个电容。变片各并联了一个电容。（二）交流电

39、桥（二）交流电桥复阻抗的形式复阻抗的形式图图2-19 交流电桥交流电桥交流电桥开路电压输出：交流电桥开路电压输出：电桥平衡条件电桥平衡条件：或或式中式中,C1、C2表示应变片引线分布电容。表示应变片引线分布电容。图图(b)中中每一桥臂上复阻抗分别为每一桥臂上复阻抗分别为由电桥由电桥平衡条件平衡条件整理可得整理可得变形为：变形为：由实部、虚部分别相等得由实部、虚部分别相等得图图(b)电桥的电桥的平衡条件平衡条件：可见：可见：对这种交流电容电桥对这种交流电容电桥,除要满足电阻平衡条件外除要满足电阻平衡条件外,还必须满足电容平衡条件。为此在桥路上除设有还必须满足电容平衡条件。为此在桥路上除设有电阻电

40、阻平衡调节平衡调节外还设有外还设有电容平衡调节电容平衡调节。图图2-20 交流电桥平衡调节交流电桥平衡调节当当被被测测应应力力变变化化引引起起Z1=Z0+Z,Z2=Z0-Z变变化化时，则电桥输出为时，则电桥输出为 可见：电桥输出为可见：电桥输出为调幅波调幅波。交交流流电电桥桥输输出出调调幅幅波波，要要求求提提供供幅幅值值和和频频率率很很稳稳定定的的交交流流电电源源，一一般般要要求求交交流流电电源源的的频频率率为为被被测测信信号号最最高高频频率率的的510倍倍，才才能能由由解解调调电电路路把把被被测测信号正确解调出来。信号正确解调出来。图图2-21 交流电桥的调幅过程交流电桥的调幅过程图图2-2

41、2 动态电阻应变仪原理框图动态电阻应变仪原理框图 幅值调制与解调幅值调制与解调 幅值调制与解调幅值调制与解调 测量力、位移、加速度、扭矩等。它由测量力、位移、加速度、扭矩等。它由弹性元弹性元件件和粘贴在其表面的和粘贴在其表面的应变片应变片组成。组成。三、电阻应变式传感器三、电阻应变式传感器（一）应变式力传感器（一）应变式力传感器l 被测物理量：被测物理量：荷重荷重或或力。力。l 主主要要用用途途：作作为为各各种种电电子子称称与与材材料料试试验验机机的的测测力力元元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。l 力力传传感感器器的的弹弹性性元元件件

42、：柱柱式式、筒筒式式、环环式式、悬悬臂臂梁梁式和轮辐式式和轮辐式等。等。（a）实心圆柱）实心圆柱 （b）空心圆筒）空心圆筒 图图2-23 柱式力弹性体结构图柱式力弹性体结构图1.柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器l 应应变变式式力力传传感感器器要要求求有有较较高高的的灵灵敏敏度度和和稳稳定定性性,当当传传感感器器在在受受到到侧侧向向作作用用力力或或力力的的作作用用点点发发生生轻轻微微变化时变化时,不应对输出有明显的影响。不应对输出有明显的影响。R5R8R7R6R1R2R3R4图图2-24 柱式贴片及电桥电路连接图柱式贴片及电桥电路连接图R5R8R7R6R1R2R3R4UoUil 纵向对称两两

43、串接为了减小纵向对称两两串接为了减小偏心载荷偏心载荷及及弯矩弯矩的影的影响；横向贴片作响；横向贴片作温度补偿温度补偿用。用。横向横向应变应变片的片的应变为应变为接成差接成差动动全等臂全等臂电桥电桥，总总的的应变为应变为电桥输电桥输出出为为轴轴向向应变应变片的片的应变为应变为 2.悬臂梁式力传感器悬臂梁式力传感器 等等强强度度梁梁弹弹性性元元件件是是一一种种特特殊殊形形式式的的悬悬臂臂梁梁。梁梁的的固固定定端端宽宽度度为为b0，自自由由端端宽宽度度为为b，梁梁长长为为L，粱粱厚为厚为h。LR1R3R2R4xFhbb0图图2-25 等强度梁力传感器原理图等强度梁力传感器原理图接成差动全桥后输出电压

44、为接成差动全桥后输出电压为 悬悬臂臂梁梁端端部部受受质质量量块块惯惯性性力力作作用用，距距端端部部x处处的的应应变变为为 力力F作作用用于于梁梁端端三三角角形形顶顶点点上上，梁梁内内各各断断面面产产生生的的应应力力相相等等，故故在在对对L方方向向上上粘粘贴贴应应变变片片位位置置要要求不严。求不严。l 用途：用途：测量测量流动介质流动介质的的动态动态或或静态压力静态压力。l 弹性元件：弹性元件：大多采用大多采用薄板式薄板式(膜片膜片)或或筒式筒式弹性元件。弹性元件。（二）应变式压力传感器（二）应变式压力传感器图图2-26 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

45、薄薄板板式式传传感感器器，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。这这时测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压。时测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压。P（b）（a）应变片圆圆形形薄薄板板固固定定形形式式：采采用用嵌嵌固固形形式式，如如图图（a）或或与与传传感感器器外外壳壳作作成成一一体，如图体，如图(b)。图图2-27 圆板表面应变分布图圆板表面应变分布图（a）应变变化图应变变化图;（b）应变片粘贴应变片粘贴 在在压压力力p作作用用下

46、下，膜膜片片产产生生径径向向应应变变r和和切切向向应应变变t，表达式分别为，表达式分别为 式中式中:p膜片上均匀分布的压力膜片上均匀分布的压力;R,h膜片的半径和厚度膜片的半径和厚度;x离圆心的径向距离。离圆心的径向距离。应变分布的特点应变分布的特点：当当x=0时，时，rmax=tmax;当当x=R时，时，t=0，r=-2rmax;当当 时，时，粘贴方式：粘贴方式：一一般般在在平平膜膜片片圆圆心心处处切切向向粘粘贴贴R1、R4两两个个应应变变片片，在在边边缘缘处处沿沿径径向向粘粘贴贴R2、R3两两个个应应变变片片，然然后后接接成成全全桥桥测量电路。测量电路。避开避开 位置。位置。用于物体加速度

47、的测量，依据：用于物体加速度的测量，依据：a=F/m。图图2-28 电阻应变式加速度传感器结构图电阻应变式加速度传感器结构图（三）应变式加速度传感器（三）应变式加速度传感器 图图中中悬悬臂臂梁梁自自由由端端安安装装质质量量块块,另另一一端端固固定定在在壳壳体体上上。梁梁上上粘粘贴贴四四个个电电阻阻应应变变片片。为为了了调调节节振振动动系系统统阻阻尼尼系系数数,在在壳壳体体内充满硅油。内充满硅油。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测测量量原原理理：将将传传感感器器壳壳体体与与被被测测对对象象刚刚性性连连接接，当当被被测测物物体体以以加加速速度度a运运动动时时，质质量量块块

48、受受到到一一个个与与加加速速度度方方向向相相反反的的惯惯性性力力作作用用，使使悬悬臂臂梁梁变变形形。该该变变形形被被粘粘贴贴在在悬悬臂臂梁梁上上的的应应变变片片感感受受到到并并随随之之产产生生应应变变，从从而而使使应应变变片片的的电电阻阻发发生生变变化化，引引起起应应变变片片组组成成的的桥桥路路出出现现不不平平衡衡，从而输出电压，从而输出电压，即可得出加速度即可得出加速度a值的大小。值的大小。适适用用范范围围：不不适适用用于于频频率率较较高高的的振振动动和和冲冲击击场场合合，一般适用频率为一般适用频率为1060Hz范围。范围。电阻应变式测力、压力称重传感器系列电阻应变式测力、压力称重传感器系列

49、共性：共性：将应变片贴于应变值最大的点上，接于差动桥路，将应变片贴于应变值最大的点上，接于差动桥路，产生较大输出（具有较高的灵敏度），产生较大输出（具有较高的灵敏度），注意注意对臂上对臂上的应的应力状态一致力状态一致。不同点：不同点：结构不同，敏感元件受力等产生的应变与被测量关结构不同，敏感元件受力等产生的应变与被测量关系不同。各性能参数有所不同，应用范围有所不同。系不同。各性能参数有所不同，应用范围有所不同。思考：各种结构的电阻应变式传感器的共性是什么思考：各种结构的电阻应变式传感器的共性是什么？不同之处是什么？不同之处是什么？2-2压阻式传感器压阻式传感器 利利用用硅硅的的压压阻阻效效应应

50、和和微微电电子子技技术术制制成成的的，是是一一种种新的新的物性型物性型传感器。传感器。优点：优点：灵灵敏敏度度高高、动动态态响响应应好好、精精度度高高、易易于于微微型型化化和和集成化等。集成化等。一、压阻效应一、压阻效应 所谓所谓压阻效应压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时外力作用时,其电阻率其电阻率发生变化的现象。发生变化的现象。式中：式中：半导体材料的半导体材料的压阻系数压阻系数；轴向应力；轴向应力；E弹性模量。弹性模量。电阻相对变化量电阻相对变化量此此式式表表明明压压阻阻传传感感器器的的工工作作原原理理是是基基于于压阻效应压阻效应。二、二、晶向、晶面