《电阻式传感器》PPT课件 (2).ppt

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1、传感器原理及应用传感器原理及应用第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第3 3 3 3章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器主要内容主要内容 3.1 3.1 3.1 3.1 电阻应变片工作原理电阻应变片工作原理电阻应变片工作原理电阻应变片工作原理 3 3 3 3.2.2.2.2 金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性 3 3 3 3.3.3.3.3 应变片测量电路应变片测量电路应变片测量电路应变片测量电路 3 3 3 3.4.4.4.4 应变式传感器的应用应变式传感器的应用应变式传感器的应用应

2、变式传感器的应用 电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片(计)是电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片既可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。金属材料电阻应变效应电阻应变片传感器，半导体材料压阻效应的压阻式传感器。构成原理及信号变换原理电阻式应变式传感器的构成原理弹性敏感元件应变片测量电路辅助电源被测非电量（x）应力、应变、挠度s e y电阻变化DR电压、电流(U,I)信号变换原理定性原理：被测非电量（Dx)弹性敏感元件应力(s),应变(e),挠度(y)电阻变化(DR)测量电路

3、电压(DU),电流(DI)变化量使用特点历史悠久，理论、技术、应用成熟，广泛应用于科学实验、航空、机械、电力、化工、建筑、医学等领域，使测试和控制的主要方法结构简单，使用方便，性能稳定、可靠可实现过程中的自动化和多点同步测量及遥测灵敏度较高、测量速度快，适合静、动态测量可实现多种物理量（位移，加速度、速度、力、力、扭矩、压力等）测量传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第3 3 3 3章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器广泛应用于各种衡器、应变测量广泛应用于各种衡器、应变测量各种电子秤各种电子秤电子天平电子天平高高精精度度电

4、电子子汽汽车车衡衡动动态态电电子子秤秤机械式机械式传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第3 3 3 3章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器机械秤机械秤包装机包装机吊秤吊秤遥遥动动遥遥控控吊吊秤秤液液压压叉叉车车秤秤传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第3 3 3 3章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器上海卢浦大桥通车应变试验上海卢浦大桥通车应变试验传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第3 3 3 3章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器上海国际会议中心模型试验上海国际会议中心模型试验传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第3

5、 3 3 3章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器打桩船吊塔打桩船吊塔 强度试验强度试验电阻式应变传感器是测力与应变的主要传感器，测力范围电阻式应变传感器是测力与应变的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维（小到肌肉纤维（510-5N)510-5N)，大到登月火箭，大到登月火箭(5107N),(5107N),精精确度可到确度可到 0.010.010.1%0.1%，有，有1010年以上的校准稳定性。年以上的校准稳定性。可用于应变力、压力、转矩、位移、加速度。据统计日本可用于应变力、压力、转矩、位移、加速度。据统计日本力传感器中应变片占力传感器中应变片占70%70%，美国占，美国占9

6、0%90%。电阻应变式传感器也是应用最广泛的传感器，传感器的基电阻应变式传感器也是应用最广泛的传感器，传感器的基本原理是将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经转换本原理是将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经转换电路变换成电量输出。电路变换成电量输出。应变式传感器特征：应变式传感器特征：主要优点，结构简单、精度高、范围大体积小。主要优点，结构简单、精度高、范围大体积小。缺点，电阻、半导体会随温度变化。缺点，电阻、半导体会随温度变化。有不同材料类型，金属应变片、半导体应变片；有不同材料类型，金属应变片、半导体应变片；传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第3 3 3 3章章章章 应变式传感器应变

7、式传感器应变式传感器应变式传感器 R R R RF F F F电阻应变式传感器原理演示 3.1 工作原理电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第3 3 3 3章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第3 3 3 3章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器一一根根长长L L，截截面面积积为为S S，电电阻阻率率为为的的金金属属丝丝电电阻为阻为:当电阻丝受到轴向拉力当电阻丝受到轴向拉力F F作

8、用时，金属丝几何尺寸变化引作用时，金属丝几何尺寸变化引起电阻的相对变化起电阻的相对变化,电阻值电阻值RR的相对变化为的相对变化为:两边取对数，得：两边取对数，得：等式两边取微分，得等式两边取微分，得传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第3 3 3 3章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器径径径径向向向向应应应应变变变变为为为为：（截截截截面面面面积积积积相相相相对变化量）对变化量）对变化量）对变化量）其中轴向应变为：其中轴向应变为：其中轴向应变为：其中轴向应变为：材料的泊松比材料的泊松比传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第3 3 3 3章章章章 应变式传感器应变式传感

9、器应变式传感器应变式传感器用轴向、径向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：令电阻丝的灵敏系数为k k0 0，表示单位应变引起的电阻丝相对变化：（输出变化量/输入变化量）传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第3 3 3 3章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器 金属金属金属金属应变片灵敏系数应变片灵敏系数应变片灵敏系数应变片灵敏系数 k k k k0 0 0 0 主要由材料的主要由材料的主要由材料的主要由材料的几何尺寸几何尺寸几何尺寸几何尺寸引起的引起的引起的引起的 应力应力应力应力=E(EE(EE(EE(E弹性模量弹性模量弹性模量弹性模量)(应力应力应力应力)(应变应变应变

10、应变)应变应变应变应变RRRR/R /R /R /R 应力应力应力应力 R/R R/R R/R R/R 泊松系数泊松系数泊松系数泊松系数 =0.25=0.25=0.25=0.250.5 (0.5 (0.5 (0.5 (钢钢钢钢 =0.285)=0.285)=0.285)=0.285)因为因为因为因为 所以所以所以所以 k k k k0 0 0 01+2 k01.51+2 k01.51+2 k01.51+2 k01.52 2 2 2通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数K。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第3 3 3 3章章章章 应变

11、式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指半导体材料，当某半导体材料的压阻效应。压阻效应是指半导体材料，当某一一轴向受外力作用轴向受外力作用时，时，其电阻率其电阻率发生明显变化的现象。发生明显变化的现象。半导体压阻效应半导体压阻效应半导体压阻效应半导体压阻效应已知固体受力引起电阻变化为：已知固体受力引起电阻变化为：已知固体受力引起电阻变化为：已知固体受力引起电阻变化为：传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第3 3 3 3章章章章 应变式传感器应变式传感器应变

12、式传感器应变式传感器3.13.13.13.1 电阻应变片工作原理电阻应变片工作原理电阻应变片工作原理电阻应变片工作原理 半导体的电阻取决于有限数量的载流子（空穴、电子）半导体的电阻取决于有限数量的载流子（空穴、电子）迁移率，加在一定单晶向的外应力引起半导体能带变化，迁移率，加在一定单晶向的外应力引起半导体能带变化，使载流子的迁移率发生大的变化，使电阻率有很大变化。使载流子的迁移率发生大的变化，使电阻率有很大变化。半导体的电阻率变化与压阻系数有关半导体的电阻率变化与压阻系数有关X XY YZ ZF FF F（3 3）半导体压阻效应半导体压阻效应半导体压阻效应半导体压阻效应传感器原理及应用传感器原

13、理及应用第第第第3 3 3 3章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器半导体硅材料压阻系数为半导体硅材料压阻系数为半导体硅材料压阻系数为半导体硅材料压阻系数为半导体硅材料弹性模量为半导体硅材料弹性模量为半导体硅材料弹性模量为半导体硅材料弹性模量为灵敏系数灵敏系数灵敏系数灵敏系数半导体应变片的灵敏系数为 可见对于半导体应变片，灵敏系数k0主要由电阻率的变化引起的。压阻式传感器的灵敏度k0比金属应变片可以大50100倍，有时无需放大可直接测量；但是半导体元件对温度变化敏感，这在很大程度上限制了半导体应变片的应用。3.2 金属电阻应变片的结构和类型3.2.1 金属应变片的种类金属应

14、变片的种类常用金属应变片有:金属丝式应变片、箔式应变片、金属薄膜应变片等。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第3 3 3 3章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器 按材料分为按材料分为 体型体型 丝式、箔式丝式、箔式 金属式：金属式：薄膜型薄膜型 半导体式：半导体式：体型体型、薄膜型、扩散型、外延型、薄膜型、扩散型、外延型、PNPN结型结型 按结构分：单片、双片、特殊形状按结构分：单片、双片、特殊形状 按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下应变片种类应变片种类应变片种类应变片种类传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第3 3 3

15、 3章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器 金属丝式金属丝式 敏感栅用敏感栅用0.025mm0.025mm金属丝（康铜、贵金属）；金属丝（康铜、贵金属）；金属箔式金属箔式 通过光刻腐蚀工艺，照相制版作成金属薄栅，通过光刻腐蚀工艺，照相制版作成金属薄栅，厚度在厚度在0.0030.0030.01mm0.01mm，敏感栅截面为矩形，敏感栅截面为矩形，可通过大电流，工艺适于批量生产；可通过大电流，工艺适于批量生产；金属薄膜型金属薄膜型采用真空技术，在基片上蒸镀金属薄膜，采用真空技术，在基片上蒸镀金属薄膜，厚度为纳米级。厚度为纳米级。半导体式：半导体式：体型体型、薄膜型、扩散型、外延

16、型、薄膜型、扩散型、外延型、PNPN结型结型体型半导体电阻应变片体型半导体电阻应变片金属丝式应变片金属丝式应变片由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。2341电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图bl栅长栅长栅宽栅宽传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第3 3 3 3章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器金属丝应变片结构：金属丝应变片结构：金属丝应变片结构：金属丝应变片结构：网状敏感栅网状敏感栅网状敏感栅网状敏感栅 高阻金属丝、金属箔高阻金属丝、金属箔高阻金属丝、金属箔高阻金属丝、金属箔 基片基片基片基片 绝缘材料绝缘材料绝缘材料绝缘材料 盖片盖片盖片盖片

17、保护层保护层保护层保护层金属丝式应变片结构金属丝式应变片结构金属箔式应变片结构金属箔式应变片结构传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第3 3 3 3章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器1敏感元件 2、4基底 3引线应变片组成应变片组成 应变片结构应变片结构金属丝式应变片的敏感栅由金属丝绕制而成。金属丝材料为电阻率大而电阻温度系数小的材料。丝式应变片的规格一般以使用面积(L b)和敏感栅的电阻值来表示。阻值一般在501000 范围内,常用的为120。箔式应变片的敏感栅通过光刻、腐蚀等工艺制成,可根据需要制成任意形状,具有表面积大、散热性好、允许电流大、便于成批生产等优点。

18、金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积的方法制成,它将可产生形变的金属或合金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂。这样应变片的性能更好,灵敏度高。所谓薄膜指厚度在0.1um以下的金属膜。厚度在25um左右的称厚膜箔式应变片即属厚膜3.2.2 金属电阻应变片的材料金属电阻应变片的材料（1）敏感栅敏感栅由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为50、120、200、250、600和1000等多种规格，以120最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。（2）基底和覆盖层基底和覆盖层基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，覆盖层覆

19、盖层既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。（3）引线引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。（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起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐

20、、硅酸、硼酸盐等。3.2 电阻应变片的特性电阻应变片的特性3.2.1 弹性敏感元件及其基本特性弹性敏感元件及其基本特性3.2.2 灵敏系数灵敏系数3.2.3 横向效应横向效应3.2.4 绝缘电阻和最大工作电流绝缘电阻和最大工作电流弹性敏感元件及基本特性弹性敏感元件及基本特性 物物体体在在外外力力作作用用下下而而改改变变原原来来尺尺寸寸或或形形状状的的现现象象称称为为变变形形，而而当当外外力力去去掉掉后后物物体体又又能能完完全全恢恢复复其其原原来来的的尺尺寸寸和和形形状状，这这种种变变形形称称为为弹弹性性变变形形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。弹弹性性元

21、元件件在在应应变变片片测测量量技技术术中中占占有有极极其其重重要要的的地地位位。它它首首先先把把力力、力力矩矩或或压压力力变变换换成成相相应应的的应应变变或或位位移移，然然后后传传递递给给粘粘贴贴在在弹弹性性元元件件上上的的应应变变片片，通通过过应应变变片片将将力力、力力矩矩或或压压力力转转换换成成相相应应的电阻值。的电阻值。1.刚度刚度 刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，其定义是弹性元件单位变形下所需要的力，度，其定义是弹性元件单位变形下所需要的力，用用C C 表示，其数学表达式为表示，其数学表达式为 式中式中:F F 作用在弹性元件上的外力，单

22、位为牛顿（作用在弹性元件上的外力，单位为牛顿（N N）；）；x x 弹性元件所产生的变形，单位为毫米（弹性元件所产生的变形，单位为毫米（mmmm）。）。弹性敏感元件及基本特性弹性敏感元件及基本特性2.灵敏度灵敏度通常用刚度的倒数来表示弹性元件的特性，称为通常用刚度的倒数来表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度，一般用弹性元件的灵敏度，一般用S S 表示，其表达式为表示，其表达式为 灵敏度是单位力作用下弹性元件产生变形的大小，灵敏灵敏度是单位力作用下弹性元件产生变形的大小，灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。如果弹性特性是线性的，度大，表明弹性元件软，变形大。如果弹性特性是线性的，则灵敏度为一常

23、数，若弹性特性是非线性的，则灵敏度为则灵敏度为一常数，若弹性特性是非线性的，则灵敏度为一变量，即表示此弹性元件在弹性变形范围内，各处由单一变量，即表示此弹性元件在弹性变形范围内，各处由单位力产生的变形大小是不同的位力产生的变形大小是不同的.弹性敏感元件及基本特性弹性敏感元件及基本特性通常使用的弹性元件的材料为合金钢（40Cr，35CrMnSiA等）、铍青铜（Qbe2，QBr2.5等）、不锈钢（1Cr18Ni9Ti等）。传感器中弹性元件的输入量是力或压力，输出量是应变或位移。在力的变换中，弹性敏感元件通常有实心或空心圆柱体、等截面圆环、等截面或等强度悬臂梁等；变换压力的弹性敏感元件有弹簧管、膜片

24、、膜盒、薄臂圆桶等。弹性敏感元件及基本特性弹性敏感元件及基本特性常用弹性元件的结构和特性常用弹性元件的结构和特性常用弹性元件的结构和特性常用弹性元件的结构和特性当具有初始电阻值R0的应变片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生相应的变化R/R。理论和实验表明，在一定应变范围内R/R与的关系满足下式：应变片灵敏应变片灵敏系数系数应变片受力形变被测体FF式中，为应变片的轴向应变。定义：K=(R/R)/为应变片的灵敏系数。应变片灵敏系统的标定应变片的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。因此，K值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件下，通过实测来确定，应变片的灵敏

25、系数称为标称灵敏系数。上述规定条件的是：试件材料取泊松比=0.285的钢材；试件单向受力；应变片轴向与主应力方向一致。实验表明，应变片灵敏系数小于电阻丝灵敏系数，即 kk0 如果实际应用与标定条件不同时，k误差较大需要修正。电阻应变片的灵敏系数k 电阻丝的灵敏系数k0 应变片灵敏系统的标定粘结层传递变形失真还存在有横向效应 原因：横向效应横向效应 应变片轴向受力及横向效应敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段：沿轴向拉应变x，电阻圆弧段：沿径向压应度y 电阻K 金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，其横向应变r也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发

26、生变化(除了起作用外)，应变片的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横向效应。丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分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。横向效应横向效应 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d l=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

27、见，敏感栅电阻的相对变化分别是和r作用的结果。当r=0时，可得轴向灵敏度系数同样，当=0时，可得横（径）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 由上式可见，r愈小，l愈大，则H愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。应变片绝缘电阻指敏感栅和基底间的电阻值。绝缘电阻值的降低将导致测量灵敏度的降低，并带来测量的误差，产生零点漂移等。绝缘电阻值一般大于1010。提高绝缘电阻值的主要途径是选用基底绝缘性能好的应变计和粘结剂。机械滞后粘贴在试件表面的应变片在一定的温度下,进行加载和卸载时,其DR/R特性曲线不重合。把加载和卸载特性曲线的最大差值d称为

28、应变计的机械滞后值。造成机械滞后的主要原因是敏感栅、基底和粘贴剂荷载承受应变之后留下的参与形变所致。如果敏感栅受到不适当的形变,或粘贴剂固化不充分,或应变计在较高的温度下工作,都将使机械滞后增加,这时可通过反复加卸载来减少机械滞后。零漂和蠕变零漂是指粘贴在试件上的应变计，在温度恒定时并且在不承受载荷的条件下，电阻随时间的变化。蠕变是指已粘贴好的应变片，在温度一定并承受一定的载荷的条件下，电阻值随间的变化。零漂的主要原因是制造过程中造成的内应力、粘贴固化不充分，以及敏感栅材料、粘结剂和基底材料性能的变化所造成的。而产生蠕变的主要原因是胶层在传递应变的开始阶段出现“滑动”，“滑动”愈严重,产生的蠕

29、变也越大。应变极限应变片所能测量的最大应变值称为应变极限。在一定温度下，对试件缓慢地施加均匀的拉伸载荷，当应变计的指示应变值对真实应变值的相对误差大于10%时，就认为应变片已开始失去工作能力，此时应变片能测试应变的最大值即应变极限。当应变计超过允许的载荷极限时，由于胶和基底传递应变能力减弱，构件的真实应变不能全部作用到敏感栅上，测量出的值就不真实。选择抗剪切能力强的粘结济和基底材料以及合理的粘贴安装，有助提高应变极限，而工作温度的提高会使应变极限下降。疲劳寿命已安装的应变计，在恒定幅值的交变应力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。所谓疲劳损坏是指应变计指示应变的变化超过规定误差，或

30、者应变计的输出波形上出现毛刺，或者应变计完全损坏而无法工作。疲劳寿命反映应变计对动态应变的适应能力。应变计的疲劳寿命的循环次数一般可达106次。影响疲劳寿命的主要因素有:敏感栅的缺陷和结构形式，材料的疲劳强度，引线和敏感栅的连接形状、焊接方法、焊接质量，粘结剂和基底材料的强度和粘结质量等。最大工作电流最大工作电流是指允许通过应变计而不影响其工作的最大电流值。工作电流大，应变计输出信号就大，因而灵敏度高。但过大的工作电流会使应变计本身过热，使灵敏系数变化，零漂、蠕变增加，甚至烧坏应变计。工作电流的选取，要根据散热条件而定,主要取决于敏感栅的几何形状和尺寸、截面的形状和大小、基底的尺寸和材料、粘结

31、剂的材料和厚度以及试件的散热性能等。通常允许电流值在静态测量时约取2025mA左右，动态测量时可高一些，箔式应变计可取更大些。在测量塑料、玻璃、陶瓷等导热性差的材料时，工作电流要取小些。3.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路测量电路是将应变片（传感元件）的电阻变化转换成可用的电量（电压或电流）的装置。常用直流和交流电桥来完成。测量电路测量电路（确定关系）（确定关系）D DR电阻电阻U,IU,I电压电压,电流电流即 U=f(DR)或I=f(DR)3.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路直流电桥直流电桥灵敏度直流电桥非线性补偿交流电桥交流电桥平衡电路直流电桥直流电桥的特点是信号不

32、会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强,但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大一般应变片阻值变化很小，若k0=2，应变片电阻R=120，=1000时电阻变化仅0.24。要检测微小电阻必须经过放大电路放大输出。通常采用直流电桥或交流电桥实现。直流电桥的平衡条件直流电桥的平衡条件 当负载当负载RL（开路），电桥输出电压为（开路），电桥输出电压为电桥平衡时电桥平衡时:I0=0，U0=0时时要满足电桥平衡条件，必须有对两臂电阻的乘积，或相要满足电桥平衡条件，必须有对两臂电阻的乘积，或相邻两臂的电阻比值相等。邻两臂的电阻比值相等。或E E直流供电直流供电直流供电直流供

33、电R R1 1-R-R4 4桥臂电阻桥臂电阻桥臂电阻桥臂电阻直流电桥的电压灵敏度放大器的输入阻抗比桥路阻抗大的多，可视为开路。放大器的输入阻抗比桥路阻抗大的多，可视为开路。设设R1为应变片，应变时为应变片，应变时R1变化量为变化量为R1，应变片阻值变，应变片阻值变化，化，电桥失衡电桥失衡 U00，不平衡输出电压为：，不平衡输出电压为：直流电桥的电压灵敏度定义电桥输出电压灵敏度为定义电桥输出电压灵敏度为电桥输出电压可近似为电桥输出电压可近似为，忽略分母中，忽略分母中由于由于，设桥臂比，设桥臂比考虑平衡条件考虑平衡条件对于对于电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度讨论：讨论：1.1.电桥的电压灵敏度电桥的电

34、压灵敏度K Ku u越越大，电桥输出电压越大；2.Ku与电桥电源E成正比，但供电受应变片允许功耗限制；3.Ku是桥臂比n的函数，恰当选择桥臂比可提高电压灵敏度；显然 n=1、R1=R2、R3=R4 时Ku有最大值，4.单臂工作片的电桥输出电压及电压灵敏度分别为等臂电桥等臂电桥n=1n=1时时非线性误差非线性误差及其方法补及其方法补偿偿 实际输出值为实际输出值为非线性误差非线性误差，忽略了分母中，忽略了分母中前面计算中设前面计算中设将分母按幂级数展开，略去高阶量近似得到单桥非线性误差将分母按幂级数展开，略去高阶量近似得到单桥非线性误差得到得到 对金属电阻丝应变片，因灵敏系数对金属电阻丝应变片，因

35、灵敏系数k k0 0主要由几何尺寸引主要由几何尺寸引起的，起的，RR非常小，电桥非线性误差可以忽略。对于半导体非常小，电桥非线性误差可以忽略。对于半导体应变片灵敏度系数应变片灵敏度系数k k0 0主要由电阻变化引起的，应变时主要由电阻变化引起的，应变时R1/R1R1/R1 很大，非线性误差不能忽略。很大，非线性误差不能忽略。例：金属应变片例：金属应变片 半导体应变片半导体应变片由式由式 可见可见,非线性误差与非线性误差与RR1 1/R/R1 1成正比成正比非线性误差非线性误差及其方法补及其方法补偿偿 实际电路中非线性误差总是存在实际电路中非线性误差总是存在的，为减小非线性误差常采用的，为减小非

36、线性误差常采用差动差动电桥。电桥。在试件上安装两个工作片，一个在试件上安装两个工作片，一个受拉、一个受压，分别接在电桥的受拉、一个受压，分别接在电桥的相邻两个臂。相邻两个臂。当有作用力当有作用力F F时电桥的输出电压为时电桥的输出电压为非线性误差的补偿非线性误差的补偿非线性误差的补偿非线性误差的补偿 差动电桥q 半桥电压灵敏度为：半桥电压灵敏度为：半桥电路讨论：半桥电路讨论：1.输出电压U0 与R/R呈线性关系，无非线性误差；2.半桥电路（两个工作片）的电压灵敏度Ku是单臂电桥的两倍；3.同时电路具有温度补偿作用。电桥输出：电桥输出：按等臂电桥初始条件：按等臂电桥初始条件：同时同时 非线性误差

37、的补偿非线性误差的补偿非线性误差的补偿非线性误差的补偿差动电桥r 全全桥桥：将将电电桥桥四四个个桥桥臂臂按按照照对对臂臂同同性性、邻邻 臂臂 异异 性性 原原 则则 连连 接接 四四 个个 工工 作作 片片RR1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4 全桥电压输出为全桥电压输出为 全桥电压灵敏度为全桥电压灵敏度为 全桥输出电压灵敏度是单桥的全桥输出电压灵敏度是单桥的4 4倍倍 没有非线性误差。具有温度补偿作用没有非线性误差。具有温度补偿作用非线性误差的补偿非线性误差的补偿非线性误差的补偿非线性误差的补偿差动电桥传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第3 3 3 3章章章章 应变式传感器

38、应变式传感器应变式传感器应变式传感器单单单单桥桥桥桥半半半半桥桥桥桥全全全全桥桥桥桥交流电桥交流电桥 直流电桥直流电桥直流电桥直流电桥 优点：电源稳定、平衡电路简单，仍是主要测量电路；优点：电源稳定、平衡电路简单，仍是主要测量电路；优点：电源稳定、平衡电路简单，仍是主要测量电路；优点：电源稳定、平衡电路简单，仍是主要测量电路；缺点：直流放大器较复杂，存在零漂和工频干扰。缺点：直流放大器较复杂，存在零漂和工频干扰。缺点：直流放大器较复杂，存在零漂和工频干扰。缺点：直流放大器较复杂，存在零漂和工频干扰。交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥 优点：放大电路简单无零漂，不受干扰，为特定传感器优点：放大电路

39、简单无零漂，不受干扰，为特定传感器优点：放大电路简单无零漂，不受干扰，为特定传感器优点：放大电路简单无零漂，不受干扰，为特定传感器带来方便；带来方便；带来方便；带来方便；缺点：需专用测量仪器或电路，不易取得高精度。缺点：需专用测量仪器或电路，不易取得高精度。缺点：需专用测量仪器或电路，不易取得高精度。缺点：需专用测量仪器或电路，不易取得高精度。交流电桥由于引线分布参数的影响以及平衡调节、后续放交流电桥由于引线分布参数的影响以及平衡调节、后续放交流电桥由于引线分布参数的影响以及平衡调节、后续放交流电桥由于引线分布参数的影响以及平衡调节、后续放大的影响大的影响大的影响大的影响 与直流电桥有明显的差

40、别。与直流电桥有明显的差别。与直流电桥有明显的差别。与直流电桥有明显的差别。交流电桥交流电桥R1R4R3R2U0实际布线图半桥图用应变片组成传感器时，实际测量中，电桥的桥臂都由应变片组成，但由于应变片连接导线间存在着分布电容，它与应变片的电阻并联，形成一个阻容并联阻抗。C2C1R4R3U0R1R2Z4Z3U0Z1Z2C2C1R4R3U0R1R2一般形式全桥图C3C4 交流电桥由单频交流电源供电，交流电桥各臂的电阻要交流电桥由单频交流电源供电，交流电桥各臂的电阻要交流电桥由单频交流电源供电，交流电桥各臂的电阻要交流电桥由单频交流电源供电，交流电桥各臂的电阻要考虑分布电容的影响，这时桥臂不再是纯电

41、阻了，可将考虑分布电容的影响，这时桥臂不再是纯电阻了，可将考虑分布电容的影响，这时桥臂不再是纯电阻了，可将考虑分布电容的影响，这时桥臂不再是纯电阻了，可将桥臂视为复阻阻抗，分别为桥臂视为复阻阻抗，分别为桥臂视为复阻阻抗，分别为桥臂视为复阻阻抗，分别为 电源电压、输出电压分别用复数表示电源电压、输出电压分别用复数表示电源电压、输出电压分别用复数表示电源电压、输出电压分别用复数表示 交流电桥输出特征方程为交流电桥输出特征方程为交流电桥输出特征方程为交流电桥输出特征方程为 交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥已知已知忽略分母项忽略分母项交流半桥输出：交流半桥输出：交流单桥输出：交流单桥输

42、出：其中其中,Z1=R1/XC1交流电桥输出：交流电桥输出：交流电桥交流电桥交流全桥输出：交流全桥输出：式中：式中：x电抗、r电阻、Z复数的模、幅角用指数形式代入得到交流电桥平衡条件，需满足两个方程式：对臂复数的模积相等，幅角之和相等。交流电桥平衡条件：交流电桥平衡条件：交流电桥平衡条件：交流电桥平衡条件：设各桥臂阻抗设各桥臂阻抗设各桥臂阻抗设各桥臂阻抗:交流电桥交流电桥 若半桥若半桥若半桥若半桥Z Z Z Z3 3 3 3、Z Z Z Z4 4 4 4为固定电阻，为固定电阻，为固定电阻，为固定电阻，Z Z Z Z1 1 1 1、Z Z Z Z2 2 2 2为两个应变片阻值为两个应变片阻值为两

43、个应变片阻值为两个应变片阻值为为为为R R R R1 1 1 1、R R R R2 2 2 2，分布电容为，分布电容为，分布电容为，分布电容为C C C C1 1 1 1、C C C C2 2 2 2。交流电桥交流电桥电桥平衡时实部、虚部分别相等。电桥平衡时实部、虚部分别相等。电桥平衡时实部、虚部分别相等。电桥平衡时实部、虚部分别相等。电容平衡电路电容平衡电路电容平衡电路电容平衡电路调节交流高次谐波调节交流高次谐波调节交流高次谐波调节交流高次谐波电阻平衡电路调节直流基波成分电阻平衡电路调节直流基波成分电阻平衡电路调节直流基波成分电阻平衡电路调节直流基波成分事实上交流电桥很难处于平衡状态，只能使

44、事实上交流电桥很难处于平衡状态，只能使事实上交流电桥很难处于平衡状态，只能使事实上交流电桥很难处于平衡状态，只能使零输出尽量小，零输出尽量小，零输出尽量小，零输出尽量小，所以会产生零输出，因此须所以会产生零输出，因此须所以会产生零输出，因此须所以会产生零输出，因此须设置平衡电路。设置平衡电路。设置平衡电路。设置平衡电路。R R R R5 5 5 5R R R R6 6 6 6组成电阻平衡调节电路，组成电阻平衡调节电路，组成电阻平衡调节电路，组成电阻平衡调节电路，改变改变改变改变R R R R6 6 6 6使使使使R R R R1 1 1 1 R R R R2 2 2 2 R R R R5 5

45、5 5电阻值变化电阻值变化电阻值变化电阻值变化C C C C、R R R R组成电容平衡调节电路，组成电容平衡调节电路，组成电容平衡调节电路，组成电容平衡调节电路，改变改变改变改变R R R R使使使使Z Z Z Z1 1 1 1 Z Z Z Z2 2 2 2 阻抗变化阻抗变化阻抗变化阻抗变化交流电桥平衡电路交流电桥平衡电路交流电桥平衡电路交流电桥平衡电路交流电桥交流电桥交流电桥输出用以上参数代入（半桥）交流电桥输出用以上参数代入（半桥）交流电桥输出用以上参数代入（半桥）交流电桥输出用以上参数代入（半桥）当应变引起阻抗变化时当应变引起阻抗变化时当应变引起阻抗变化时当应变引起阻抗变化时,有（增、

46、减）阻抗变化有（增、减）阻抗变化有（增、减）阻抗变化有（增、减）阻抗变化当wR1C11（如f=1000Hz，R1=120W，C1=1000pF时，wR1C1 7.610-41)时，则（3-45）当wR1C1 剪切梁式剪切梁式 测扭矩力测扭矩力各种形式的各种形式的应变梁应变梁 轮辐式传感器结构主要由五个部分组成：轮轱、轮圈、轮辐式传感器结构主要由五个部分组成：轮轱、轮圈、轮辐式传感器结构主要由五个部分组成：轮轱、轮圈、轮辐式传感器结构主要由五个部分组成：轮轱、轮圈、轮辐条、受拉和受压应变片轮辐条、受拉和受压应变片轮辐条、受拉和受压应变片轮辐条、受拉和受压应变片,通过测量轮辐条对角线方向通过测量轮

47、辐条对角线方向通过测量轮辐条对角线方向通过测量轮辐条对角线方向(45(45(45(450 0 0 0)的线应变测力。的线应变测力。的线应变测力。的线应变测力。8 8 8 8个应变片分别粘贴在四个轮辐条的个应变片分别粘贴在四个轮辐条的个应变片分别粘贴在四个轮辐条的个应变片分别粘贴在四个轮辐条的正反两面组成全桥正反两面组成全桥正反两面组成全桥正反两面组成全桥.扁平外型有大的抗载能力，可承受大的偏心度和侧向力，扁平外型有大的抗载能力，可承受大的偏心度和侧向力，扁平外型有大的抗载能力，可承受大的偏心度和侧向力，扁平外型有大的抗载能力，可承受大的偏心度和侧向力，埋在地下用于测量行走中的拖车、卡车，可根据

48、输出对超埋在地下用于测量行走中的拖车、卡车，可根据输出对超埋在地下用于测量行走中的拖车、卡车，可根据输出对超埋在地下用于测量行走中的拖车、卡车，可根据输出对超载车辆报警。载车辆报警。载车辆报警。载车辆报警。侧侧侧侧视视视视俯俯俯俯视视视视 轮辐式测力传感器（剪切力）轮辐式测力传感器（剪切力）汽车衡器汽车衡器汽车衡器汽车衡器电子台秤电子台秤 轮辐式测力传感器（剪切力）轮辐式测力传感器（剪切力）膜膜膜膜片片片片式式式式传传传传感感感感器器器器的的的的弹弹弹弹性性性性敏敏敏敏感感感感元元元元件件件件是是是是一一一一个个个个圆圆圆圆形形形形的的的的金金金金属属属属膜膜膜膜片片片片，应应应应变变变变片片

49、片片粘粘粘粘贴贴贴贴在在在在膜膜膜膜片片片片上。金属元件的膜片周边被固定上。金属元件的膜片周边被固定上。金属元件的膜片周边被固定上。金属元件的膜片周边被固定;当当当当膜膜膜膜片片片片一一一一面面面面受受受受压压压压力力力力P P P P作作作作用用用用时时时时，膜膜膜膜片片片片的的的的另一面有径向应变另一面有径向应变另一面有径向应变另一面有径向应变r r r r和切向应变和切向应变和切向应变和切向应变t t t t。应变值分别为：应变值分别为：应变值分别为：应变值分别为：式中：式中：r r 膜片半径膜片半径 h h 膜片厚度膜片厚度 E E 膜片弹性模量膜片弹性模量 膜片泊松比膜片泊松比 x

50、x 任意点离圆心距离任意点离圆心距离R1R20.58R3R4P P P P 膜片式压力传感器膜片式压力传感器 膜片中心处，膜片中心处，膜片中心处，膜片中心处，x=0 x=0 x=0 x=0，r r r r与与与与 t t t t 都达到正的最大值，都达到正的最大值，都达到正的最大值，都达到正的最大值，这时切向应变和径向应变为：这时切向应变和径向应变为：这时切向应变和径向应变为：这时切向应变和径向应变为：膜片边缘处膜片边缘处膜片边缘处膜片边缘处 x=r,x=r,x=r,x=r,切向应变切向应变切向应变切向应变 t t t t =0,=0,=0,=0,径向应变径向应变径向应变径向应变 r r r