传感器与检测技术的理论基础.ppt

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1、中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器3.13.1工作原理工作原理3.23.2应变片的种类、材料及粘贴应变片的种类、材料及粘贴3.33.3电阻应变片特性电阻应变片特性3.43.4电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路3.53.5应变式传感器应用应变式传感器应用 主要内容主要内容中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 应变式传感器是电阻式传感器的一种，电阻式传感器主应变式传感器是电阻式传感器的一种，电阻式传感器主要是使用传感

2、器阻值的变化来检测被测量。常见的有电位器要是使用传感器阻值的变化来检测被测量。常见的有电位器式电阻传感器、应变片式电阻传感器、热电阻式传感器、固式电阻传感器、应变片式电阻传感器、热电阻式传感器、固态压阻式传感器、半导体传感器中的气敏电阻、湿敏电阻。态压阻式传感器、半导体传感器中的气敏电阻、湿敏电阻。概述概述概述概述各种电子称各种电子称:中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器1.1.电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器讨论讨论（1 1）电位器式电阻传感器的原理）电位器式电阻传感器的原理（2 2）阶梯特性、阶梯误

3、差和分辨率）阶梯特性、阶梯误差和分辨率（3 3）负载特性和负载误差）负载特性和负载误差1.1.电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器 （了解）（了解）2.2.应变片式电阻传感器（重点）应变片式电阻传感器（重点）主要内容：主要内容：中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到 0.010.010.1%0.1%。有拉压式。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲

4、式、剪切式。（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。2.2.电阻式应变传感器电阻式应变传感器 电电阻阻应应变变式式传传感感器器是是利利用用电电阻阻应应变变片片将将应应变变转转换换为为电电阻阻变变化化的的传传感感器器,传传感感器器由由在在弹弹性性元元件件上上粘粘贴贴电电阻阻应应变变敏敏感感元元件件构构成成。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敏敏感感元元件件的的阻阻值值变变化化,通通过过转转换换电电路路将将其其转转变变成成电量输出电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。电量变化的大小反映了被测物理量的大小。中国矿业大学计算

5、机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器特征：应变式传感器特征：不同材料类型：金属应变片、半导体应变片不同材料类型：金属应变片、半导体应变片应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度；应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度；主要优点主要优点：精度高，测量范围广、使用寿命长，性能稳定精度高，测量范围广、使用寿命长，性能稳定可靠、结构简单、尺寸小，重量轻、频率响应特性好，响应可靠、结构简单、尺寸小，重量轻、频率响应特性好，响应时间约为时间约为1010-7-7秒、可在各种恶劣条件下工作、应变片种类繁秒、可在各种恶劣条

6、件下工作、应变片种类繁多，价格便宜多，价格便宜中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器3.1 3.1 3.1 3.1 工作原理工作原理工作原理工作原理电电阻阻应应变变片片的的工工作作原原理理是是基基于于应应变变效效应应,即即在在导导体体产产生生机机械变形时械变形时,它的电阻值相应发生变化。它的电阻值相应发生变化。如如图图 3 3-1 1 所所示示,一一根根金金属属电电阻阻丝丝,在在其其未未受受力力时时,原始电阻值为原始电阻值为 R=R=当电阻丝受到轴向拉力当电阻丝受到轴向拉力当电阻丝受到轴向拉力当电阻丝受到轴向

7、拉力F F F F作用时，电阻值作用时，电阻值作用时，电阻值作用时，电阻值RRRR的的的的 变化引起电阻的相对变化为变化引起电阻的相对变化为变化引起电阻的相对变化为变化引起电阻的相对变化为:中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器当当当当电电电电阻阻阻阻丝丝丝丝受受受受到到到到轴轴轴轴向向向向拉拉拉拉力力力力F F F F作作作作用用用用时时时时，金金金金属属属属丝丝丝丝几几几几何何何何尺尺尺尺寸寸寸寸变变变变化化化化引引引引起起起起电阻的相对变化电阻的相对变化电阻的相对变化电阻的相对变化中国矿业大学计算机学院

8、中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器用应变用应变表示长度相对变化量表示长度相对变化量S/SS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即即 由由材材料料力力学学可可知知,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,那那么么轴轴向向应应变变和和径径向向应应变变的的关关系系可可表表示示为为中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器可得可得 或或 通通常常把把单单位位应应变变

9、能能引引起起的的电电阻阻值值变变化化称称为为电电阻阻丝丝的的灵灵敏敏度度系系数数。其其物物理理意意义义是是单单位位应应变变所所引引起起的的电电阻阻相相对对变变化化量量,其其表表达式为达式为中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器灵敏度系数受两个因素影响灵敏度系数受两个因素影响:一个是受力后材料几何尺寸的变化一个是受力后材料几何尺寸的变化,即（即（1+21+2）;另另 一一 个个 是是 受受 力力 后后 材材 料料 的的 电电 阻阻 率率 发发 生生 的的 变变 化化,即即（/）/。对对金金属属材材料料电电阻阻丝

10、丝来来说说,灵灵敏敏度度系系数数表表达达式式中中（1+21+2）的的值值要要比比（/）/）大大得得多多,而而半半导导体体材材料料的的（/）/）项的值比（）项的值比（1+21+2）大得多。）大得多。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器半导体应变片使用半导体材料制成，其工作原理是基半导体应变片使用半导体材料制成，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某一于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指半导体材料某一轴向受到外力作用时，其电阻率轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。发生变化的现象。

11、其中：其中：-半导体材料的压阻系数半导体材料的压阻系数 -半导体材料的所受应变力半导体材料的所受应变力 E-E-半导体材料的弹性摸量半导体材料的弹性摸量 -半导体材料的应变半导体材料的应变半导体应变片与金属丝式应变半导体应变片与金属丝式应变片的比较：片的比较：优点：灵敏系数高，可比金属优点：灵敏系数高，可比金属丝高丝高5080倍倍缺点：温度系数大，应变时非缺点：温度系数大，应变时非线性比较严重，应用范围有限。线性比较严重，应用范围有限。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器用用应应变变片片测测量量应应变变或或

12、应应力力时时,根根据据上上述述特特点点,在在外外力力作作用用下下,被被测测对对象象产产生生微微小小机机械械变变形形,应应变变片片随随着着发发生生相相同同的的变变化化,同同时时应应变变片片电电阻阻值值也也发发生生相相应应变变化化。当当测测得得应应变变片片电电阻阻值值变变化化量量RR时时,便便可可得得到到被被测测对对象象的的应应变变值值。根根据据应应力力与与应应变变的的关关系系,得到应力值得到应力值为为 =E=E 式中式中 :试件的应力试件的应力;试件的应变试件的应变;E E 试件材料的弹性模量。试件材料的弹性模量。由由此此可可知知,应应力力值值正正比比于于应应变变,而而试试件件应应变变正正比比于

13、于电电阻阻值值的的变变化化,所所以以应应力力正正比比于于电电阻阻值值的的变变化化,这这就就是是利利用用应变片测量应变的基本原理。应变片测量应变的基本原理。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器3.23.23.23.2应变片的种类、材料及粘贴应变片的种类、材料及粘贴应变片的种类、材料及粘贴应变片的种类、材料及粘贴 电阻应变片的种类电阻应变片的种类但但常常用用的的应应变变片片可可分分为为两两类类:金金属属电电阻阻应应变变片片和和半半导导体体电电阻阻应应变变片片。其其中中金金属属应应变变片片有有丝丝式式电电阻阻应应

14、变变片片和和箔箔式式应应变变片。片。金属应变片由敏感栅、金属应变片由敏感栅、基片、基片、覆盖层和引线等部分组成覆盖层和引线等部分组成,如图如图 3-2 3-2 所示。所示。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 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,两两端端焊焊接接引引出出导导线线。金金属属电阻应变片的敏感栅有丝式、电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。箔式和薄膜式三种。金属电阻应变片的材料要

15、求：详细情况见金属电阻应变片的材料要求：详细情况见P45P45 箔箔式式应应变变片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,其其厚厚度度一一般般在在0.0030.0030.01mm0.01mm。其其优优点点是是散散热热条条件件好好,允允许许通通过过的的电电流流较较大大,可可制制成成各各种种所所需需的的形形状状,便便于于批批量量生生产产。薄薄膜膜应应变变片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0.1m0.1m以以下下的的金金属属电电阻阻薄薄膜膜的的敏敏感感栅栅,最最后后再再加加上上

16、保保护护层。层。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器3.33.3电阻应变片的特性电阻应变片的特性1.1.弹性敏感元件及其基本特性弹性敏感元件及其基本特性弹性元件的基本特性有：刚度、灵敏度、灵敏系数等。弹性元件的基本特性有：刚度、灵敏度、灵敏系数等。(1)(1)刚度刚度 刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，其定刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，其定义为弹性元件在单位变形下所需要的力，用义为弹性元件在单位变形下所需要的力，用C C来表示来表示 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论

17、传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器(2)(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，称为弹性元件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。的灵敏度。(3)(3)灵敏系数灵敏系数被测体应变片应变片思考其他特征思考其他特征 有那些？有那些？中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，直线电阻丝绕成敏感栅

18、后，虽然长度相同，但应变不同，园弧部分使灵敏系数园弧部分使灵敏系数园弧部分使灵敏系数园弧部分使灵敏系数KKKK下降，这种现象称为下降，这种现象称为下降，这种现象称为下降，这种现象称为横向效应横向效应横向效应横向效应。3.3 3.3 3.3 3.3 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2.2.2.2.横向效应横向效应横向效应横向效应 不能满足测量精度要求时不能满足测量精度要求时,应进行必要的修正应进行必要的修正,为了减为了减小横向效应产生的测量误差小横向效应产生的测量误差,现在一般多采用箔式应变片。现在一般多采用箔式应变片。其他：其他：绝缘电绝缘电阻和

19、最大电流、阻和最大电流、应变片的动态响应变片的动态响应特性应特性中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器讨论：电阻应变片的动态特性讨论：电阻应变片的动态特性阶跃响应：阶跃响应：频率响应：频率响应：应变片所反映的幅值将低于真实应变波，应变片所反映的幅值将低于真实应变波，从而带来一定的测量误差。从而带来一定的测量误差。exl0 x1x2中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器(1)(1)应变片的温度误差应变片的温度误差由由于于测测量

20、量现现场场环环境境温温度度的的改改变变而而给给测测量量带带来来的的附附加加误误差差,称称为为应应变变片片的的温温度度误误差差。产产生生应应变变片片温温度度误误差差的的主主要要因因素素有有:电阻温度系数的影响电阻温度系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响3.3 3.3 3.3 3.3 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.应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器1

21、)1)电阻温度系数的影响电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：R Rt t=R=R0 0（1+1+0 0t t）式中式中:R:Rt t温度为温度为 t t 时的电阻值时的电阻值;R R0 0温度为温度为t t00时的电阻值时的电阻值;0 0金属丝的电阻温度系数金属丝的电阻温度系数;t t温度变化值温度变化值,t=t-t0,t=t-t0。当温度变化当温度变化tt时时,电阻丝电阻的变化值为电阻丝电阻的变化值为 RRt t=R=Rt t-R-R0 0=R=R0 00 0t t 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传

22、感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 2)2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当当试试件件与与电电阻阻丝丝材材料料的的线线膨膨胀胀系系数数相相同同时时,不不论论环环境境温温度度如如何何变变化化,电电阻阻丝丝的的变变形形仍仍和和自自由由状状态态一一样样,不不会会产产生生附附加加变变形。形。当当试试件件和和电电阻阻丝丝线线膨膨胀胀系系数数不不同同时时,由由于于环环境境温温度度的的变变化化,电阻丝会产生附加变形电阻丝会产生附加变形,从而产生附加电阻。从而产生附加电阻。设设电电阻阻丝丝和和试试件件在在温温度度为为 0

23、 0 时时的的长长度度均均为为L0L0，它它们们的的线线膨膨胀胀系系数数分分别别为为ss和和g,g,若若两两者者不不粘粘贴贴,则则它它们们的的长长度度分分别别为为 L Ls s=L=L0 0（1+1+s stt）中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器Lg=L0（1+gt）当当二二者者粘粘贴贴在在一一起起时时,电电阻阻丝丝产产生生的的附附加加变变形形L,L,附附加加应变应变和附加电阻变化和附加电阻变化RR分别为分别为 L=LL=Lg g-Ls=-Ls=（g g-s s）L L0 0t t =L/L=L/L0 0

24、=（g g-s s）t t R R=K=K0 0 R R0 0=K=K0 0 R R0 0(g g-s s)t)t 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器可得由于温度变化而引起应变片总电阻相对变化量为可得由于温度变化而引起应变片总电阻相对变化量为折合成附加应变量或虚假的应变折合成附加应变量或虚假的应变t,t,有有中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 由由此此可可知知,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

25、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（K0K0，00，ss）以及被测试件线膨胀系数）以及被测试件线膨胀系数gg有关。有关。(2).(2).电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方法通常有：电阻应变片的温度补偿方法通常有：线路补偿法线路补偿法 应变片自补偿应变片自补偿 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器(1)(1)线路补偿法线路补偿法 电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。如图电桥补偿是最

26、常用的且效果较好的线路补偿法。如图所示是电桥补偿法的原理图。电桥输出电压所示是电桥补偿法的原理图。电桥输出电压UoUo与桥臂参数的关与桥臂参数的关系为系为 Uo=AUo=A（R R1 1 R R4 4-R-RB B R R3 3）3.3 3.3 3.3 3.3 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.应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器式中式中:A: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

27、的常数。R R1 1工作应变片；工作应变片；R RB B补偿应变片补偿应变片 由由上上式式可可知知,当当R R3 3和和R R4 4为为常常数数时时,R R1 1和和R RB B对对电电桥桥输输出出电电压压U0U0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。测测量量应应变变时时,工工作作应应变变片片R R1 1粘粘贴贴在在被被测测试试件件表表面面上上,补补偿偿应应变变片片R RB B粘粘贴贴在在与与被被测测试试件件材材料料完完全全相相同同的的补补偿偿块块上上,且且仅仅工工作作应应变变片片承承受受应应变。变。当当被被测测试试件件不不承承受受

28、应应变变时时,R R1 1和和R RB B又又处处于于同同一一环环境境温温度度为为 t t 的温度场中的温度场中,调整电桥参数，使之达到平衡调整电桥参数，使之达到平衡,有有Uo=AUo=A（R R1 1R R4 4-R-RB BR R3 3）=0=0中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器工工程程上上,一一般般按按R R1 1 =R R2 2 =R R3 3 =R R4 4 选选取取桥桥臂臂电电阻阻。当当温温度度升升高高或或降降低低t t=t-tt-t0 0时时,两两个个应应变变片片的的因因温温度度而而引引起起

29、的的电电阻阻变变化化量相等量相等,电桥仍处于平衡状态电桥仍处于平衡状态,即即 U Uo o=A=A（R R1 1+R+R1t1t）R R4 4-(R-(RB B+R+RBtBt)R)R3 3=0=0 若若此此时时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R1R1又又有有新新的的增增量量RR1 1=R=R1 1K K,而而补补偿偿片片因因不不承承受受应应变变,故故不不产产生生新新的的增增量量,此时电桥输出电压为此时电桥输出电压为 U Uo o=AR=AR1 1R R4 4K K 由由上上式式可可知知,电电桥桥的的输输出出电电压压UoUo仅仅与与被被测测试试件件的的

30、应应变变有有关关,而与环境温度无关。而与环境温度无关。应应当当指指出出,若若实实现现完完全全补补偿偿,上上述述分分析析过过程程必必须须满满足足四四个个条条件件:中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 在应变片工作过程中在应变片工作过程中,保证保证R R3 3=R=R4 4。R R1 1和和R RB B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,线线膨膨胀胀系数系数,应变灵敏度系数应变灵敏度系数K K和初始电阻值和初始电阻值R R0 0。粘粘贴贴补补偿偿片片的的补补偿偿块块材材料料和和

31、粘粘贴贴工工作作片片的的被被测测试试件件材材料料必须一样必须一样,两者线膨胀系数相同。两者线膨胀系数相同。两应变片应处于同一温度场。两应变片应处于同一温度场。(2)(2)应变片的自补偿法应变片的自补偿法 这这种种温温度度补补偿偿法法是是利利用用自自身身具具有有温温度度补补偿偿作作用用的的应应变变片片,称称之为温度自补偿应变片。之为温度自补偿应变片。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器根根据据温温度度自自补补偿偿应应变变片片的的工工作作原原理理,要要实实现现温温度度自自补补偿偿,必须有必须有 0 0=-K=-

32、K0 0（g g-s s）上上式式表表明明,当当被被测测试试件件的的线线膨膨胀胀系系数数g g已已知知时时,如如果果合合理理选选择择敏敏感感栅栅材材料料,即即其其电电阻阻温温度度系系数数0 0、灵灵敏敏系系数数K K0 0和和线线膨膨胀胀系系数数s,s,使使上上式式成成立立,则则不不论论温温度度如如何何变变化化,均均有有RRt t/R/R0 0=0,=0,从而达到温度自补偿的目的。从而达到温度自补偿的目的。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器3.4 3.4 3.4 3.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测

33、量电路电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路由由于于机机械械应应变变一一般般都都很很小小,要要把把微微小小应应变变引引起起的的微微小小电电阻阻变变化化测测量量出出来来,同同时时要要把把电电阻阻相相对对变变化化R/R/R R转转换换为为电电压压或或电电流流的的变变化化。因因此此,需需要要有有专专用用测测量量电电路路用用于于测测量量应应变变变变化化而而引引起起电电阻阻变变化化的的测测量量电电路路,通通常常采采用用直直流流电电桥桥和和交交流流电电桥桥。一、一、直流电桥直流电桥 1.1.直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件 电电桥桥如如图图 3 3-5 5 所所示示,E E为为电电源源,R R1 1、R

34、 R2 2、R R3 3及及R R4 4为为桥桥臂臂电阻电阻,RL,RL为负载电阻。为负载电阻。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器3.4 3.4 3.4 3.4 电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路1.1.1.1.直流电桥直流电桥直流电桥直流电桥 (1)(1)直流电桥的平衡条件直流电桥的平衡条件 负载负载RLRL（开路）（开路）电桥平衡时电桥平衡时 I0=0 U0=0I0=0 U0=0 对比积相等对比积相等 邻臂比相等邻臂比相等 当电桥平衡时当电桥平衡时,Uo=0,Uo

35、=0,则有则有R1R4=R2R3或或欲欲使使电电桥桥平平衡衡,其其相相邻邻两两臂臂电电阻阻的的比比值值应应相相等等,或或相对两臂电阻的乘积相等相对两臂电阻的乘积相等。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器(2).(2).电压灵敏度电压灵敏度 R R1 1为为电电阻阻应应变变片片，R R2 2,R R3 3,R R4 4为为电电桥桥固固定定电电阻阻，这这就就构构成成了了单单臂臂电电桥桥。应应变变片片工工作作时时,其其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,一一般般需需要要加加

36、入入放放大大器器放放大大。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情况况。当当产产生生应应变变时时,若若应应变变片片电电阻阻变变化化为为R,R,其其它它桥桥臂臂固定不变固定不变,电桥输出电压电桥输出电压U Uo o0,0,则电桥不平衡输出电压为则电桥不平衡输出电压为 3.4 3.4 3.4 3.4 电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路1.1.1.1.直流电桥直流电桥直流电桥直流电桥 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3

37、 3章章 应变式传感器应变式传感器设设桥桥臂臂比比n n=R R2 2/R/R1 1,由由于于RR1 1 R R1 1,分分母母中中RR1 1/R/R1 1可可忽忽略略,并考虑到平衡条件并考虑到平衡条件R R2 2/R/R1 1=R=R4 4/R/R3 3,则式（则式（3-303-30）可写为）可写为中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器电桥电压灵敏度定义为电桥电压灵敏度定义为从上式分析发现从上式分析发现: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

38、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允许功耗的限制许功耗的限制,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 n的的函函数数,恰恰当当地地选选择桥臂比择桥臂比n n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。当当E E值确定后值确定后,n,n值取何值时使值取何值时使K KU U最高？最高？中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器由由dKdKU U/d/dn n=0=0求求R RU U的最大值的最

39、大值,得得 求求得得n=1n=1时时,K KU U为为最最大大值值。这这就就是是说说,在在电电桥桥电电压压确确定定后后,当当R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4时时,电桥电压灵敏度最高电桥电压灵敏度最高,此时有此时有 KU=中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器从从上上述述可可知知,当当电电源源电电压压E E和和电电阻阻相相对对变变化化量量R1/R1R1/R1一一定定时时,电电桥桥的的输输出出电电压压及及其其灵灵敏敏度度也也是是定定值值,且且与与各各桥桥臂臂电电阻阻值大小无关。阻阻值大小无关

40、。(3).3).非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法 在在求求出出的的输输出出电电压压因因略略去去分分母母中中的的RR1 1/R/R1 1项项而而得得出出的的是是理想值理想值,实际值计算为实际值计算为中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器非线性误差为非线性误差为 L L=如果是四等臂电桥如果是四等臂电桥,R,R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4,则则L=对对于于一一般般应应变变片片来来说说,所所受受应应变变通通常常在在510510-3-3以以下下,若若取取K KU U=2,=2,则则RR

41、1 1/R/R1 1=KU=KU=0.01,=0.01,代代入入式式（3 3-3838）计计算算得得非非线线性性误误差差为为0.5%;0.5%;若若K KU U=130,=130,=1=10 0-3-3时时,RR1 1/R/R1 1=0.130,=0.130,则则得得到到非非线线性性误误差差为为6%,6%,故故当当非非线线性性误误差差不不能能满满足足测测量量要要求求时时,必须予以消除。必须予以消除。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器3.4 3.4 3.4 3.4 电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路电阻应

42、变片测量电路电阻应变片测量电路2.2.2.2.直流电桥直流电桥直流电桥直流电桥(差动电桥差动电桥差动电桥差动电桥)半桥电压灵敏度为：半桥电压灵敏度为：讨论：讨论：输出电压输出电压U U0 0与与R1/R1R1/R1呈线性关系，无非线性误差；呈线性关系，无非线性误差；电压灵敏度是单桥的两倍；电压灵敏度是单桥的两倍；具有温度补偿作用。具有温度补偿作用。电桥输出：电桥输出：中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器若若将将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

43、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桥臂臂上上,构构成成全全桥差动电路桥差动电路,若若RR1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4,且且R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4,则则此此时时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是单片的是单片的 4 4 倍倍,同时仍具有温度补偿作用。同时仍具有温度补偿作用。3.4 3.4 3.4 3.4 电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路3.3.3.3.直流电桥直流电桥直流电桥直流电桥(全桥全桥全桥全桥)中国矿业大学计算机学

44、院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器3.4 3.4 3.4 3.4 电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路4.4.4.4.交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥(全桥全桥全桥全桥)由于应变电桥输出电压很小由于应变电桥输出电压很小,一般都要加放大器一般都要加放大器,而直而直流放大器易于产生零漂流放大器易于产生零漂,因此应变电桥多采用交流电桥。因此应变电桥多采用交流电桥。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器图图中中

45、为为交交流流电电压压源源,开开路路输输出出电电压压为为 ，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,即即相相当当于于二二只只应应变变片片各各并并联联了了一一个个电电容容,则则每每一一桥臂上复阻抗分别为桥臂上复阻抗分别为3.4 3.4 3.4 3.4 电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路4.4.4.4.交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥(全桥全桥全桥全桥)中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传

46、感器式中式中C C1 1、C C2 2表示应变片引线分布电容表示应变片引线分布电容,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=0,=0,则有则有 Z Z1 1 Z Z4 4=Z=Z2 2 Z Z3 3其其实实部部、虚虚部部分分别别相相等等,并并整整理理可可得得交交流流电电桥桥的的平平衡衡条条件件为为:及及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除要满足电阻平衡条件外外,还必须满足电容平还必须满足电容平衡条件衡条件中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器为

47、为此此在在桥桥路路上上除除设设有有电电阻阻平平衡衡调调节节外外还还设设有有电电容容平平衡衡调调节。节。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器3.3 3.3 3.3 3.3 电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路5.5.5.5.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：交流单桥输出：其中：其中：交流电桥输出用复数表示：交流电桥输出用复数表示：交流电桥输出用复数表示：交流电桥输出用复数表示：中国矿业大学计算机学院中国矿

48、业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器讨论：讨论：讨论：讨论：输出电压输出电压输出电压输出电压U U U U0 0 0 0有两个分量，前一个分量的相位与输入电源电压有两个分量，前一个分量的相位与输入电源电压有两个分量，前一个分量的相位与输入电源电压有两个分量，前一个分量的相位与输入电源电压U U U U同相，叫同相分量；后一个分量的同相，叫同相分量；后一个分量的同相，叫同相分量；后一个分量的同相，叫同相分量；后一个分量的 相位与电源相位相差相位与电源相位相差相位与电源相位相差相位与电源相位相差909090900 0 0 0，叫正交分量。

49、叫正交分量。叫正交分量。叫正交分量。两个分量均是两个分量均是两个分量均是两个分量均是 RRRR的调幅正弦波，采用普通二极管检波电路的调幅正弦波，采用普通二极管检波电路的调幅正弦波，采用普通二极管检波电路的调幅正弦波，采用普通二极管检波电路无法检测出调制信号无法检测出调制信号无法检测出调制信号无法检测出调制信号R R R R，必须采用相敏检波电路。，必须采用相敏检波电路。，必须采用相敏检波电路。，必须采用相敏检波电路。检波器只检出同相分量的调制信号，对正弦分量不起检波作检波器只检出同相分量的调制信号，对正弦分量不起检波作检波器只检出同相分量的调制信号，对正弦分量不起检波作检波器只检出同相分量的调

50、制信号，对正弦分量不起检波作用，只起到滤除作用。用，只起到滤除作用。用，只起到滤除作用。用，只起到滤除作用。3.3 3.3 3.3 3.3 电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路5.5.5.5.交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论传感器概论传感器概论第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 3.5 3.5 3.5 3.5 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变式传感器的应用 1.1.1.1.电阻应变仪电阻应变仪电阻应变仪电阻应变仪 按测量应变力的频率可分为静态应变仪和动按测量应变