第2章-应变式传感器(4)分析课件

第第2章章电阻式传感器电阻式传感器应变式传感器应变式传感器第2章 电阻式传感器 应变式传感器1 应变式传感器应变式传感器主要内容主要内容 1.1.1.1.电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理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.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变式传感器的应用 应变式传感器主要内容 2 应变式传感器应变式传感器概述概述 电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测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，精确度可到力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到 0.010.1%0.010.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。式、剪切式。应变式传感器特征：应变式传感器特征：材料类型材料类型:金属应变片、半导体应变片金属应变片、半导体应变片 应用范围应用范围:应变力、压力、转矩、位移、加速度；应变力、压力、转矩、位移、加速度；优优 点点:使用简单、精度高、范围大体积小。使用简单、精度高、范围大体积小。应变式传感器概述 电阻式应变传感器作为测力的主要传3 应变式传感器应变式传感器概述概述 各种电子秤各种电子秤广泛应用于广泛应用于 应变式传感器概述 各种电子秤广泛应用于4应变式传感器应变式传感器概述概述 高高精精度度电电子子汽汽车车衡衡动态电子秤动态电子秤电子天平电子天平应变式传感器概述 高 动态电子秤电子天平5应变式传感器应变式传感器2.12.1电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理（1 1 1 1）应变效应）应变效应）应变效应）应变效应v 金金金金属属属属电电电电阻阻阻阻应应应应变变变变片片片片基基基基于于于于电电电电阻阻阻阻应应应应变变变变效效效效应应应应:导导导导体体体体产产产产生生生生机机机机械械械械形形形形变变变变时时时时电电电电阻阻阻阻值值值值发发发发生生生生变变变变化化化化。一一一一根根根根长长长长L L L L，截截截截面面面面积积积积为为为为S S S S，电阻率为，电阻率为，电阻率为，电阻率为的金属丝电阻为的金属丝电阻为的金属丝电阻为的金属丝电阻为: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:应变式传感器2.1 电阻应变片原理 金属电阻应变片基于电6 应变式传感器应变式传感器2.12.1电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理（1 1 1 1）应变效应）应变效应）应变效应）应变效应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变化引起电阻的相对变化寸变化引起电阻的相对变化寸变化引起电阻的相对变化寸变化引起电阻的相对变化 应变式传感器2.1 电阻应变片原理 当电阻丝受到轴向拉力7 应变式传感器应变式传感器2.12.1电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理（1 1 1 1）应变效应）应变效应）应变效应）应变效应用横向、径向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：用横向、径向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：用横向、径向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：用横向、径向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：结论：金属材料的结论：金属材料的 主要受主要受（1+21+21+21+2）影响；非金属材料主要受影响；非金属材料主要受（/）/影响！影响！令：令：令：令：设 应变式传感器2.1 电阻应变片原理 用横向、径向应变、泊8 应变式传感器应变式传感器2.12.1电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理（1 1 1 1）应变效应）应变效应）应变效应）应变效应 对于金属电阻丝对于金属电阻丝对于金属电阻丝对于金属电阻丝 =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)k k k k0 0 0 01+2 k1+2 k1+2 k1+2 k0 0 0 01.51.51.51.52 2 2 2 金属应变片灵敏系数金属应变片灵敏系数金属应变片灵敏系数金属应变片灵敏系数k k k k0 0 0 0由材料几何尺寸的变化决定由材料几何尺寸的变化决定由材料几何尺寸的变化决定由材料几何尺寸的变化决定 通通通通过过过过弹弹弹弹性性性性元元元元件件件件可可可可将将将将位位位位移移移移、压压压压力力力力、振振振振动动动动等等等等物物物物理理理理量量量量将将将将应应应应力力力力转转转转换换换换为为为为应应应应变变变变进进进进行行行行测测测测量量量量，这这这这是是是是应应应应变变变变式式式式传传传传感感感感器器器器测测测测量量量量应变的基本原理。应变的基本原理。应变的基本原理。应变的基本原理。应变式传感器2.1 电阻应变片原理 对于金属电阻丝 9应变式传感器应变式传感器2.12.1电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理（1 1 1 1）应变效应）应变效应）应变效应）应变效应金属应变片结构：金属应变片结构：金属应变片结构：金属应变片结构：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 盖片盖片盖片盖片保护层保护层保护层保护层应变式传感器2.1 电阻应变片原理（1）应变效应金属应变10应变式传感器应变式传感器2.12.1电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理（1 1 1 1）应变效应）应变效应）应变效应）应变效应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应变式传感器2.1 电阻应变片原理（1）应变效应1敏感11应变式传感器应变式传感器2.12.1电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理（1 1 1 1）应变效应）应变效应）应变效应）应变效应箔式应变片结构箔式应变片结构应变式传感器2.1 电阻应变片原理（1）应变效应箔式应变12应变式传感器应变式传感器2.12.1电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理（1 1 1 1）应变效应）应变效应）应变效应）应变效应应变片的粘贴技术应变片的粘贴技术应变片的粘贴技术应变片的粘贴技术粘贴剂的选择粘贴剂的选择粘贴剂的选择粘贴剂的选择工艺处理过程工艺处理过程工艺处理过程工艺处理过程要求：准确传递应变要求：准确传递应变要求：准确传递应变要求：准确传递应变粘贴强度好，蠕变小，机械滞后小；粘贴强度好，蠕变小，机械滞后小；粘贴强度好，蠕变小，机械滞后小；粘贴强度好，蠕变小，机械滞后小；耐疲劳性好，长期稳定性好，绝缘性好。耐疲劳性好，长期稳定性好，绝缘性好。耐疲劳性好，长期稳定性好，绝缘性好。耐疲劳性好，长期稳定性好，绝缘性好。应变式传感器2.1 电阻应变片原理（1）应变效应应变片的13应变式传感器应变式传感器2.12.1电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理（1 1 1 1）应变效应）应变效应）应变效应）应变效应应变片的粘贴处理过程应变片的粘贴处理过程1 应变片的检查与选择应变片的检查与选择2 试件的表面处理试件的表面处理3 底层处理底层处理4 贴片贴片5 固化固化6 粘贴质量检查粘贴质量检查7 引线焊接与组桥连接引线焊接与组桥连接应变式传感器2.1 电阻应变片原理（1）应变效应应变片的14应变式传感器应变式传感器2.12.1电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理（2 2 2 2）压阻效应和压阻式传感器）压阻效应和压阻式传感器）压阻效应和压阻式传感器）压阻效应和压阻式传感器 v 半导体应变片又称压阻式传感器半导体应变片又称压阻式传感器 优点：灵敏度高、耗电少、有正负两种应力效应。优点：灵敏度高、耗电少、有正负两种应力效应。缺点：受温度影响较大。缺点：受温度影响较大。l 半导体材料的灵敏系数半导体材料的灵敏系数主要由压阻效应引起的电阻主要由压阻效应引起的电阻 率率的变化；灵敏系数远大于金属应变片的灵敏系数。的变化；灵敏系数远大于金属应变片的灵敏系数。对半导体对半导体 已知固体受力引起的电阻变化为：已知固体受力引起的电阻变化为：应变式传感器2.1 电阻应变片原理（2）压阻效应和压阻15应变式传感器应变式传感器2.12.1电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理（3 3 3 3）应变片种类）应变片种类）应变片种类）应变片种类 按材料分：按材料分：金属式：金属式：丝式、箔式、薄膜型丝式、箔式、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 体型半导体电阻应变片体型半导体电阻应变片应变式传感器2.1 电阻应变片原理（3）应变片种类 16对比对比 半导体 压阻效应 内部结构 电阻率变化 金属导体 电阻效应 机械形变 电阻值变化对比17性能指标性能指标使用面积电阻值灵敏度系数基底材料和形式最大允许工作电流极限温度电阻温度系数灵敏度温度系数应变极限动态特性应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器2.22.2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性能指标应变式传感器2.2 金属应变片的主要特性18应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器2.22.2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（1 1 1 1）应变片的灵敏系数）应变片的灵敏系数）应变片的灵敏系数）应变片的灵敏系数 金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝不同；实验证明，应变片灵敏系数不同；实验证明，应变片灵敏系数不同；实验证明，应变片灵敏系数不同；实验证明，应变片灵敏系数K KK KK KK K0 0 0 0电阻丝灵敏电阻丝灵敏电阻丝灵敏电阻丝灵敏系数，产品的灵敏系数称系数，产品的灵敏系数称系数，产品的灵敏系数称系数，产品的灵敏系数称“标称灵敏系数标称灵敏系数标称灵敏系数标称灵敏系数”。被测体应变片应变片应变式传感器2.2 金属应变片的主要特性 金属丝做成应变19 应变式传感器应变式传感器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，直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，园弧部分使灵敏系数但应变不同，园弧部分使灵敏系数但应变不同，园弧部分使灵敏系数但应变不同，园弧部分使灵敏系数K K K K下降，这下降，这下降，这下降，这种现象种现象种现象种现象称为横向效应称为横向效应称为横向效应称为横向效应。2.22.2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（2 2 2 2）横向效应）横向效应）横向效应）横向效应 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20 应变式传感器应变式传感器2.22.2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）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿 应应应应变变变变片片片片安安安安装装装装在在在在自自自自由由由由膨膨膨膨胀胀胀胀的的的的试试试试件件件件上上上上，如如如如果果果果环环环环境境境境温温温温 度度度度变变变变化化化化，应应应应变变变变片片片片的的的的电电电电阻阻阻阻也也也也会会会会变变变变化化化化，这这这这种种种种变变变变化化化化叠叠叠叠加加加加在在在在测测测测量量量量结结结结果果果果中中中中称称称称应应变变片片温温度度误误差差。应应应应变变变变片片片片温温温温度度度度误误误误差来源有两个主要因素：差来源有两个主要因素：差来源有两个主要因素：差来源有两个主要因素：t t t t 应变片本身电阻温度系数影响应变片本身电阻温度系数影响应变片本身电阻温度系数影响应变片本身电阻温度系数影响 g g g g 试件材料的线膨胀系数影响试件材料的线膨胀系数影响试件材料的线膨胀系数影响试件材料的线膨胀系数影响 v 因环境温度改变引起的附加电阻变化与环境温因环境温度改变引起的附加电阻变化与环境温 度变化度变化tt有关；有关；v 应变片本身的性能参数应变片本身的性能参数t t、ss；v 试件参数试件参数gg有关。有关。应变式传感器2.2 金属应变片的主要特性（3）应变片温21 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器2.22.2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）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿电阻丝阻值与温度关系：电阻丝阻值与温度关系：因试件使应变片电阻产生附加形变造成的电阻变化因试件使应变片电阻产生附加形变造成的电阻变化温度变化温度变化tt时电阻丝的电阻变化时电阻丝的电阻变化 应变式传感器 2.2 金属应变片的主要特性（3）应变片22 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器2.22.2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）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿 温度补偿方法有：线路补偿、自补偿、电桥补偿、温度补偿方法有：线路补偿、自补偿、电桥补偿、温度补偿方法有：线路补偿、自补偿、电桥补偿、温度补偿方法有：线路补偿、自补偿、电桥补偿、热敏电阻补偿、计算机补偿等。热敏电阻补偿、计算机补偿等。热敏电阻补偿、计算机补偿等。热敏电阻补偿、计算机补偿等。线路补偿：线路补偿：线路补偿：线路补偿：被被被被测测测测试试试试件件件件相相相相邻邻邻邻臂臂臂臂上上上上安安安安装装装装一一一一补补补补偿偿偿偿片片片片，处处处处于于于于相相相相同同同同的的的的温温温温度度度度场场场场,但不受力。但不受力。但不受力。但不受力。电桥输出电桥输出电桥输出电桥输出U U U U0 0 0 0与桥臂参数的关系为：与桥臂参数的关系为：与桥臂参数的关系为：与桥臂参数的关系为：U U U U0 0 0 0=A=A=A=A（R R R R1 1 1 1R R R R3 3 3 3-R-R-R-RB B B BR R R R2 2 2 2）当温度变化时当温度变化时 R R1 1=R=RB B，电桥平衡，电桥平衡，当有应变时当有应变时 R R1 1有增量有增量,正比于正比于KK，补偿片补偿片R RB B无变化无变化 R RB B=0=0 电桥输出电桥输出 U U0 0与温度无关与温度无关 应变式传感器2.2 金属应变片的主要特性（3）应变片温23 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器2.22.2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）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿 自补偿方法自补偿方法自补偿方法自补偿方法 双丝法双丝法 R1、R2 温度系数互补 应变式传感器2.2 金属应变片的主要特性（3）应变片温24应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器2.22.2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）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿 电桥补偿方法电桥补偿方法电桥补偿方法电桥补偿方法 应变式传感器2.2 金属应变片的主要特性（3）应变片温度25 应变式传感器应变式传感器2.3 2.3 2.3 2.3 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被测对象的特点：被测对象的特点：被测对象的特点：被测对象的特点：机械应变量值小机械应变量值小机械应变量值小机械应变量值小 0.5%0.5%0.5%0.5%以下以下以下以下灵敏度系数较小灵敏度系数较小灵敏度系数较小灵敏度系数较小 1-2 1-2 1-2 1-2电阻相对变化小电阻相对变化小电阻相对变化小电阻相对变化小 1%1%1%1%以下以下以下以下如：一般电阻应变片基值为如：一般电阻应变片基值为如：一般电阻应变片基值为如：一般电阻应变片基值为120120120120欧欧欧欧,电阻相对电阻相对电阻相对电阻相对变化变化变化变化1.21.21.21.2欧欧欧欧,采用常规的电阻测量法难以进行采用常规的电阻测量法难以进行采用常规的电阻测量法难以进行采用常规的电阻测量法难以进行.应变式传感器2.3 电阻应变片测量电路26应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器2.32.3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（1 1 1 1）直流电桥）直流电桥）直流电桥）直流电桥 直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件 负载负载R RL L（开路）（开路）电桥平衡时电桥平衡时 I I0 0=0 U=0 U0 0=0=0 对臂积相等对臂积相等 邻臂比相等邻臂比相等 应变式传感器2.3 电阻应变片测量电路（1）直流电桥 直流27 2.3 2.3 2.3 2.3 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直流电桥形式直流电桥形式等臂电桥等臂电桥等臂电桥等臂电桥R R R R1 1 1 1=R=R=R=R2 2 2 2=R=R=R=R3 3 3 3=R=R=R=R4 4 4 4输出对称电桥输出对称电桥输出对称电桥输出对称电桥 R R R R1 1 1 1=R=R=R=R2 2 2 2=R,R=R,R=R,R=R,R3 3 3 3=R=R=R=R4 4 4 4=R=R=R=R电源对称电桥电源对称电桥电源对称电桥电源对称电桥 R R R R1 1 1 1=R=R=R=R3 3 3 3=R,R=R,R=R,R=R,R2 2 2 2=R=R=R=R4 4 4 4=R=R=R=R 单臂接应变片单臂接应变片单臂接应变片单臂接应变片:单臂工作电桥单臂工作电桥单臂工作电桥单臂工作电桥 两臂接应变片两臂接应变片两臂接应变片两臂接应变片:双臂工作电桥双臂工作电桥双臂工作电桥双臂工作电桥,或称半桥或称半桥或称半桥或称半桥 四臂接应变片四臂接应变片四臂接应变片四臂接应变片:全桥全桥全桥全桥 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器 2.3 电阻应变片测量电路 应变式传感器 28应变式传感器应变式传感器2.32.3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（1 1 1 1）直流电桥）直流电桥）直流电桥）直流电桥 单臂电桥工作单臂电桥工作单臂电桥工作单臂电桥工作设设R R1 1为应变片，应变时为应变片，应变时R R1 1变化量为变化量为RR1 1，这时电桥失衡，不平衡输出电压为：这时电桥失衡，不平衡输出电压为：应变式传感器2.3 电阻应变片测量电路（1）直流电桥 单臂29应变式传感器应变式传感器2.32.3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（1 1 1 1）直流电桥）直流电桥）直流电桥）直流电桥 电桥灵敏度定义为：电桥灵敏度定义为：电桥输出：电桥输出：在分母在分母中忽略中忽略设设 n=R2/R1=R4/R3即即 R1 R1应变式传感器2.3 电阻应变片测量电路（1）直流电桥 电桥30 应变式传感器应变式传感器讨论：讨论：电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度KuKu越大，越大，应变变化相同情况输出电压越大应变变化相同情况输出电压越大;Ku Ku是桥臂比是桥臂比n n的函数的函数KuKu（n n），），恰当选择恰当选择n n可提高电压灵敏度可提高电压灵敏度Ku;Ku;Ku Ku与电桥电源与电桥电源E E成正比成正比KuEKuE，但供电受应变片允许功耗限制但供电受应变片允许功耗限制;2.32.3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（1 1 1 1）直流电桥）直流电桥）直流电桥）直流电桥 应变式传感器讨论：2.3 电阻应变片测量电路（1）直流31 应变式传感器应变式传感器讨论：讨论：显然显然n=1R1=R2R3=R4时，时，Ku最大最大 2.32.3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（1 1 1 1）直流电桥）直流电桥）直流电桥）直流电桥 单臂工作片电压灵敏度：单臂工作片电压灵敏度：桥路输出电压：桥路输出电压：注：等臂电桥、输出对称电桥有最大灵敏度注：等臂电桥、输出对称电桥有最大灵敏度注：等臂电桥、输出对称电桥有最大灵敏度注：等臂电桥、输出对称电桥有最大灵敏度 应变式传感器讨论：2.3 电阻应变片测量电路（1）直流32应变式传感器应变式传感器 2.32.3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（1 1 1 1）直流电桥）直流电桥）直流电桥）直流电桥等臂电桥等臂电桥n=1n=1时时,由上式近似得到：由上式近似得到：实际输出值为：实际输出值为：非线性误差：非线性误差：应变式传感器 2.3 电阻应变片测量电路（1）直流电桥等臂33应变式传感器应变式传感器 可见非线性误差与可见非线性误差与RR1 1/R/R1 1成正比成正比 为减小非线性误差常采用差动电桥为减小非线性误差常采用差动电桥 u差动电桥：在试件上安装两个工作片，一个受拉、差动电桥：在试件上安装两个工作片，一个受拉、一个受压接在电桥的相邻两个臂，电桥输出为：一个受压接在电桥的相邻两个臂，电桥输出为：2.32.3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（1 1 1 1）直流电桥）直流电桥）直流电桥）直流电桥非线性误差补偿非线性误差补偿非线性误差补偿非线性误差补偿应变式传感器 可见非线性误差与R1/R1成正比 2.3 电34应变式传感器应变式传感器2.32.3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（1 1 1 1）直流电桥）直流电桥）直流电桥）直流电桥 非线性误差补偿非线性误差补偿非线性误差补偿非线性误差补偿 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 R/RR/R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。半桥半桥电桥输出电桥输出：应变式传感器2.3 电阻应变片测量电路（1）直流电桥 35应变式传感器应变式传感器 2.32.3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（1 1 1 1）直流电桥）直流电桥）直流电桥）直流电桥 非线性误差补偿非线性误差补偿非线性误差补偿非线性误差补偿 全桥：全桥：将四臂按对臂同性接四个工作片称全桥。将四臂按对臂同性接四个工作片称全桥。若若RR1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4 全桥电压输出：全桥电压输出：全桥电压灵敏度为：全桥电压灵敏度为：应变式传感器 2.3 电阻应变片测量电路（1）直流电桥 非36 应变式传感器应变式传感器2.32.3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（1 1 1 1）直流电桥）直流电桥）直流电桥）直流电桥 单单单单 桥桥桥桥 半半半半 桥桥桥桥 全全全全 桥桥桥桥 应变式传感器2.3 电阻应变片测量电路（1）直流电桥 单37应变式传感器应变式传感器直流电桥直流电桥直流电桥直流电桥 在在 R R R1 R1时，时，U UO O与应变成线性关系与应变成线性关系相邻两臂，方向相反相邻两臂，方向相反相对两臂，方向相同相对两臂，方向相同 优点：优点：优点：优点：电源稳定电源稳定电源稳定电源稳定,电路简单，是主要测量电路；电路简单，是主要测量电路；电路简单，是主要测量电路；电路简单，是主要测量电路；缺点：缺点：缺点：缺点：直流放大器较复杂，存在零漂、工频干扰。直流放大器较复杂，存在零漂、工频干扰。直流放大器较复杂，存在零漂、工频干扰。直流放大器较复杂，存在零漂、工频干扰。2.32.3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（1 1 1 1）直流电桥）直流电桥）直流电桥）直流电桥应变式传感器直流电桥2.3 电阻应变片测量电路（1）直流38应变式传感器应变式传感器2.32.3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（2 2 2 2）交流电桥）交流电桥）交流电桥）交流电桥 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，为特定优点：放大电路简单无零漂，不受干扰，为特定优点：放大电路简单无零漂，不受干扰，为特定优点：放大电路简单无零漂，不受干扰，为特定 传感器带来方便；传感器带来方便；传感器带来方便；传感器带来方便；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。应变式传感器2.3 电阻应变片测量电路（2）交流电桥 39应变式传感器应变式传感器2.42.4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力的频率可分为静态应变仪和动按测量应变力的频率可分为静态应变仪和动按测量应变力的频率可分为静态应变仪和动 态应变仪，按应变力频率又可细分为：态应变仪，按应变力频率又可细分为：态应变仪，按应变力频率又可细分为：态应变仪，按应变力频率又可细分为：静态静态静态静态 5Hz 5Hz 5Hz 5Hz；静动态静动态静动态静动态几百几百几百几百HzHzHzHz；动态动态动态动态 5KHz 5KHz 5KHz 5KHz；超动态超动态超动态超动态几十几十几十几十KHzKHzKHzKHz；交流电桥电阻应变仪主要由电桥、振荡器、交流电桥电阻应变仪主要由电桥、振荡器、交流电桥电阻应变仪主要由电桥、振荡器、交流电桥电阻应变仪主要由电桥、振荡器、放大器、相敏检波器、滤波器、转换和显示放大器、相敏检波器、滤波器、转换和显示放大器、相敏检波器、滤波器、转换和显示放大器、相敏检波器、滤波器、转换和显示 电路组成。电路组成。电路组成。电路组成。应变式传感器 2.4 应变式传感器的应用（1）电阻应变40 应变式传感器应变式传感器2.42.4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变式传感器的应用（2 2 2 2）力传感器（测力与秤重）力传感器（测力与秤重）力传感器（测力与秤重）力传感器（测力与秤重）力传感器的弹性元件有：柱式、梁式、环式、轮辐式等：力传感器的弹性元件有：柱式、梁式、环式、轮辐式等：力传感器的弹性元件有：柱式、梁式、环式、轮辐式等：力传感器的弹性元件有：柱式、梁式、环式、轮辐式等：柱式力传感器有空心（筒形）、实心（柱形）柱式力传感器有空心（筒形）、实心（柱形）柱式力传感器有空心（筒形）、实心（柱形）柱式力传感器有空心（筒形）、实心（柱形）在圆筒（柱）上按一定方式粘贴应变片，圆筒在圆筒（柱）上按一定方式粘贴应变片，圆筒在圆筒（柱）上按一定方式粘贴应变片，圆筒在圆筒（柱）上按一定方式粘贴应变片，圆筒 (柱）在外力柱）在外力柱）在外力柱）在外力F F F F作用下产生形变，实心圆柱因外作用下产生形变，实心圆柱因外作用下产生形变，实心圆柱因外作用下产生形变，实心圆柱因外 力作用产生的应变为：力作用产生的应变为：力作用产生的应变为：力作用产生的应变为：式中：式中：式中：式中：L L L L为弹性元件的长度，为弹性元件的长度，为弹性元件的长度，为弹性元件的长度，S S S S为弹性元件的横截面积为弹性元件的横截面积为弹性元件的横截面积为弹性元件的横截面积 F F F F外力；外力；外力；外力；为应力，为应力，为应力，为应力，=F/S=F/S=F/S=F/S；E E E E为弹性模量为弹性模量为弹性模量为弹性模量 应变式传感器 2.4 应变式传感器的应用（2）力传感41第2章-应变式传感器(4)分析课件42 应变式传感器应变式传感器2.42.4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变式传感器的应用（2 2 2 2）力传感器力传感器力传感器力传感器 一般应变片均匀贴在圆柱表面中间部分，一般应变片均匀贴在圆柱表面中间部分，一般应变片均匀贴在圆柱表面中间部分，一般应变片均匀贴在圆柱表面中间部分，R R R R1 1 1 1R R R R2 2 2 2、R R R R3 3 3 3R R R R4 4 4 4串联摆放在两对臂内，串联摆放在两对臂内，串联摆放在两对臂内，串联摆放在两对臂内，当有偏心应力时，一方受拉另一方受压产生当有偏心应力时，一方受拉另一方受压产生当有偏心应力时，一方受拉另一方受压产生当有偏心应力时，一方受拉另一方受压产生 相反变化，可减小弯矩的影响。相反变化，可减小弯矩的影响。相反变化，可减小弯矩的影响。相反变化，可减小弯矩的影响。横向粘贴应变片为温度补偿片。横向粘贴应变片为温度补偿片。横向粘贴应变片为温度补偿片。横向粘贴应变片为温度补偿片。R=R R=R R=R R=R1 1 1 1=R=R=R=R2 2 2 2=R=R=R=R3 3 3 3=R=R=R=R4 4 4 4，受力方向相同，受力方向相同，受力方向相同，受力方向相同 桥路连接图桥路连接图桥路连接图桥路连接图灵敏度按半桥计算电桥输出为：灵敏度按半桥计算电桥输出为：灵敏度按半桥计算电桥输出为：灵敏度按半桥计算电桥输出为：应变式传感器2.4 应变式传感器的应用（2）力传感器 一43 应变式传感器应变式传感器2.42.4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变式传感器的应用（2 2 2 2）力传感器（测力与秤重）力传感器（测力与秤重）力传感器（测力与秤重）力传感器（测力与秤重）圆圆柱面展开柱面展开柱面展开柱面展开图图 应变式传感器 2.4 应变式传感器的应用（2）力传感器（44 应变式传感器应变式传感器2.42.4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变式传感器的应用（2 2 2 2）力传感器（测力与秤重）力传感器（测力与秤重）力传感器（测力与秤重）力传感器（测力与秤重）悬臂梁式力传感器悬臂梁式力传感器悬臂梁式力传感器悬臂梁式力传感器v 等截面梁：等截面梁：悬臂梁的横截面积处处相等，所以称等截面梁。悬臂梁的横截面积处处相等，所以称等截面梁。当外力当外力F F作用在梁的自由端时，固定端产生的应作用在梁的自由端时，固定端产生的应 变最大，粘贴在应变片处的应变为：变最大，粘贴在应变片处的应变为：式中：式中：式中：式中：是梁上应变片至自由端距离，是梁上应变片至自由端距离，是梁上应变片至自由端距离，是梁上应变片至自由端距离，b b b b、h h h h 分别为梁的宽度和梁的厚度。分别为梁的宽度和梁的厚度。分别为梁的宽度和梁的厚度。分别为梁的宽度和梁的厚度。应变式传感器 2.4 应变式传感器的应用（2）力传感器45应变式传感器应变式传感器2.42.4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变式传感器的应用（2 2 2 2）力传感器（测力与秤重）力传感器（测力与秤重）力传感器（测力与秤重）力传感器（测力与秤重）v 等强度梁：等强度梁：等强度梁：等强度梁：悬臂梁长度方向的截面积按一定规律变化，悬臂梁长度方向的截面积按一定规律变化，悬臂梁长度方向的截面积按一定规律变化，悬臂梁长度方向的截面积按一定规律变化，是一种特殊形式的悬臂梁。是一种特殊形式的悬臂梁。是一种特殊形式的悬臂梁。是一种特殊形式的悬臂梁。当力作用在自由端时，力距作用点任何截面当力作用在自由端时，力距作用点任何截面当力作用在自由端时，力距作用点任何截面当力作用在自由端时，力距作用点任何截面 积上应力相等，应变片的应变大小为：积上应力相等，应变片的应变大小为：积上应力相等，应变片的应变大小为：积上应力相等，应变片的应变大小为：应变式传感器2.4 应变式传感器的应用（2）力传感器（测力46应变式传感器应变式传感器2.42.4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变式传感器的应用（2 2 2 2）力传感器力传感器力传感器力传感器 顺顺顺顺梁梁梁梁的的的的方方方方向向向向贴贴贴贴上上上上下下下下各各各各贴两只。贴两只。贴两只。贴两只。四四四四个个个个应应应应变变变变片片片片组组组组成成成成全全全全桥桥桥桥。上上上上面面面面两两两两个个个个受受受受压压压压时时时时下面两个受拉。下面两个受拉。下面两个受拉。下面两个受拉。这这这这种种种种传传传传感感感感器器器器适适适适用用用用于于于于测量测量测量测量500Kg500Kg500Kg500Kg以下荷重。以下荷重。以下荷重。以下荷重。应变式传感器2.4 应变式传感器的应用（2）力传感器 顺梁的47 应变式传感器应变式传感器2.42.4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变式传感器的应用（2 2 2 2）力传感器（测力与秤重）力传感器（测力与秤重）力传感器（测力与秤重）力传感器（测力与秤重）梁的形式较多，如平行双孔梁、工字梁、梁的形式较多，如平行双孔梁、工字梁、梁的形式较多，如平行双孔梁、工字梁、梁的形式较多，如平行双孔梁、工字梁、S S S S型拉力型拉力型拉力型拉力（a a a a）双孔梁）双孔梁）双孔梁）双孔梁 （b b b b）S S S S形形形形 应变式传感器2.4 应变式传感器的应用（2）力传感器（测48 应变式传感器应变式传感器2.42.4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变式传感器的应用（3 3 3 3）加速度传感器加速度传感器 基基基基本本本本结结结结构构构构由由由由悬悬悬悬臂臂臂臂梁梁梁梁、应应应应变变变变片片片片、质质质质量量量量块块块块、机机机机座座座座外外外外壳壳壳壳组组组组成成成成。悬悬悬悬臂臂臂臂梁梁梁梁（等等等等强强强强度度度度梁梁梁梁）自自自自由由由由端端端端固固固固定定定定质质质质量量量量块块块块，壳体内充满硅油，产生必要的阻尼。壳体内充满硅油，产生必要的阻尼。壳体内充满硅油，产生必要的阻尼。壳体内充满硅油，产生必要的阻尼。当壳体与被测物体一起当壳体与被测物体一起当壳体与被测物体一起当壳体与被测物体一起 作加速度运动时，悬臂梁在作加速度运动时，悬臂梁在作加速度运动时，悬臂梁在作加速度运动时，悬臂梁在 质量块的惯性作用下作反方质量块的惯性作用下作反方质量块的惯性作用下作反方质量块的惯性作用下作反方 向运动，使梁体发生形变，向运动，使梁体发生形变，向运动，使梁体发生形变，向运动，使梁体发生形变，粘贴在梁上的应变片阻值发粘贴在梁上的应变片阻值发粘贴在梁上的应变片阻值发粘贴在梁上的应变片阻值发 生变化。通过测量阻值的变生变化。通过测量阻值的变生变化。通过测量阻值的变生变化。通过测量阻值的变 化求出待测物体的加速度。化求出待测物体的加速度。化求出待测物体的加速度。化求出待测物体的加速度。壳体壳体机座机座aFR1R2m充满硅油 应变式传感器2.4 应变式传感器的应用（3）加速度传感器49 应变式传感器应变式传感器2.42.4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变式传感器的应用（3 3 3 3）加速度传感器加速度传感器加速度传感器加速度传感器 应变式传感器2.4 应变式传感器的应用（3）加速度传感50第2章-应变式传感器(4)分析课件51 应变式传感器应变式传感器2.42.4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变式传感器的应用膜片式压力传感器-P28固态压阻式传感器-P29结构特点:单晶硅,4片桥路集成;性能特点:灵敏度高,固有频率高.应变式传感器2.4 应变式传感器的应用膜片式压力传感器-52 应变式传感器应变式传感器本章要点本章要点：基本原理基本原理:应变效应和压阻效应应变效应和压阻效应 (横向效应)应变式应变式传感器的主要性能指标；传感器的主要性能指标；应变式应变式传感器的测量电路传感器的测量电路：直流单臂、半桥、全桥及比较；直流单臂、半桥、全桥及比较；零点补偿及温度补偿方法零点补偿及温度补偿方法 如何通过如何通过应变应变式传感器测量式传感器测量力、压力、位移、应变、加速度等参量；力、压力、位移、应变、加速度等参量；应变式传感器本章要点：基本原理:应变效应和压阻效应53