第5章-电阻应变式传感器课件

*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity15.15.1工作原理工作原理5.25.2电阻应变片种类及特性电阻应变片种类及特性5.35.3电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路及补偿及补偿5.45.4应变式传感器应用应变式传感器应用 第第5 5章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity有一个电阻为有一个电阻为120，K=2的应变片，粘贴在弹性极限为的应变片，粘贴在弹性极限为400MN/m2，弹性模量为，弹性模量为200GN/m2的钢件上，的钢件上，1）当应力等于弹性范围的）当应力等于弹性范围的1/10时；时；2）如果应变片材料为康铜丝（）如果应变片材料为康铜丝（=2010-6/，膨胀系数为，膨胀系数为1210-6m/m，钢膨胀系数为，钢膨胀系数为1610-6m/m），温度变化），温度变化20；试分别计算此应变片的电阻变化。试分别计算此应变片的电阻变化。*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity31.1.电电阻阻应应变变式式传传感感器器：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阻应变电阻应变敏感元件构成。敏感元件构成。2.2.工工作作过过程程：被被测测物物理理量量弹弹性性元元件件弹弹性性元元件件变变形形敏感元件敏感元件阻值变化阻值变化测量电路测量电路电量输出电量输出3.3.应应用用：应应变变式式电电阻阻传传感感器器是是目目前前测测量量力力、力力矩矩、压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。电阻应变式传感器：电阻应变式传感器：*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity45.1 5.1 电阻应变片电阻应变片工作原理工作原理应变效应应变效应：电阻应变片的工作原理是基于：电阻应变片的工作原理是基于应变效应应变效应，即在，即在导体或半导体材料在导体或半导体材料在外力作用下外力作用下产生机械变形时，它的电产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。阻值相应发生变化。一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为式中：式中：电阻丝的电阻率电阻丝的电阻率；L L 电阻丝的长度；电阻丝的长度；S S 电阻丝的截面积。电阻丝的截面积。一一、应变效应（电阻应变效应（电阻应变特性）应变特性）*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity5金属电阻丝的应变效应金属电阻丝的应变效应金属电阻丝的应变效应*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity6当当电电阻阻丝丝受受到到拉拉力力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，电电阻阻率率将将因因晶晶格格发发生生变变形形等等因因素素而而改改变变，故故引引起起电阻值相对变化量为电阻值相对变化量为式中：式中：dLdL/L/L长度相对变化量，用应变长度相对变化量，用应变表示：表示：dSdS/D/D圆形电阻丝的截面积相对变化量，即圆形电阻丝的截面积相对变化量，即应变效应应变效应：*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity7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为：示为：式中：式中：电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。可得可得或或应变效应应变效应：*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity8电电阻阻丝丝的的灵灵敏敏系系数数：通通常常把把单单位位应应变变能能引引起起的的电电阻阻值值变变化称为电阻丝的灵敏系数。化称为电阻丝的灵敏系数。灵敏度系数受两个因素影响：灵敏度系数受两个因素影响：受力后材料几何尺寸的变化，即（受力后材料几何尺寸的变化，即（1+2）；）；受力后材料的电阻率发生的变化，即（受力后材料的电阻率发生的变化，即（d/）/。大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即与应变成正比，即KS为常数。为常数。二、电阻丝的灵敏系数：二、电阻丝的灵敏系数：*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity9灵敏系数灵敏系数定义定义K=(K=(dRdR/R)/R)/为应变片的灵敏系数。它表示安装在为应变片的灵敏系数。它表示安装在被测试件上的被测试件上的应变应变在其轴向受到单向应力时，引起的在其轴向受到单向应力时，引起的电阻电阻相对变化相对变化(dRdR/R)/R)与其单向应力引起的试件表面轴与其单向应力引起的试件表面轴向向应变应变()之比。之比。注注：应变片的灵敏系数并不等于其：应变片的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝敏感栅整长应变丝的灵敏系数，这是因为在单向应力产生应变时，应变的灵敏系数，这是因为在单向应力产生应变时，应变片的灵敏系数除受到敏感栅结构片的灵敏系数除受到敏感栅结构形状形状、成型、成型工艺工艺、粘粘结剂结剂和和基底基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横横向效应向效应的影响。的影响。*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity10当当测测得得应应变变片片电电阻阻值值变变化化量量R时时，便便可可得得到到被被测测对对象象的应变值。根据的应变值。根据应力应力与与应变应变的关系，得到应力值的关系，得到应力值为为=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。应力值应力值应变应变电阻值的变化电阻值的变化R输出电量输出电量U这就是利用应变片这就是利用应变片测量应变测量应变的基本原理。的基本原理。三、应变片测量应变的基本原理三、应变片测量应变的基本原理*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity11电阻应变式传感器原理演示电阻应变式传感器原理演示电阻应变式传感器原理演示电阻应变式传感器原理演示*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity125.2 5.2 电阻应变片的种类及参数电阻应变片的种类及参数一、一、电阻应变片的种类电阻应变片的种类常常用用应应变变片片分分两两类类：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。1.金属应变片组成金属应变片组成：敏感栅、基片、覆盖层和引线，如图。：敏感栅、基片、覆盖层和引线，如图。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，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有金属电阻应变片的敏感栅有丝式、丝式、箔式箔式和和薄膜式薄膜式三种。三种。*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity13金属电阻应变片的结构金属电阻应变片的结构2.2 2.2 电阻应变片的种类及特性电阻应变片的种类及特性1 1）基底：）基底：固定敏感栅及绝缘；固定敏感栅及绝缘；0.020.020.04mm0.04mm厚；纸质或胶质。厚；纸质或胶质。2 2）电阻丝：）电阻丝：金属丝绕成栅状，敏感栅。金属丝绕成栅状，敏感栅。d=0.015=0.0150.05mm0.05mm。作用：感应变的变化大小。作用：感应变的变化大小。3 3）覆盖层：）覆盖层：作用，防潮、防蚀、防损等。作用，防潮、防蚀、防损等。4 4）引线：）引线：通常取直径约为通常取直径约为0.10.10.15mm0.15mm的低阻镀锡铜线的低阻镀锡铜线*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity141.丝丝式式金金属属应应变变片片的的敏敏感感栅栅由由直直径径0.01mm0.05mm的的电电阻阻丝丝平行排列而成。平行排列而成。2.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0.0030.01mm。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，便便于批量生产。于批量生产。3.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0.1m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，工工作作温温度度范范围较广围较广。2.2 2.2 电阻应变片的种类及特性电阻应变片的种类及特性*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity应变片的粘贴应变片的粘贴（1 1）准备：）准备：试件，打磨试件，打磨清洗净打磨面清洗净打磨面划线划线涂一薄层粘结剂作底；应变涂一薄层粘结剂作底；应变计，外表和阻值检查计，外表和阻值检查刻划轴向标记刻划轴向标记清洗。清洗。（2 2）涂胶：）涂胶：在准备好的试件表面和应变片基底上均匀涂一薄层粘结剂。在准备好的试件表面和应变片基底上均匀涂一薄层粘结剂。（3 3）贴片：）贴片：按坐标线对准贴上按坐标线对准贴上用手指顺轴向滚压用手指顺轴向滚压固化处理。固化处理。（4 4）复查：）复查：贴片偏差、阻值变化、引线和试件间的绝缘电阻。贴片偏差、阻值变化、引线和试件间的绝缘电阻。（5 5）接线：）接线：通过中介接线片（柱）把应变片引线和导线焊接并加固。通过中介接线片（柱）把应变片引线和导线焊接并加固。（6 6）防防护护：涂涂以以中中性性凡凡士士林林油油，石石蜡蜡（短短期期防防潮潮）；或或石石蜡蜡松松香香黄黄油油的的混合剂（长期防潮）；或环氧树脂，氯丁橡胶，清漆等（防机械划伤）。混合剂（长期防潮）；或环氧树脂，氯丁橡胶，清漆等（防机械划伤）。*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity16(a)箔式应变片箔式应变片(b)电阻丝式应变片电阻丝式应变片(c)丝式应变片丝式应变片几种常用应变片的基本形式几种常用应变片的基本形式几种常用应变片的基本形式几种常用应变片的基本形式*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity17金属电阻应变片的材料金属电阻应变片的材料对电阻丝材料应有如下要求：对电阻丝材料应有如下要求：灵敏系数大，灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数；且在相当大的应变范围内保持常数；电电阻阻率率:值值大大，即即在在同同样样长长度度、同同样样横横截截面面积积的的电电阻阻丝丝中中具有较大的电阻值；具有较大的电阻值；电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；与铜线的焊接性能好，与铜线的焊接性能好，与其它金属的与其它金属的接触电势小接触电势小；机械强度高，机械强度高，具有优良的机械加工性能。具有优良的机械加工性能。*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity18表表5-1常用金属电阻丝材料的性能常用金属电阻丝材料的性能*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity19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，这这是是由由于于它它有有很很多多优点：优点：1.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工艺艺时时，可可使使电电阻温度系数在阻温度系数在2010-6/的范围内；的范围内；2.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数，进进入入塑塑性性变形范围内也基本上能保持为常数；变形范围内也基本上能保持为常数；3.康铜的加工性能好康铜的加工性能好，易于焊接，易于焊接.因而国内外多以康铜作为应变丝材料。因而国内外多以康铜作为应变丝材料。*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity20横横向向效效应应：应应变变片片粘粘贴贴在在被被测测试试件件上上时时，由由于于其其敏敏感感栅栅是是由由n条条长长度度为为L1的的直线段直线段和（和（n-1）个半径为）个半径为r的的半圆半圆组成。组成。若若该该应应变变片片承承受受轴轴向向应应力力而而产产生生应应变变x时时，则则各各直直线线段段的的电电阻阻将将增增加加，但但在在半半圆圆弧弧段段则则受受到到从从+x到到-x之之间间变变化化的的应应变变，圆圆弧弧段段电电阻阻的的变变化化将将小小于于沿轴向安放的同样长度电阻丝电阻的变化。沿轴向安放的同样长度电阻丝电阻的变化。综综上上所所述述，将将直直的的电电阻阻丝丝绕绕成成敏敏感感栅栅后后，虽虽然然长长度度不不变变，应应变变状状态态相相同同，但但由由于于应应变变片片敏敏感感栅栅的的电电阻阻变变化化较较小小，因因而而敏敏感感栅栅的的灵灵敏敏系系数数K,较较电电阻丝阻丝的灵敏系数的灵敏系数K0小小，这种现象称为应变片的，这种现象称为应变片的横向效应横向效应。横向效应横向效应*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity21(a)应变片及轴向受力图应变片及轴向受力图(b)应变片的横向效应图应变片的横向效应图应变片轴向受力及横向效应应变片轴向受力及横向效应应变片轴向受力及横向效应应变片轴向受力及横向效应*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。当半导体材料某一轴向受而制成的一种纯电阻性元件。当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率会发生变化外力作用时，其电阻率会发生变化 2.半导体应变片半导体应变片*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity24压阻效应压阻效应:是指半导体材料在是指半导体材料在某一轴向某一轴向受外力作用时，其受外力作用时，其电阻率电阻率发生变化的现象。发生变化的现象。半导体应变片受轴向力作用时，其电阻半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化相对变化为为式式中中，d/为为半半导导体体应应变变片片的的电电阻阻率率相相对对变变化化量量，其其值值与与半导体敏感元件在半导体敏感元件在轴向所受轴向所受的的应力应力关系为关系为2.半导体应变片半导体应变片*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity25实实验验证证明明，E比比（1+2）大大上上百百倍倍，所所以以（1+2）可可以以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为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，比比金金属属丝丝式式高高5080倍倍，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、应变时大、应变时非线性非线性比较严重等缺点。比较严重等缺点。2.半导体应变片半导体应变片*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity261.应变片的温度误差应变片的温度误差由由于于测测量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，称称为为应应变片的变片的温度误差温度误差。产生应变片温度误差的。产生应变片温度误差的主要因素主要因素有两个方面有两个方面:(1)电阻温度系数电阻温度系数的影响的影响R Rt t=R=R0 0（1+1+0 0tt）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 t0 0时的电阻值；时的电阻值；0 0金属丝的电阻金属丝的电阻温度系数温度系数；tt温度变化值，温度变化值，tt=t-t=t-t0 0。当当温度变化温度变化tt时，电阻丝电阻的变化值为：时，电阻丝电阻的变化值为：RR=R Rt t-R-R0 0=R=R0 00 0tt三、应变片的温度误差及补偿三、应变片的温度误差及补偿*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity27(2)试件材料和电阻丝材料的试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数线膨胀系数的影响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，从而产生电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻附加电阻。设设电电阻阻丝丝和和试试件件在在温温度度为为0时时的的长长度度均均为为L0，它它们们的的线线膨胀系数分别为膨胀系数分别为s和和g，若两者不粘贴，则它们的长度分别为：，若两者不粘贴，则它们的长度分别为：电阻丝：电阻丝：Ls=L0（1+st）试件：试件：Lg=L0（1+gt）三、三、应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity28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、附附加加应变应变和附加电阻变化和附加电阻变化R分别为：分别为：L=L=L Lg g-L-Ls s=（g g-s s）L L0 0t t =L/L=L/L0 0=（g-sg-s）tt RR=K=K0 0 R R0 0=K=K0 0 R R0 0（g-sg-s）tt由由以以上上各各式式，可可得得由由于于温温度度变变化化而而引引起起应应变变片片总总电电阻阻相相对变化量对变化量为：为：三、三、应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity29折合成折合成附加应变量附加应变量t，有，有引起应变片的温度误差引起应变片的温度误差:1.因因环境温度变化环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与度有关外，还与应变片自身的性能参数（应变片自身的性能参数（K0、0、s）以及以及被测试被测试件线膨胀系数件线膨胀系数g有关。有关。三、三、应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity302.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电阻阻应应变变片片的的温温度度补补偿偿方方法法通通常常有有线线路路补补偿偿法法和和应应变变片片自自补补偿偿两两大类。大类。(1)线路补偿法线路补偿法电电桥桥补补偿偿是是最最常常用用的的，且且效效果果较较好好的的线线路路补补偿偿法法。电电桥桥输输出出电电压压U0与桥臂参数的关系为：与桥臂参数的关系为：U0=A(R1R4-RBR3）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。三、三、应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity31电桥补偿法电桥补偿法三、三、应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity32当当R3和和R4为为常常数数时时，R1和和RB对对电电桥桥输输出出电电压压U0的的作作用用方方向向相相反反。利利用这一基本关系用这一基本关系可实现对温度的补偿。可实现对温度的补偿。测测量量应应变变时时，工工作作应应变变片片R1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RB粘贴在与被测试件粘贴在与被测试件材料完全相同材料完全相同的补偿块上，且的补偿块上，且仅工作应变片承受应变。仅工作应变片承受应变。当当被被测测试试件件不不承承受受应应变变时时，R1和和RB又又处处于于同同一一环环境境温温度度为为t的的温温度场中，度场中，调整电桥参数，调整电桥参数，使之达到平衡，有使之达到平衡，有U0=A（R1R4-RBR3）=0三、三、应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity33工工程程上上，一一般般按按R1=RB=R3=R4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-t0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相相等等(R1t=RBt)，电桥仍处于平衡状态，即电桥仍处于平衡状态，即U0=A（R1+R1t）R4-(RB+RBt)R3=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R1又又有有新新的的增增量量R1=R1K，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，此此时时电电桥桥输输出出电压为电压为:U0=AR1R4K由由上上式式可可知知，电电桥桥的的输输出出电电压压U0仅仅与与被被测测试试件件的的应应变变有有关关，而而与与环环境境温度无关。温度无关。三、三、应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿P42*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity34若实现若实现完全补偿完全补偿，上述分析过程必须满足，上述分析过程必须满足四个条件四个条件：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RB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、应变灵敏度灵敏度系数系数K和和初始电阻值初始电阻值R0；粘粘贴贴补补偿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材料料必须一样必须一样;两者两者线膨胀系数线膨胀系数相同；相同；两应变片应处于两应变片应处于同一温度场同一温度场。三、三、应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity35这种温度补偿法是利用这种温度补偿法是利用自身具有自身具有温度补偿作用的温度补偿作用的应变片应变片来补偿的，来补偿的，称之为温度称之为温度自补偿应变片自补偿应变片。由温度自补偿应变片的工作原理，要实现要实现温度自补偿，必须由温度自补偿应变片的工作原理，要实现要实现温度自补偿，必须有有:0 0=-K=-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、灵灵敏敏系系数数K0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Rt/R0=0，从从而而达达到到温温度度自自补补偿的目的。偿的目的。(2)(2)应变片的自补偿法应变片的自补偿法*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity36 5.3 5.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路及补偿及补偿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量出来，就要把电阻相对变化测量出来，就要把电阻相对变化R/R转换为电压或电流的变化。转换为电压或电流的变化。因因此此，需需要要有有专专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，通常采用通常采用直流电桥直流电桥和和交流电桥。交流电桥。*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity38一、一、直流电桥直流电桥直流电桥直流电桥电桥如图所示，电桥如图所示，E为电源，为电源，R1、R2、R3及及R4为桥臂电阻，为桥臂电阻，RL为负载电阻。为负载电阻。*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity39当电桥平衡时，当电桥平衡时，U0=0，则有，则有R1R4=R2R3或或上上式式称称为为电电桥桥平平衡衡条条件件。这这说说明明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，或或相相对对两两臂臂电电阻阻的的乘乘积积相相等。等。1.直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件若输出开路时，则*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity40单单臂臂电电桥桥：R1为为电电阻阻应应变变片片，R2、R3、R4为为电电桥桥固固定定电电阻阻，这就构成了这就构成了单臂电桥单臂电桥。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桥路比桥路输出阻抗输出阻抗高很多，所以此时仍视高很多，所以此时仍视电桥为开路电桥为开路情况。情况。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，其其它它桥桥臂臂固固定定不不变，电桥变，电桥输出输出电压电压Uo0，则电桥不平衡输出电压为，则电桥不平衡输出电压为：2.单臂电桥测量电路电压灵敏度单臂电桥测量电路电压灵敏度*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity41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，并考虑到平衡条件，并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3，则，则*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity42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许功耗功耗的限制，所以要作适当选择；一般电桥电压为的限制，所以要作适当选择；一般电桥电压为13V。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择桥桥臂比臂比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。当当E值确定后，值确定后，n值取何值时使值取何值时使KU最高？最高？*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity43由由dKU/dn=0,求求KU的最大值，得的最大值，得求得求得n=1时，时，KU为最大值。为最大值。电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度从从上上述述可可知知，当当E和和电电阻阻相相对对变变化化量量R1/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阻阻值值大大小小无关。无关。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R1=R2=R3=R4时时，电电桥桥电电压压灵灵敏敏度度最最高高（进进行行温温度度补补偿偿是是所所需需要要的的，所所以以在在非非电量测量广泛采用），此时有电量测量广泛采用），此时有*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity443.非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法上上面面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R1/R1项项而而得得出出的的是是理想值，实际值计算为理想值，实际值计算为非线性误差为：非线性误差为：特例：特例：四等臂电桥，四等臂电桥，n=1，则：则：*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity45半桥差动电路和全桥差动电路半桥差动电路和全桥差动电路 3.非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity461.为了减小和克服非线性误差，常采用为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥差动电桥。2.在在试试件件上上安安装装两两个个工工作作应应变变片片，一一个个受受拉拉应应变变，一一个个受受压压应应变变，接接入电桥相邻桥臂，称为入电桥相邻桥臂，称为半桥差动电路半桥差动电路，该电桥输出电压为：，该电桥输出电压为：假设：假设：R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得，则得由由上上式式可可知知，Uo与与（R1/R1）呈呈线线性性关关系系，差差动动电电桥桥无无非非线线性性误误差差；电电桥桥电电压压灵灵敏敏度度KU=E/2，是是单单臂臂工工作作时时的的2倍倍；同同时时，还还具有具有温度补偿作用。温度补偿作用。（P31)(1)半桥差动电路半桥差动电路*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity47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，如如图图所所示示，即即两两个个受受拉拉应应变变，两两个个受受压应变，将压应变，将两个应变符号两个应变符号相同相同的接入的接入相对相对桥臂上桥臂上，构成全桥差动电路。，构成全桥差动电路。若若R1=R2=R3=R4，且，且R1=R2=R3=R4，则，则此此时时，全全桥桥差差动动电电路路没没有有非非线线性性误误差差；电电压压灵灵敏敏度度是单臂时的是单臂时的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（P31)。(2)全桥差动电路：全桥差动电路：*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity48根据直流电桥分析可知，由于应变根据直流电桥分析可知，由于应变电桥输出电压电桥输出电压很小，一很小，一般都要加放大器，而般都要加放大器，而直流放大器直流放大器易于易于产生零漂产生零漂，因此，应，因此，应变电桥多采用变电桥多采用交流电桥交流电桥。交流电桥如图所示，交流电桥如图所示，为为交流电压源交流电压源，开路输出电压为，开路输出电压为U0由于，电桥电源为由于，电桥电源为交流交流电源，电源，引线分布电容引线分布电容（C1、C2）使）使得得二桥臂应变片二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于二只应变片各呈现复阻抗特性，即相当于二只应变片各并联了并联了一个电容，则每一桥臂上复阻抗分别为一个电容，则每一桥臂上复阻抗分别为二、二、交流电桥交流电桥*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity49交流电桥交流电桥二、二、交流电桥交流电桥*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity501.由交流电路分析可得由交流电路分析可得2.要满足电桥平衡条件，即，要满足电桥平衡条件，即，则有则有Z1Z4=Z2Z3(*)根据根据(*)式，式，可得可得二、二、交流电桥交流电桥*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity51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为：件为：对这种交流电容电桥，除要满足对这种交流电容电桥，除要满足电阻平衡条件电阻平衡条件外，还必须满足外，还必须满足电容电容平衡条件。为此，在桥路上除平衡条件。为此，在桥路上除设有设有电阻平衡调节外，还有电阻平衡调节外，还有电容平衡电容平衡调节。调节。当被测应力变化当被测应力变化引起引起Z1=Z0+Z，Z2=Z0-Z变化时，则电桥输出为变化时，则电桥输出为二、二、交流电桥交流电桥*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity52三、电阻应变片的分布与组桥三、电阻应变片的分布与组桥电阻应变片的电阻应变片的分布分布与组桥应该遵循以下原则：与组桥应该遵循以下原则：(1)(1)根据弹性元件受力后的根据弹性元件受力后的应力应力、应变分布应变分布情况，应变片应情况，应变片应该该布置布置在弹性元件产生在弹性元件产生应变最大应变最大的位置，且沿主应力方的位置，且沿主应力方向贴片；贴片处的向贴片；贴片处的应变应变尽量与外载荷呈尽量与外载荷呈线性关系线性关系.(2)(2)根据电桥的和差特性，将应变片根据电桥的和差特性，将应变片布置在布置在弹性元件具有弹性元件具有正正负极性负极性的应变区，并选择合理的的应变区，并选择合理的接入电桥接入电桥方式，以使输方式，以使输出出灵敏度最大灵敏度最大，同时又可以消除或减小，同时又可以消除或减小非待测力非待测力的影响的影响，并进行温度补偿。并进行温度补偿。*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity535.4应变式传感器应用应变式传感器应用一、一、应变式力传感器应变式力传感器被被测测物物理理量量为为荷荷重重或或力力的的应应变变式式传传感感器器，统统称称为为应应变变式式力力传传感感器器。其其主主要要用用作作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件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。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变化化时时，不不应应对对输出有明显的影响。输出有明显的影响。*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity54等截面等截面圆柱圆柱应变式应变式荷重传感器荷重传感器的原理演示的原理演示一、一、应变式力传感器应变式力传感器*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity55图图（a a）、（b b）所所示示为为柱柱式式、筒筒式式力力传传感感器器，应应变变片片粘粘贴贴在弹性体外壁在弹性体外壁应力分布均匀应力分布均匀的中间部分，对称地粘贴多片。的中间部分，对称地粘贴多片。电电桥桥接接线线时时应应尽尽量量减减小小载载荷荷偏偏心心和和弯弯矩矩的的影影响响，贴贴片片在在圆圆柱面上的位置及其在桥路中的连接如图（柱面上的位置及其在桥路中的连接如图（c c）、（）、（d d）所示。）所示。R R1 1和和R R3 3串串接接，R R2 2和和R R4 4串串接接，并并置置于于桥桥路路对对臂臂上上以以减减小小弯弯矩矩影影响响，横横向向贴贴片片R R5 5和和R R7 7串串接接，R R6 6和和R R8 8串串接接，作作温温度度补补偿偿用用，接接于另两个桥臂上。于另两个桥臂上。柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity56 (a)柱式 (b)筒式 (c)圆柱面展开图 (d)桥路连接图圆柱圆柱(筒筒)式力传感器式力传感器柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity5715*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity58悬臂梁应变式电子秤的原理演示悬臂梁应变式电子秤的原理演示悬臂梁应变式电子秤的原理演示悬臂梁应变式电子秤的原理演示*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity59应应变变式式加加速速度度传传感感器器主主要要用用于于物物体体加加速速度度的测量。的测量。其其基基本本工工作作原原理理是是：物物体体运运动动的的加加速速度度与与作作用用在在它它上上面面的的力力成成正正比比，与与物物体体的的质质量量成反比，即成反比，即a=F/m。二、应变式加速度传感器二、应变式加速度传感器*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity60图图所所示示是是应应变变片片式式加加速速度度传传感感器器的的结结构构示示意意图图，图图中中1是是等等强强度度梁梁，自自由由端端安安装装质质量量块块2，另另一一端端固固定定在在壳壳体体3上上。等等强强度度梁梁上上粘粘贴贴四四个个电电阻阻应应变变敏敏感感元元件件4。为为了了调调节节振振动动系统阻尼系数，在壳体充满硅油。系统阻尼系数，在壳体充满硅油。测测量量时时，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。电电阻阻的的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，即可得出加速度从而输出电压，即可得出加速度a值的大小。值的大小。应应变变片片加加速速度度传传感感器器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，一一般适用频率为般适用频率为1060Hz范围。范围。*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity61电阻应变式加速度传感器结构示意图电阻应变式加速度传感器结构示意图二、应变式加速度传感器二、应变式加速度传感器*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity62三、应变式传感器的应用三、应变式传感器的应用德国德国 HBM 公司应变计公司应变计*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity压阻式压力传感器*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity77 应变式传感器应用于铁路工程*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity78应变式传感器应用于铁路工程*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity79应变式传感器应用于制造业*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity80应变式传感器应用于宇宙航空业*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity811.何为金属的电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应何为金属的电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？变片？2.什么是应变片的灵敏系数？它与电阻丝的灵敏系数有什么是应变片的灵敏系数？它与电阻丝的灵敏系数有何不同？为什么？何不同？为什么？3.用应变片测量时，为什么必须采取温度补偿措施？用应变片测量时，为什么必须采取温度补偿措施？4.金属应变片与半导体应变片在工作原理上有何不同？金属应变片与半导体应变片在工作原理上有何不同？*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity例：例：有一个电阻为有一个电阻为120，K=2的应变片，粘贴在弹性极的应变片，粘贴在弹性极限为限为400MN/m2，弹性模量为，弹性模量为200GN/m2的钢件上，的钢件上，1）当应力等于弹性范围的）当应力等于弹性范围的1/10时；时；2）如果应变片材料为康铜丝（）如果应变片材料为康铜丝（=2010-6/，膨胀系数为膨胀系数为1210-6m/m，钢膨胀系数为，钢膨胀系数为1610-6m/m），温度变化），温度变化20；试分别计算此应变片的电阻变化试分别计算此应变片的电阻变化*黑龙江大学电子工程学院Hei Longjiang Unversity计算题：计算题：1.一应变片的电阻一应变片的电阻R=120,k=2.05,用作应变为用作应变为800m/m的传感元件。的传感元件。求求R；若电源电压若电源电压U3V，求，求初始平衡时，电桥的输出电压初始平衡时，电桥的输出电压U0。2.在材料为钢的实心圆柱形试件上，沿在材料为钢的实心圆柱形试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为轴线和圆周方向各贴一片电阻为120的的金属应变片金属应变片R1和和R2，R3=R4.把这把这两个应变片接入电桥如右图。若钢的泊两个应变片接入电桥如右图。若钢的泊松系数松系数0.285，应变片的灵敏系数，应变片的灵敏系数k2，电桥电源电压，电桥电源电压U2V，当试件，当试件受轴向拉伸时，测得应变片受轴向拉伸时，测得应变片R1的电阻的电阻变化值变化值R1=0.48，试求电桥的输出电，试求电桥的输出电压电压压电压U0。