第四章：电阻应变传感器 中国矿业大学检测原理与技术课件

按桥臂电阻的配备方式分： a)对称电桥 串联对称电桥(第一类对称电桥) R1＝ R2 ,R3 ＝R4 并联对称电桥(第二类对称电桥) R1＝R3，R2＝R4
R1 R3
R2 R4 U0
US
等臂电桥
b)不对称电桥
R1＝R2＝R3 ＝R4
又称“全对称电桥
不满足上述条件的电桥
按电桥的工作方式分： 平衡电桥 满足R1R4＝R2R3
R1 R R1为敏感元件，有： R1 R R1 R4 R2 R3 U0 Is R1 R2 R3 R4
R1
R3
R2
Uo
R4
IS
若 R1 R1 R1
R R1 R R RI U0 Is s R 4 R R 4(1 ) 4R
U 理想输出： os U s 4
同相输入 反相输入
Us
R
Eo
U s R 得 E0 Us 2 R 2
有源电桥的输出在较小范围内为线性，灵敏 度较等臂电桥提高一倍，输出信号的极性与无源 电桥相反。
2.6 电桥调零
原被测量的总元件无变化时，输出量应为零。即满 足 R1 R4 R2 R3 。若不平衡，则须调零。一般有两 种调零方式： 串联调零 应用于R1、R2值较大 的场合，此时，RW越小， 对传感器灵敏度的影响 越小。
温度变化1℃时， RT＝RT0（1+T），即， R/R＝(RT－RT0)/RT0=2×2140 比较R/R＝ksl=2l （假设KS＝2） 环境温度变化1℃相当于引起2140的应变，必须解决。 一般l应变单位为几百～几千(1×10-6)
1.3温度补偿措施 1 应变片补偿法
将两个特性相同的应变 片，用同样的方法粘贴在同 样材质的两个器件上，置于 相同的温度中，承受应力的 为工作片，不受应力的为补 偿片。 应变片R1—测量元件 应变片R2—温度补偿元件
F F
在拉力作用下，内环 拉长，外环压缩，可 构成双差动电桥，灵 敏度比差动电桥提高 一倍。
几种梁式传感器外形
(2)加速度的测量
根据F=ma
测得F便可以得到a。
m F
a
(3)流体压力的测量
测量原理：
压力
位移
应力
应变式荷重传感器的外形及应 变片的粘贴位置
R
4
R1
R 2
应变式荷重传感器外形及受力位置（续）
3、电阻应变传感器的典型应用和创新应用
2
(Q是微小量) 可展成泰勒级数：
1 1 Q Q2 1 Q
所以得： U 0 (1 )U s U s
4 2 4



2
8
Us
忽略后一项2/8，得 电桥电压灵敏度： 非线性度：
1 U os U s 4
1 K us Us 4 U os
F
F
应变式荷重传感器外形及受力位置（续）
F
F
汽车衡
汽车衡
汽车衡称重系统
电子天平
电子天平的精度 可达十万分之一
人体秤
吊钩秤
便携式
应变式数显扭矩扳手
可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械 制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的 装配扭矩。量程2~500N.m，耗电量≤10mA， 有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等 功能。
结构及材料 金属丝电阻应变片的典型结构见图。它主要由粘合 层1、3，基底2、盖片4，敏感栅5，引出线6构成。
1.2 环境温度对测量的影响 造成应变片测量误差的因素很多，测量时要 加以考虑。其中环境温度的影响是首要的误差。 而当应变金属丝受环境温度影响时，有：
RT＝RT0 [1+T（T－T0）] 温度系数T＝4.28×10-3/℃
∴
应变灵敏系数
对于大多数金属材料，泊松系数 0.2～0.5 所以ks的数值在1.4～4.8之间，一般取ks为2 （应变片的灵敏度）左右。利用这种效应制成 传感器，即为电阻应变片。
要制成电阻应变片，用单一金属丝难以实现， 所以用金属丝绕制。如用直径为0.015～0.05mm 的细金属丝绕成栅网状，并粘贴在绝缘的基片上， 两侧由引线接出，线栅上再覆盖一层绝缘保护膜。 一般线栅面积为 310mm2,阻值为 60～150
灵敏度
线性度
比差动电桥高一倍
2.4 相对臂电桥的工作特性 设 R1 R2 R3 R4 R
R1 R R R4 R R
得
( R1 R)( R4 R) R2 R3 U0 Us ( R1 R R2 )( R3 R4 R)
(1 ) 2 2 4(1 ) 2 2
材料应变的测量
斜拉桥上的斜拉 绳应变测试
动脑筋想想 电阻应变传感器还有什么应用？
臂力测量
肺活量测量 走步测量
司机瞌睡监测报警
电阻应变传感器系列
第 四 章 小 结
1、掌握电阻应变传感器的工作原理和应用技巧
温度补偿、调零方法、减小非线性方法等等。 2、单臂对称电桥、差动电桥和双差动电桥的输出特点 灵敏度和非线性误差
理想 输出
U os U o 1 f U os 2
可见，输入量变化越大，非线性误差越大。 若要求电桥误差小于 0.03，即 f≤3％
则允许最大值为 0.06 （最大的测量范围） 其结论同全对称电桥。
2.3差动电桥的工作特性
设： R1 R2
R3 R4
R1和R2为敏感元件
设： R1＝R2＝R3＝R4
均为敏感元件
R1 R1 R1 R2 R2 R2
R3 R3 R3
R4 R4 R4 且 R1 R2 R3 R4
( R1 R1 )( R4 R4 ) ( R2 R2 )( R3 R3 ) U0 Us U s ( R1 R1 R2 R2 )( R3 R3 R4 R4 )
R1 R1 R1
R2 R2 R2 且 R1 R2
则 U ( R1 R1 ) R4 ( R2 R2 ) R3 Us 0 ( R1 R1 R2 R2 )( R3 R4 )
1 U s 2
灵敏度
线性度
比单臂电桥高一倍
2.4 双差动电桥的工作特性
按输入电源分：
直流电桥、交流电桥、恒压源电桥、恒流源电桥
按被测电阻的接入方式分：
单臂电桥 —四个桥臂中只有一个桥臂是敏感元件， 其它均为电阻； 差动电桥 —四个桥臂中有两个敏感元件是相邻桥 臂，这两个敏感元件在测量对象中， 阻值变化大小相等，方向相反； 双差动电桥 --四个敏感元件，分成大小相等、方 向相反的两对。 相对臂电桥 —四个桥臂中两个敏感元件是相对桥 臂，变化大小相对，方向相同。
R1 R2
RW
U0
R3 R4
US
并联调零
R1 R2 RW R3 R4 U0
US
该方式应用于桥臂电阻R2、R4值较小的场合。此 时，Rw越大，对桥路影响越小。
2.7 交流电桥
采用交流电源 供电的电桥称为 “交流电桥”。 设 Z1＝z1ej1
Z1 Z2
UO
Z3 Z4
Z2＝z2ej2
Z3＝z3ej3 Z4＝z4ej4
R1
R2
U0
R3
R4
测量时，如温度变化两个应变片引起的电阻增 量不但符号相同，而且数量相同，根据电桥平衡条 件R1R4＝R2R3，电桥必然保持平衡。
2 应变片自补偿
使用特殊的应变片，使其温度变化的电阻增量等 于零或相互抵消，从而不产生测量误差。 这是利用某些电阻材料的温度系数有正负特性， 将这两种不同的电阻丝串联成一个应变片来实现的 温度补偿，其条件是这两段电阻丝栅随温度变化而 产生的电阻增量大小相等，方向相反。
线性度：

f

4


4(1 ) 4 若US＝RIS供电，灵敏度近似不变，非线性误差为 /2 )U s 4 4

1 灵敏度： K us U s 4
4 采用有源电桥方式
由
R R R+R
Us R R R R E0 (1 ) U s 2 R R
不平衡电桥
2.2 不平衡单臂电桥的工作特性
单臂R1为敏感元件变化的电桥输出为： R1 U0 Us R3 R2 R1 (1 )(1 )
R1 R4
对串联对称电桥： 由R1=R2,R3=R4,得 由
1 1 Q
1 U0 Us Us (2 ) 2 4 1
UB
U0不变
T
R1
Rt
U0不变
第二节 基本测量电路——电桥电路 2.1电桥概述
1〉电桥工作原理
R1
R2 U0
U 0 U R1 U R3 R1 R4 R2 R3 Us ( R1 R2 )( R3 R4 )
R3
R4
平衡条件：
R1R4 R2 R3 0
U0 0
US
2〉电桥分类
S
测量相对误差：
R l S R l S
∵ S r 2
∴ S 2rr
S r 2 即 S r
径向应变
r
金属导线在受应力拉长或缩短的时候,不仅
长度要变,面积也要发生变化。其电阻的变化如 何计算？
由材料力学知：横向应变 来描述：
与纵向应变
的关系可以用泊松系数
～
US
交流电桥平衡的条件是： z1z4＝z2z3 Z1Z4＝Z2Z3 1＋ 4＝ 2＋ 3
交流电桥的 调零要调两 个参数。
第三节 电阻应变片传感器的应用
第三节 电阻应变片传感器的应用
(1)力及扭矩的测量 柱式转换法