应变式传感器ppt课件

BF-AB
BF-AA
BF-FB
BF-BB-A
BF-BB
BF-GB-C
BF-GB-A
BF-GB
BF-HA-E
BF-HA-B
BF-HA
BF-FG-C BF-FG-A BF-FG
BF-EB-A BF-EB
BF-14KA BF-10KA
BF-6KA
优点 ：
（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求， （2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 （3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。
RR 1R2(R3R4)R4R3(R 1R2) (R 1R2)(R3R4)
I L U R L ( R 1 R 2 )R 3 ( R 4 ) R 1 R R 4 1 R 2 R ( R 2 R 3 3 R 4 ) R 3 R 4 ( R 1 R 2 )
IL=0直流电桥平衡条件,平衡条件：
△R/R↑即ε↑→δ↑
（2.1.30）
电桥灵敏度
Ku

Uo R R

1U 4
ε=0、△T≠0→Uo ≠ 0， △RT1 对Uo有影响 ε ≠ 0、△T≠0→Uo ≠ 0， 且△RT1 对Uo有影响
减小非线性误差采用的措施为：
（1）采用半桥差动电路 R1＋⊿R1
R2－⊿R2
U0
F
R1
R3
R4
U
R2
单臂电桥，即R1桥臂变化ΔR，
U
实际输出电压
U 0U 4R R 2 RU 4 R R 11 2 R R 1
（2.1.28）
UO与△R/R呈非线性关系，即UO与ε 呈非线性关系。
理想的线性关系
U0'
U 4

R R
（2.1.29）
电桥的相对非线性误差为
U U 0 0 ' 1 1 1 2 R R 1 1 1 1 2 R R 1 1 2 R R 1 2 K
优点：容易加工，成本低。 缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。
• 双金属敏感栅自补偿应变片
敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成。
选用两者具有不同符号的电阻
温度系数的电阻丝，调整R1和R2的 比例，使温度变化时产生的电阻变
R1 R2
化满足
图2.1.5双金属丝栅法
(R 1)t (R2)t
R 1 R 2t/R 22K 2( g2)
R 2 R 1t/R 1
1K 1( g1)
通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的 温度自补偿，可达±0.14 με /℃的高精度 。
例如：当R1长度一定时，可求得R2值及长度。
③热敏电阻补偿
R5 分流电阻
R1＋⊿R
相应的虚假应变输出为
T R K T0 /R 0K 0 T(gs) T（2.1.16）
（2）温度补偿方法
温度补偿
线路补偿法〔电桥补偿法、热敏电阻〕
自补偿法 单丝自补偿法
组合式自补偿法
① 电桥补偿法
R1
Rb
U0
R3
R4
F
R1
F
Rb
U
U o U R 1R 1 R B U R 3 R 3 R 4 U (R 1 R 1 R R 4 2 ) R R ( 3 B R 3 R 4 )
敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。敏感 栅材料的电阻温度系数为α , α 表示温度改变
1°C时电阻的相对变化。当环境温度变化△T 时，
则引起的电阻相对变化为
其中 RTR0(1T) （2.1.8）
TTT0
R T R T R 0R 0 T（2.1.9）
②试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响
高阶微量，则
U0U 4 R R1 R R2 R R3 R R4
U0U 4K 1234
上式表明：
① ΔRi<< R时，电桥的输出电压与应变ε 成线性关系。 ②若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压
应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应 变极性不同，则输出电压为两者之和。 ③若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之 和；反之则为两者之差。
U 0U [R 1R R 1 1 R R 21 R 2R 3R 3R 4]
等臂电桥R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR
T
lT l0
(g
s)T
R T R 0 K 0T R 0 K 0 (gs) T
可得由于温度变化而引起的总电阻变化为
R T R T R T R 0 T R 0 K 0 (g s ) T （2.1.15）
a. 选择式自补偿应变片 b. 双金属敏感栅自补偿应变片
•选择式自补偿应变片
由式(2.1.16)可知，实现温度补偿的条件为
TK T(gs)T0
当被测试件的线膨胀系数β g已知时，通过选择敏 感栅材料， 使下式成立
K(gs)
即可达到温度自补偿的目的。
(2.1.21)
金属电阻的灵敏系数
R(12E)
R
k0R R12E
1 2
k 0 E
引起材料的几何尺寸变化 引起材料的电阻率ρ变化
金属材料：k0以前者为主，则k0≈1+2μ=1.7~3.6
半 导 体： k0以后者为主，则k0≈λE ≈50~100
R R

k0
2. 应变片的基本结构与种类
金属丝式应变片
图2.1.2金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线
（H）形应变片
金属箔式应变片 在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电 阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制 成适用于各种需要的形状
图2.1.3箔式电阻应变片
LANHE佛山兰和传感器有限公司
直线段：沿轴向拉应变εx，电阻↑
圆弧段：沿横向压应变εy 电阻↓
K↓
εy
εx
(箔式应变片)
εy
应变片的横栅部分电阻变化减小，从而降低 了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其 大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅 愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的 影响愈小。
（1）温度误差 ①电阻温度系数的影响
散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。 （4）横向效应可以忽略。 （5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。
金属薄膜应变片
采用真空蒸发或真空沉积或溅射等方法在薄 的绝缘基片上形成厚度在0.1μ m以下的金属电阻 材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化 批量生产 。
优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大， 工作范围广，易实现工业化生产。
ε——导体的纵向应变，1微应变=10-6应变； μ——材料的泊松比， - d /d 一般金属μ=0.3~0.5；
l /l
λ——压阻系数，指材料受到应力作用时，电阻率发 生变化的现象，与材质有关；
σ——应力，材料在外力作用下不能产生位移， 材料发生形变，内部产生了大小相等但方向相反 的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反 作用力称为应力； E——材料的弹性模量，表征材料抗拉或抗压的 物理量，ε=σ/E。
采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R 。此时式 (2.1.24)可写为
U 0 U R ( R 1 ( 2 R R 2 R 1 R 3 R 2 ) R 2 4 R ) ( R R 1 3 R 4 R 4 ) R 2 R 3 当ΔRi<< R ( i=1,2,3,4) 时，略去上式中的
丝绕式
敏感栅 直径为0.025mm左右的合金电阻丝 基 底 绝缘 覆盖层 保护
位移、力、力矩、加速度、压力
应变
弹性敏 感元件
2. 应变片的基本结构与种类
外力作用 被测对象表面产生微小机械变形
应变片敏感栅随同变形 电阻值发生相应变化
应变片的类型和材料 回线式
金属丝式 短接式 金属箔式
金属薄膜式
问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系。
2.1.2 金属应变片的主要特性
1.应变片的灵敏系数 2.横向效应 3.温度误差及其补偿
应变片的电阻值 R 应变片在未经安装也不受外力情况下，于室
温下测得的电阻值 。 电阻系列：60、120、200、350、500、1000Ω
电阻值大可以加大应变片承受电压，从而输出 信号大，敏感栅尺寸也增大 。
第2章电阻式传感器原理与应用
2.1 应变式传感器 2.2 压阻式传感器
2.1 应变式传感器
2.1.1 金属电阻应变片的工作原理 2.1.2 金属应变片的主要特性 2.1.3 测量电路 2.1.4 应变式传感器应用
2.1.1 金属电阻应变片的工作原理
1.金属的电阻应变效应
电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发 生机械变形时其电阻值将发生变化。
1. 应变片的灵敏系数
k R/ R

“标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试件 材料为泊松系数μ=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5 ％的产品来测定，取平均值及允许公差值。 电阻应变片的灵敏系数K < 电阻丝的灵敏系数K0
粘结层传递变形失真； 原因：
还存在有横向效应
2. 横向效应
敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成
R1R4=R2R3
R1/R2=R3/R4
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不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度
当电桥后面接放大器时，电桥输出端看成 开路。电桥的输出式为：
U0(R1R 1R R42)(R R32R 3R4)U
应变片工作时，其电阻变化Δ R
U 0 U ( ( R R 1 1 R R 1 1 ) R R ( 4 2 R R 4 ) 2 ) R (R 3 (2 R R 3 2 )R R 4 ( 3 R R 4 3 ) )
R2 Rt
U
R3
R4
U0
T↑→K↓ Ui T ↑ →Rt ↓ → URt ↓
U ↑=( Ui - URt↓) →U0↑
2.1.3 电阻应变片的测量电路
1 电桥电路的工作原理 2 非线性误差及其补偿
1. 电桥电路的工作原理
直流电桥的工作原理
UoRLU(R1R 1R R42)R (R32R 3R4)RL
当温度变化△t时，因试件材料和敏感栅材料的线
膨胀系数β不同， β表示温度改变 1 ℃时长度的相对变
化应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相
对变化 。
lT 1lT 1l0l0 s T
lT2lT2l0l0 g T
lT lT 2 lT 1 l0 (gs) T
Uo AR1R4
R1 R1K
UoA1RR4K
优点： 简单、方便，在常温下补偿效果较好
缺点：
在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工 作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影 响补偿效果。
② 应变片的自补偿法
粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当 温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消， 这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应 变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。
④电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是， 当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过 电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器 就会出现蠕变和零漂。
⑤增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的 输出电压。
2.非线性误差及其补偿
R1+⊿R1
R2
IL
RL
等臂电桥R1=R2=R3=R4=R
R4 R3
R＝ l
A
F Δ l、Δ A 、Δρ Δ R
d
R Ad lA l2d
A l d
A
电阻的灵敏系数
Rl A R l A
对于半径为r的圆导体，A=πr2，ΔA/A=2Δr/r，又
由材料力学可知，在弹性范围内，
l / l , r / r , / E
U 0A(R 1R4RBR 3)
（Hale Waihona Puke .1.17）工程上，一般按R1=RB=R3=R4选取桥臂电阻， 称为等臂电桥。
U 0 A [ ( R 1 R 1 t) R 4 ( R B R B t) R 3 ] 0
当被测试件有应变ε的作用，则
U o A ( R 1 R 1 t R 1 ) R 4 ( R B R B ) R 3 t0