(可直接使用)2电阻式_应变片(改).ppt

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箔式应变片
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2、温度效应 应变片由于温度变化所引起的电阻相对变化〔虚假应变〕，
称此现象为温度效应。
1〕产生原因
I、温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变。
敏感栅的温度特性：
Rt＝R〔1＋αtΔt〕； ΔRt=Rt－R＝αtRΔt II、试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产 生附加变形。
当温度变化时，R1、RB都发 生变化，但由于R1、RB完全一 样、工作环境一样，那么由于 温度产生的附加电阻变化， ΔR1、ΔRB符号、数值均相等， 电桥仍平衡，故无输出。
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〔四〕应用举例
电阻应变片除可测量试件应力之外，还可 制造成各种应变式传感器用于测量力、荷重、 扭矩、加速度、位移、压力等多种物理量。
UO
(1nnR1)(1n)
R1U R1
R1
因为一般有ΔR1<< R1，那么忽略非线性项：
UO
(1nn)2
R1 R1
U
结论：电桥电压灵敏度ku
ku
UO R1
n
U
(1 n)2
R1
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电桥电压灵敏度ku
ku
UO R1
(1
n n)2
U
R1
提高电压灵敏度ku的方法：
可见ku正比于电桥供电电压，U越高，ku越高。但供桥 电压越高，功耗也越大，故U应适中选择。同时ku与n也有 关，故必须适宜的桥臂比。
由于试件材料与应变片材料线膨胀系数不同，在同样的温度增量时， 二者的伸长量也不一样，会使应变片产生附加变形
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2〕温度误差补偿方法
应变片由于温度效应而产生的误差称为温度误差。
温度误差补偿法：
I、单丝自补偿法 选择自补偿应变片：根据试件选用适宜的敏感栅材料，
使其电阻温度系数α对输出的影响恰好抵消附加应变对输 出的影响。
臂工作〔电桥〕，两个臂接入应变片时称半桥，四个臂均
为应变片时称全桥。
B
Io
R1
R2
＋
A R3
C
R4 D
RL Uo －
E
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1、直流电桥
⑴平衡条件：R1·R4＝R2·R3或R1/R2＝R3/R4，即相对臂乘积 相等，相邻臂比值相等。此时流过负载电阻的电流为0。
⑵单臂电桥的电压灵敏度 设R1为应变片，其余为固定电阻。RL为放大器的输入阻抗，
为常数。
k0 (12)
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(二)金属应变片的特性
1、横向效应 直线金属丝受拉伸时与圆弧金属丝拉伸 情况不同，圆弧金属丝受拉抻时，有垂直于轴线方向压应 变，但此压应变会使圆弧段金属丝直径增加，从而使该段 面积增加，所以电阻减小。因此圆弧段的电阻变化将小于 直线段电阻变化，直的金属丝绕成敏感栅后，灵敏系数有 所降低。这种现象称为横向效应。
为求ku的最大值，可对n求偏微分。那么当该式为0时有
极值。当n＝1时， ku为最大。即当R1＝R2；R3＝R4时，ku
最大。此时有
ku
1U 4
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⑶非线性误差及其补偿方法
前述分析中忽略ΔR1 / R1，这是一种理想情况。假设ΔR1 / R1 不可忽略，那么实际输出电压Uo与ΔR1 / R1是非线性的。
R1 R1
UO UO ' R1 R1
UO '
1 R2 1 n
R1
可见ΔR1 / R1较大，非线性误差也较大。 常用的减小非线性误差的方法有：
a、提高桥臂比
由上式可见提高R2 / R1〔即桥臂比n〕能减小非线性误差。
但由于提高n，ku将下降。故为了既能减小非线性误差又不会
使ku下降太多，通常适当提高供桥电压E。
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全桥差动方式：4个应变片，两个受拉，两个受压，将应 变符号一样的接入相对桥臂上。
Uo UR1 R1 ku U
采用差动方式工作时，电桥无非线性误差。同时ku提高， 半桥比单臂工作ku提高了一倍，而全桥又比半桥提高了一倍。1︵81。h︵， Nhomakorabea15
(4)温度误差的电桥补偿法
采用电桥如图，R1为工作片，RB为补偿 片。工作片贴在试件上，而补偿片贴在材料、 温度与试件一样的补偿块上，R3、R4为固定 电阻。
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2、电阻应变片的构造和工作原理 1)根本构造〔丝绕式〕
当测试应变或应力时，将应变片贴于被测对象上，当被测对象产生变
形时，应变片也发生相应变化。此时测出电阻值的变化ΔR即可得到应 变值ε。
再由虎克定律：σ＝E·ε 即可得到应力值。(应力：F/S)
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2) 电阻应变效应和灵敏系数〔电阻丝〕 灵敏系数——单位应变所能引起的电阻的相对变化。
在外力作用下，电阻丝的电阻变化为
R R ll S S ll 2 rr 2 '
电阻丝的轴向应变 l l
横向应变 ' r r
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在弹性范围内金属的轴向应变ε与横向应变ε＇成正比，即有： μ＝－ε＇/ε；称μ为泊松比或横向变形系数。有：
R(12)
R
k0R /R(12) /
k0为金属丝的应变灵敏系数。 k0受两个因素的影响： ①第一项〔1＋2μ〕，这主要是金属受拉伸后，材料几何 尺寸发生变化引起——金属应变效应。其值由材料决定。 ②第二项是由于受力后，材料的电阻率变化引起--半导体 压阻效应。其值比第一项小很多，可以忽略。
结论： 当金属丝的变形在弹性范围内时，有
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b、采用差动电桥 采用差动电桥时一般有半桥差动和全桥差动两种方式。 半桥差动方式：两个工作应变片如图中R1、R2，一个
应变片受压，一个受拉，那么应变符号相反。同时，测试 时将两个应变片接入相邻的桥臂上，那么输出电压Uo为：
Uo
U 2
( R1 ) R1
ku
1U 2
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即单臂工作。 放大器输入阻抗可以比电桥的输出电阻高得多，看成开路。
UO
U
( R1 R1 R1 R1 R2
R3 R3 R4
)
R4 R1
R3 R1
U
(1 R1 R 2 )(1 R 4 )
R1 R1
R3
R1 A
R3
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B
Io
R2
C
R4 D
E
＋ RL Uo
－
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设桥臂比R2∶R1＝R4∶R3＝n
除了横向效应外，由于整条金属丝所承受的应变不均 匀〔①圆弧段金属丝未参与承受轴向形变，②轴向的金属 丝在承受轴向形变时应力分布不均匀〕，也使得实际应用 中的应变片的灵敏系数要小于理论灵敏系数。
实际灵敏系数的标定
实际使用中，应变片的灵敏系数一般通过实验获得，且须
按生产批次进展抽样实验。
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二金属应变片的特性1横向效应直线金属丝受拉伸时与圆弧金属丝拉伸情况不同圆弧金属丝受拉抻时有垂直于轴线方向压应变但此压应变会使圆弧段金属丝直径增加从而使该段面积增加所以电阻减小
二、应变片式电阻传感器
(一)电阻应变片的工作原理
1、金属的应变效应 金属丝的电阻随着它所受的机械变形〔拉伸或压缩〕的大小 而发生相应变化的现象称为金属的应变效应。 R＝ρl/S；在外力的作用下ρ、l、S变化，故R发生改变。
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R1、R3串接，R2、R4串接，粘贴于相对臂，减小弯矩影 响。横向应变片作为温度补偿。
圆柱式力传感器
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梁式力传感器
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加速度传感器
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作业：
2.2 2.10
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II、双丝自补偿法 利用两种电阻丝材料的电阻温度系数不同，一个为正，
一个为负，使二者互相抵消。
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〔三〕应变式电阻传感器的测量电路
电桥有直流电桥和交流电桥。各种类电桥中，假设电 桥各臂为R1、R2、R3、R4。当四臂相等时，称为等臂电 桥。
假设电桥一个臂接入应变片，其余为固定电阻时，称单