电工学 第三章 电阻应变式传感器.
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
应采用什么接法，与单臂相比能提高多少？
1，邻臂，提高一倍
2 ，对臂，提高一倍
2、交流电桥
R2R4 R1R3 (R1 R2 )(R3 R4 )
ui
当 u0 0 时，称电桥平衡，此时：
R1R3 R2 R4 （直流电桥平衡条件）
通常采用全等臂形式工作，
即Rl＝R2＝R3＝R4=R0(初始值)。
半桥单臂式
R±ΔR
f(t)
直流电桥联接方式：
u0
R R (R R1)R (R R1 R)(R R)
6）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、
蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。
三、金属电阻应变式传感器的测量电路
应变或力的 变化
电阻式传 感器
（线性）
电阻的 变化
测量电路 电流或电压 的变化
（线性）
测量电路：把应变片的电阻变化转变为 电压或电流变化功能的电路。 常用应变片的灵敏度S值较小，所以电阻的变化范围很小，一般在 0.5Ω以下。如何能测量出这样小的电阻变化，选择测量电路也是 很重要的。 电阻的测量电路常使用电桥（直流电桥或交流电桥）. 电桥：是将电阻、电感、电容等参量的变化变化为电压或电流输 出的一种测量电路。
dR (1 2) S
R
其中：
dR
S：应变片的灵敏度， S
R 1 2
应变计
金属应变片
金属应变计有: 丝式和箔式 丝式：由金属电
阻丝盘绕或焊接 而成。 箔式：由金属电 阻箔采用光刻技 术制造
金属应变片：
dR S
R
金属电阻丝的电 阻相对变化量和 纵向应变呈线性 关系。 优点:线性好，稳 定性和温度特性 好. 缺点:灵敏度系数 小.
R4
R
R1
u1
U0
1 4
S ( 4
1)u1
u0 u1
1 4
S(
1
4
)
直流电桥联接方式：
半桥对臂式
R0±ΔR1 M f(t)
R0±ΔR4
U0
Ui
Uo
R 2R0
Ui
u0
R R (R R1)(R R3) (R R1 R R3)(R R)
u1
1 4
R1
R3 R
u1
1 4
S
(
1
3
三．电阻应变式传感器的优缺点（自学） 优点： 1．结构简单，使用方便，性能稳定、可靠； 2．易于实现检测进程的自动化和多点同步检测、 远距离测量和遥测 3．灵敏度高，测量速度快，适合静、动态测量； 4．可以测量多种物理量。 缺点：1.大应变状态下具有较明显的非线性；
2.输出信号较弱。
3－1 金属电阻应变式传感器
金属应变片的主要参数:
1）几何参数：标距L和丝栅宽度b，
制造厂常用b×L表示。标距L又称
基长，也就是敏感栅纵向长度，基长小的横向效应大，传递 形变差，一般为2～30mm。
2）电阻值：测试条件为未受力和室温下，应变计的原始电 阻值。有60Ω，120Ω，200Ω，…，以120Ω常用。
3）灵敏系数：单位应变引起的电阻变化，是应变片的主要 技术参数，通常通过试验法获得，一般为2左右。 4）允许电流：接入测量电路中允许通过的电流。 5） 绝缘电阻：敏感栅与基底之间的电阻值，一般大于 1010Ω。
第三章 电阻应变式传感器
概述
电阻式传感器：非电量电阻参数 电阻应变式传感器: 受力及变形电 阻参数 应变: 单位长度的变形。 应力：单位面积的内力。
电阻应变式传感器由电阻应变片、弹性元件和测量电路的部 分构成。电阻应变片又称电阻应变计，一般由敏感元件、基底、 引线、和覆盖层组成。
敏感元件也叫敏感栅。根据其材料不同，应变片可分为：金属电 阻应变片和半导体电阻应变片两大类。 工作原理：应用时将应变片粘结在被测试件表面上，当试件受力变 形时，应变片的敏感栅也随之变形，引起应变片电阻变化，通过测 量电路将其转换为电压或电流信号输出。
R ΔR
Ui
u0 u1
1 4
S(
1
3
2
4
)
Uo
R R0 U i
电桥的和差特性：
应变和： 邻臂应变极性相反，相对桥臂的应变极性相同。 应变差： 邻臂应变极性相同，相对桥臂的应变极性相反。 利用电桥的和差特性可以提高测量的灵敏度和进行温度补偿。
例如： ① 当两个应变片一个受拉，一个受压，为了提高其灵敏 度（输出），应采用什么接法，与单臂相比能提高多少？ ② 当两个应变片同时受拉，为了提高其灵敏度（输出），
一．金属电阻应变片
1．工作原理:基于金属导体的应变效应. 电阻应变效应：
金属导线由于受力产生变形（伸长或压缩）而发 生电阻变化的一种物理现象。
A
F
L
长度L，截面积A，电阻率ρ的金属丝，电阻为R：
R L
A
受力后其尺寸和电阻值都发生变化，有（取对数后再
微分）：LnR Ln LnL LnA
d LnR LnR dR 1 dR
)u1
u0 u1
1 4
S( 1
3
)
直流电桥联接方式：
全桥式
R±ΔR
f(t)
u0
(
R R2 )( R R4 ( R R1 R R3
) )(
( R R1 )( R R3 R R2 R R4 )
)
百度文库
u1
R0 ΔR
1 4
R1
R3
R2 R
R4
u1
R ΔR
U0
1 4
S
(1
3
2
4
)u1
按激励电压的性质分为直流电桥和交流电桥；
按照输出方式分为不平衡桥式电路和平衡桥式电路。以下以直流 电桥为例：
其中：
ui ：直流电源
R1
a
b
R2 d u0
c
R4
R3
ui
u0 ：电桥开路输出（开路电压）
以d点作为参考点：
u0 ua uc
ua uc
R2 R1 R2
R3 R3 R4
u1
u1
u0
R
dR dL dA d R LA
其中：
dL L
：电阻丝的纵向应变；
dr r
1
：电阻丝的横向应变，
dA A
2rdr r 2
2 dr r
21
d
L E：电阻率变化率（
L ：压阻系数，
与材料有关； E：电阻丝的弹性模量）。
dR R
21
L E
根据泊松比定理： 1
dR R
(1
2
)
L E
由此可见，电阻的变化是由两部分引起的： ⑴ 电阻丝的几何尺寸变化 ⑵ 电阻丝的电阻率变化 对于金属电阻丝而言，第⑵项很小，可忽略
ui
R
R
U0
R
1 4
u0 ui
R1 R
1 4
ui
S
1 4
S
ui
Ui
Uo
R 4R0
Ui
每个桥臂电阻变化值ΔRi《R0
直流电桥联接方式：
半桥邻臂式
R0±ΔR1
M
R0±ΔR4
R0
Ui
Uo
R 2R0
Ui
u0
(R R4 )R R(R R1) (R R1 R)(R R4 R)
u1
1 4
1，邻臂，提高一倍
2 ，对臂，提高一倍
2、交流电桥
R2R4 R1R3 (R1 R2 )(R3 R4 )
ui
当 u0 0 时，称电桥平衡，此时：
R1R3 R2 R4 （直流电桥平衡条件）
通常采用全等臂形式工作，
即Rl＝R2＝R3＝R4=R0(初始值)。
半桥单臂式
R±ΔR
f(t)
直流电桥联接方式：
u0
R R (R R1)R (R R1 R)(R R)
6）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、
蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。
三、金属电阻应变式传感器的测量电路
应变或力的 变化
电阻式传 感器
（线性）
电阻的 变化
测量电路 电流或电压 的变化
（线性）
测量电路：把应变片的电阻变化转变为 电压或电流变化功能的电路。 常用应变片的灵敏度S值较小，所以电阻的变化范围很小，一般在 0.5Ω以下。如何能测量出这样小的电阻变化，选择测量电路也是 很重要的。 电阻的测量电路常使用电桥（直流电桥或交流电桥）. 电桥：是将电阻、电感、电容等参量的变化变化为电压或电流输 出的一种测量电路。
dR (1 2) S
R
其中：
dR
S：应变片的灵敏度， S
R 1 2
应变计
金属应变片
金属应变计有: 丝式和箔式 丝式：由金属电
阻丝盘绕或焊接 而成。 箔式：由金属电 阻箔采用光刻技 术制造
金属应变片：
dR S
R
金属电阻丝的电 阻相对变化量和 纵向应变呈线性 关系。 优点:线性好，稳 定性和温度特性 好. 缺点:灵敏度系数 小.
R4
R
R1
u1
U0
1 4
S ( 4
1)u1
u0 u1
1 4
S(
1
4
)
直流电桥联接方式：
半桥对臂式
R0±ΔR1 M f(t)
R0±ΔR4
U0
Ui
Uo
R 2R0
Ui
u0
R R (R R1)(R R3) (R R1 R R3)(R R)
u1
1 4
R1
R3 R
u1
1 4
S
(
1
3
三．电阻应变式传感器的优缺点（自学） 优点： 1．结构简单，使用方便，性能稳定、可靠； 2．易于实现检测进程的自动化和多点同步检测、 远距离测量和遥测 3．灵敏度高，测量速度快，适合静、动态测量； 4．可以测量多种物理量。 缺点：1.大应变状态下具有较明显的非线性；
2.输出信号较弱。
3－1 金属电阻应变式传感器
金属应变片的主要参数:
1）几何参数：标距L和丝栅宽度b，
制造厂常用b×L表示。标距L又称
基长，也就是敏感栅纵向长度，基长小的横向效应大，传递 形变差，一般为2～30mm。
2）电阻值：测试条件为未受力和室温下，应变计的原始电 阻值。有60Ω，120Ω，200Ω，…，以120Ω常用。
3）灵敏系数：单位应变引起的电阻变化，是应变片的主要 技术参数，通常通过试验法获得，一般为2左右。 4）允许电流：接入测量电路中允许通过的电流。 5） 绝缘电阻：敏感栅与基底之间的电阻值，一般大于 1010Ω。
第三章 电阻应变式传感器
概述
电阻式传感器：非电量电阻参数 电阻应变式传感器: 受力及变形电 阻参数 应变: 单位长度的变形。 应力：单位面积的内力。
电阻应变式传感器由电阻应变片、弹性元件和测量电路的部 分构成。电阻应变片又称电阻应变计，一般由敏感元件、基底、 引线、和覆盖层组成。
敏感元件也叫敏感栅。根据其材料不同，应变片可分为：金属电 阻应变片和半导体电阻应变片两大类。 工作原理：应用时将应变片粘结在被测试件表面上，当试件受力变 形时，应变片的敏感栅也随之变形，引起应变片电阻变化，通过测 量电路将其转换为电压或电流信号输出。
R ΔR
Ui
u0 u1
1 4
S(
1
3
2
4
)
Uo
R R0 U i
电桥的和差特性：
应变和： 邻臂应变极性相反，相对桥臂的应变极性相同。 应变差： 邻臂应变极性相同，相对桥臂的应变极性相反。 利用电桥的和差特性可以提高测量的灵敏度和进行温度补偿。
例如： ① 当两个应变片一个受拉，一个受压，为了提高其灵敏 度（输出），应采用什么接法，与单臂相比能提高多少？ ② 当两个应变片同时受拉，为了提高其灵敏度（输出），
一．金属电阻应变片
1．工作原理:基于金属导体的应变效应. 电阻应变效应：
金属导线由于受力产生变形（伸长或压缩）而发 生电阻变化的一种物理现象。
A
F
L
长度L，截面积A，电阻率ρ的金属丝，电阻为R：
R L
A
受力后其尺寸和电阻值都发生变化，有（取对数后再
微分）：LnR Ln LnL LnA
d LnR LnR dR 1 dR
)u1
u0 u1
1 4
S( 1
3
)
直流电桥联接方式：
全桥式
R±ΔR
f(t)
u0
(
R R2 )( R R4 ( R R1 R R3
) )(
( R R1 )( R R3 R R2 R R4 )
)
百度文库
u1
R0 ΔR
1 4
R1
R3
R2 R
R4
u1
R ΔR
U0
1 4
S
(1
3
2
4
)u1
按激励电压的性质分为直流电桥和交流电桥；
按照输出方式分为不平衡桥式电路和平衡桥式电路。以下以直流 电桥为例：
其中：
ui ：直流电源
R1
a
b
R2 d u0
c
R4
R3
ui
u0 ：电桥开路输出（开路电压）
以d点作为参考点：
u0 ua uc
ua uc
R2 R1 R2
R3 R3 R4
u1
u1
u0
R
dR dL dA d R LA
其中：
dL L
：电阻丝的纵向应变；
dr r
1
：电阻丝的横向应变，
dA A
2rdr r 2
2 dr r
21
d
L E：电阻率变化率（
L ：压阻系数，
与材料有关； E：电阻丝的弹性模量）。
dR R
21
L E
根据泊松比定理： 1
dR R
(1
2
)
L E
由此可见，电阻的变化是由两部分引起的： ⑴ 电阻丝的几何尺寸变化 ⑵ 电阻丝的电阻率变化 对于金属电阻丝而言，第⑵项很小，可忽略
ui
R
R
U0
R
1 4
u0 ui
R1 R
1 4
ui
S
1 4
S
ui
Ui
Uo
R 4R0
Ui
每个桥臂电阻变化值ΔRi《R0
直流电桥联接方式：
半桥邻臂式
R0±ΔR1
M
R0±ΔR4
R0
Ui
Uo
R 2R0
Ui
u0
(R R4 )R R(R R1) (R R1 R)(R R4 R)
u1
1 4