传感器第5章+电阻应变式传感器

作用：感应变的变化大小。 3）覆盖层：作用，防潮、防蚀、防损等。 4）引线：通常取直径约为0.1～0.15mm的低阻镀锡铜线。
To 4.1.2
5.1.3 电阻——应变特性
由物理学可知，一根金属丝的电阻为：
R L
F
式中：R－金属丝的电阻；ρ－金属丝的电阻率；L－长度
F－截面积，
F r2
取一段金属丝如下图示，当金属丝受拉力F时，其L、F、ρ和R 的变化分别为dL、dF、d ρ和dR。
应变片
光刻腐蚀成形再粘贴。
但温度，时间稳定性较差。
特殊用途
ε=(2~5)×105με 大 应 变 的 应 变 片 、 防水、防磁等应变片。
To 4.1.6
5.2.2 电阻应变片的参数
1)应变片电阻值（R0 ）：指未安装的应变片且不受 外力时，在室温条件测定的电阻值
有60，120，350，600和1000Ω的各种阻值 ；
R L / S
To One
金属丝的电阻为什么会随着其发生的应变而变化呢？
：因为金属的电阻与材料的电阻率及其几何尺寸（包括长度、面积）有
关，金属丝在承受机械变形的过程中，三者都要发生变化，因而引起金
属丝的电阻变化。
R L
F
5.1.2 电阻应变片的结构
1）基底：固定敏感栅及绝缘；0.02～0.04mm厚；纸质或胶质。 2）电阻丝：金属丝绕成栅状，敏感栅。d=0.015～0.05mm。
5.5 电阻应变式传感器的应用
传感器使用时有两种情况： 作为敏感元件（直接感受被测量），直接将应变片粘贴在被 测件上，测量应力或应变 作为传感元件，粘贴在弹性元件（敏感元件）上，测量力、 位移、速度、加速度
限为400MN/m2，弹性模量为200GN/m2的钢件上， 1）当应力等于弹性范围的1/10时； 2）如果应变片材料为康铜丝（α=20×10-6Ω/Ω ℃，膨
胀 系 数 为 12×10-6m/m℃ ， 钢 膨 胀 系 数 为 16×10-6m /m℃），温度变化20℃；
试分别计算此应变片的电阻变化。
Rt Rt Rt R0t R0K (试 丝)t
总的附加应变
t
Rt / R0 K
t
K
(试
丝)t
因此，由于温度变化引起附加电阻变化造成了虚假应变，从而给测量 带来误差。这个误差除与环境温度有关，还与应变片本身的性能参数（K， α，β丝）及试件的线膨胀系数有关。
计算举例
例： 有一个电阻为120Ω，K=2的应变片，粘贴在弹性极
2)绝缘电阻：指已安装的应变片引线与被测试件间的 电阻，即敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于 1010 Ω(1万M) ；
To One
3)灵敏系数K：是应变片的重要参数，其误差大小是衡量 应变片质量优劣的主要标志。一般 要求K大而稳定 ；
4)最大工作电流 ：指允许通过应变片而不影响其工作的 最大电流，一般为25mA ；
5)应变极限 ：测量最大的应变值 ； 6)机械滞后、零漂和蠕变
To One
5.3 电阻应变片的温度误差及其补偿
由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。
5.3.1 温度误差产生的原因
（1）应变片电阻丝的电阻随温度变化
敏感栅的电阻丝阻值随温度变化值 Rt R0 (1 t)
单臂电桥灵敏度最低， 且存在非T线o 4.1.性7 误差。
若应变片承受应变很大，R / R就不能忽略
U 0
U 2
R / R 2 R / R
非线性误差
U0 U0 1 2 R
U0
2 R / R 2R
可见，测量应变越大，非线性误差越大。
2) 双臂半桥
工作时，两个相邻臂接入应变片 R1 R1 R1, R2 R2 R 2 , R1 R 2 R3 R4 R, R1 R 2 R
试件长度变化值
lt2 lt2 l0 l0试t
如果丝 试，则lt1 lt2
若丝 试，应变丝被迫从lt1拉长至lt2，使应变丝产生附加变形,即 lt lt2 lt1 l0 (试 丝 )t
折合成应变
t
lt l0
(试 丝 )t
折合成电阻 Rt R0K (试 丝 )
因此，由于温度变化引起的总电阻变化
To 4.1.2
5.1.4 电阻应变片的横向效应
将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变片敏感栅的 电阻变化较直的金属丝小，从而其灵敏系数较直的金属丝灵敏系数小 的现象。
在半圆弧段受到应变而 引起的电阻变化将小于 沿轴向安放的同样长度 电阻丝电阻的变化。
5.2 电阻应变片的种类和主要参数
5.2.1 电阻应变片的种类 1）丝式应变片 A、回线式应变片 B、短接式应变片 2）箔式应变片 3）薄膜应变片 4）半导体应变片
代入（5 - 23），电桥输出电压
U0
1U 2
R R
双臂电桥灵敏度相对单臂 电桥提高一倍，且不存在 非线性误差，还可起到温 度补偿的T作o 4.1.用7 。
3) 全桥
工作时，4个臂接入应变片，且变化相同者接相对两臂 R1 R1 R1, R2 R2 R 2 , R3 R3 R 3, R4 R4 R 4 ,
1) 单臂电桥
工作时，一个臂接入应变片
R1 R1 R1, R1 R 2 R3 R4 R, R1 R
U0
R R U 2R(2R R)
U 2
R / R 2 R / R
当 R 1，即应变片变化参数很小 R
电桥输出电压
1 R
U0
U 4
R
可见，电桥电压越高，电压灵敏度越高。
但供桥电压的提高受到应变片允许功耗的限制
To 4.1.3
薄膜应变片
金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等 方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形 成应变片。
这种应变片有较高的灵敏度系数；稳定性高，电阻温度系 数小，工作温度范围较广；允许电流密度大。
To 4.1.3
半导体应变片 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。 压阻效应：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。
To One
5.4 电阻应变式传感器的信号调理电路
目的：将应变片电阻变化转化为电压或电流的变化。
5.4.1.测量电桥的工作原理
1。直流电桥
To 4.1.7
当输出端不接负载，即R L
U0
（ R1 R1 R2
-
R3 R3 R4
）U
（R1
R1R 4 R 2R3 R 2）（R3
R
）U
4
当电桥平衡时，U0 0
dR
F
dL
L
F2
dF
L F
d
dR dL dF d R LF
F r 2, dF 2rdr
则 dF 2 dr Fr
轴向应变 x
dL L
径向应变 y
dr r
则 y -x
所以
dR R
（1
பைடு நூலகம்
2） x
d
/
灵敏系数
➢ 金属丝的灵敏系数Ks
Ks dR / R (1 2 ) d /
x
x
由（5 - 20），[ K (试 丝 )]t 0 K(试 丝)
被测试件材料选定后，只要选择合适的应变片敏感栅材料，使α满足上 式，就可实现温度自补偿。 缺点：一种α值的应变片只能在一种材料上使用，局限性较大。
To One
b.双金属敏感栅自补偿应变片
制作应变片时，敏感栅采用两种不同温度系数的金属材料，一个为正，一 个为负，将二者串联绕制，当温度变化时两者产生的电阻将相互抵消。
To 4.1.5
5.3.2 温度补偿方法
1。桥路补偿法
R1：工作应变片，贴于试件上
R2：补偿应变片，贴于与试件材 料相同的补偿块上。工作中补偿 块不承受应变。
工作中R1和R2由于温度变化引起的
电阻变化△R1= △ R2 ，在桥路中
相互抵消。
To One
2。应变片自补偿法 a.选择式自补偿应变片
温度自补偿条件： 当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消
➢ 电阻应变式传感器的发展历史 1856年：发现金属材料的应变效应； 1931年：制成第一片应变片； 1940年，发明应变式传感器。
➢ 应变式传感器举例 可测力、压力、应力、位移、加速度。
To One
5.1 电阻应变片的工作原理
5.1.1 金属的应变效应
金属丝（导体）在外力作用下发生机械变形时，其电 阻发生变化，此种现象称为金属的电阻应变效应。
To One
丝式应变片
回线式应变片
短接式应变片 克服了回线式应变片的横向效应， 但在振动、冲击条件下焊点处易出 现疲劳。
To 4.1.3
箔式应变片 利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度 一般在0.003～0.010mm，粘贴在基片上，上面再覆盖一层 薄膜而制成。其优点是敏感栅可制成任意形状；表面积和截 面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大；横向效应 可以忽略；蠕变、机械滞后小，疲劳寿命高。
成
应大，散热差。
敏感栅轴向用高ρ丝，横向用低l 横向效应小，可做成双丝温度白补偿，
丝材料组合而成
适中、高温，但N,εlin低
敏感栅用厚3～10μm的铜镍合金 尺寸小，品种多，静、动特性及散热性
箔光刻而成
均好。工艺复杂，常用常温。
半 导 体 式 由单晶半导体径切型，切条、 灵敏系数比金属大50～80倍，动特好；
R1 R 2 R3 R4 R, R1 R 2 R 3 R 4
电桥输出电压
U0
R U R
全桥灵敏度最高，不存
在非线性误差，且和双
臂电桥一样能起到温度
To 4.1.7
补偿作用。
2。交流电桥
电桥平衡条件 Z1Z4 Z2Z3 由Z ze j
即：相对臂阻抗模的乘积相等，相
z1z4 z2 z3 1 4 2 3 对臂阻抗角的和相等。
To 4.1.3
R R
(1
2) x
E x
R R
(1
2
E) x
E x
半导体应变片的灵敏系数K B
R /
x
R
E
半导体应变片突出优点：体积小、灵敏度高、频率响应范围很宽。 缺点：温度系数大、测量应变时非线性较严重。
各种应变片的特点
丝绕式 应变片
短接式 应变片
箔式 应变片
用耐用性不同合金材料绕制而 可适应不同温度，尤适高温，但横向效
为满足上述平衡条件，交流电桥各臂可有不同的组合。常用 电容、电感电桥，其相邻两臂接入电阻，而另外两臂接入相 同性质的阻抗，如都是电容或者都是电感。
R1
R2
C1
C3
R4
R3
交流电桥的预调节平衡： 一般既有电阻预调平衡，也有电容预调平衡
5.4.2 电阻应变仪
作用：将电桥输出信号放大，以便于显示和记录。 特点：灵敏度高、稳定性好、测量简便准确、可作多点远距离测量，
温度变化导致电阻丝电阻变化 Rt Rt R0 R0t
电阻变化折合成应变
t
Rt
/
R0
To
t
One
K
K
（2）电阻丝材料与被测试件材料线膨胀系数不同
温度变化时应变丝伸长量
lt1 l0 (1 丝t) l0 l0丝t
应变丝长度变化值
lt1 lt1 l0 l0丝t
温度变化时试件伸长量
lt2 l0 (1 试t) l0 l0试t
电桥平衡条件
R1R 4 R 2R3
To 4.1.7
H
R1
R5
R2
G
R3
R4
U0
工作时通常采用平衡电桥测量法：当被测量等于零时，电桥处于平衡状态，此时 指示仪表G及可调电位计H指示为零。当某一桥臂随被测量变化时，电桥失去平 衡。调节电位计H ，改变电阻R5触点位置，可使电桥重新平衡，电表G指针回零。 电位计H上的标度与桥臂电阻值的变化成比例，故H的指示值可以直接表达被测 量的数值。
第5章 电阻应变式传感器
5.1 应变片工作原理 5.2 应变片的种类和主要参数 5.3 应变片的温度误差及其补偿 5.4 传感器的信号调理电路 5.5 传感器的应用 5.6 本章小结
To Two
➢工作原理：基于应变片的应变效应。 ➢特点：
1）结构简单，使用方便，性能稳定、可靠。 2）易于实现自动化测量，如多点测量，远距离测量。 3）灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量。 4）可以测量多种物理量。
野外测量。
2.交流电桥电阻应变仪的结构和工作原理
当工作应变片感受到被测动态应变时，电桥输出一个微弱的的调幅波，调幅波的包 络线与被测动态应变相似。放大器将微弱的调幅波放大后输入相敏检波器，经相敏检波 器解调后得到应变包络线，再经过低通滤波器滤去载波，得到与被测动态应变信号相似 的放大信号，最后输给记录仪器。
可写成：
Ks R / R
x
可见，金属丝的灵敏系数由两个因素决定： 第一项，是由于金属丝受拉伸后，材料的几何尺寸发生变化而引起的； 第二项，是由于材料发生变形时，其电阻率发生变化引起的。
To 4.1.2
➢ 电阻应变片的灵敏系数K
K Ks
应变片的灵敏系数恒小于同一金属丝的灵敏系数，原因是横向效应。