传感器原理与应用第四章：电阻应变传感器.ppt

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1、第一节 电阻应变片,第二节 基本测量电路电桥电路,第三节 电阻应变片传感器的应用,第四章 电阻应变式传感器,学 习 要 求,1、掌握电阻应变片的工作原理,2、掌握电阻应变式传感器的检测方法,3、熟悉不同种类直流电桥的输出特点,4、熟悉电阻应变式传感器的典型应用,5、学习和掌握电阻应变传感器的创新应用,电阻应变式传感器是将被测量的应力（压力、荷重、扭力等）通过所产生的金属弹性形变转换成电阻变化的检测元件。,它由电阻应变片和测量线路两部分组成。目前应用最广泛的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片。,第一节 电阻应变片,各种金属应变片花,1.1 应变电阻效应,导体产生机械变形时，电阻值发生变

2、化的现象称为“应变电阻效应”。,金属丝受力拉长，截面积S变小，由 知，R将增大。,测量相对误差：,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 与纵向应变 的关系可以用泊松系数 来描述：,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0.0150.05mm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60150,对于大多数金属材料，泊松系数 所以ks的数值在1.44.8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

3、传感器，即为电阻应变片。,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：,RTRT0 1+T（TT0）,温度系数T4.2810-3/,温度变化1时，RTRT0（1+T），即，,R/R(RTRT0)/RT0=22140,比较R/Rksl=2l（假设KS2）,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(110-6),1.3温度补偿措施,将两个特性相同的应变片，

4、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。,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R1R4R2R3，电桥必然保持平衡。,应变片R1测量元件,应变片R2温度补偿元件,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。,即,或，,这种温度补偿方法给应变片的应用带来了方便，但不易达到理想的效果，而且成本较高

5、。,将热敏电阻Rt置于应变片相同的温度下，可以进行温度补偿，有下列多种方式：,B,2.1电桥概述,1电桥工作原理,平衡条件：,第二节 基本测量电路电桥电路,2电桥分类,直流电桥、交流电桥、恒压源电桥、恒流源电桥,四个桥臂中只有一个桥臂是敏感元件，其它均为电阻；,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；,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。,-四个敏感元件，分成大小相等、方 向相反的两对。,a)对称电桥,R1 R2,R3 R4,R1R3，R2R4,R1R2R3 R4,b)不对称电桥,不满足上述条件的电桥,满足R1R4R

6、2R3,又称“全对称电桥,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：,对串联对称电桥：,由R1=R2,R3=R4,得,由(Q是微小量)可展成泰勒级数：,所以得：,忽略后一项2/8，得,理想输出,电桥电压灵敏度：,非线性度：,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 f3,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：,且,则,灵敏度,比单臂电桥高一倍,线性度,R1和R2为敏感元件,2.4 双差动电桥的工作特性,灵敏度,比差动电桥高一倍,线性度,且,2.4 相对臂电桥的工作特性,设,得,

7、灵敏度较高，但非线性误差较大，常用于极性显示。,2.5 提高不平衡电桥输出线性度的方法,当RLR0,电桥输出电阻,等臂电桥：,若,R1为敏感元件，有：,由,得,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。若不平衡，则须调零。一般有两种调零方式：,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。,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 Z1z1ej1,交流电桥

8、平衡的条件是：,Z1Z4Z2Z3,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,(1)力及扭矩的测量,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。,第三节 电阻应变片传感器的应用,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。,(3)流体压力的测量,测量原理：,应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置,应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,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2500N.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。,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？,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,3、电阻应变传感器的典型应用和创新应用,