《应变电阻传感器》PPT课件.ppt

本章主要内容：本章主要内容： 1、电阻应变片的工作原理、电阻应变片的工作原理 2、电阻应变片的种类及特点、电阻应变片的种类及特点 3、电阻应变传感器测量电路、电阻应变传感器测量电路 4、电阻应变传感器命名与选择、电阻应变传感器命名与选择 5、电阻应变传感器应用、电阻应变传感器应用第第2章章 应变电阻传感器应变电阻传感器2.12.1电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理Ø电阻应变片电阻应变片简称应变片，是一种能简称应变片，是一种能将试件上的应变变化转将试件上的应变变化转换成电阻变化换成电阻变化的传感元件，其转换原理是基于金属电阻丝的传感元件，其转换原理是基于金属电阻丝的电阻应变效应的电阻应变效应 Ø电阻应变效应电阻应变效应是指金属导体（电阻丝）的电阻值随变形是指金属导体（电阻丝）的电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改变的一种物理现象伸长或缩短）而发生改变的一种物理现象Ø原因：原因：因为金属丝的电阻和材料的电阻率与其几何尺寸有因为金属丝的电阻和材料的电阻率与其几何尺寸有关，而金属丝在承受机械变形的过程中，它们都要发生变关，而金属丝在承受机械变形的过程中，它们都要发生变化，因而引起金属丝的电阻变化。

化，因而引起金属丝的电阻变化 一、电阻应变效应现象观察一、电阻应变效应现象观察 设有一段长为设有一段长为L L，截面积为，截面积为A A，电阻率为，电阻率为ρρ的导体的导体( (如金属丝如金属丝) )，，它具有的电阻为它具有的电阻为                                             当电阻丝受到拉力当电阻丝受到拉力F F作用时作用时, , 将伸长将伸长ΔL, ΔL, 横截面积相横截面积相应减小应减小ΔA, ΔA, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变电阻率将因晶格发生变形等因素而改变ΔρΔρ等式两边取微分，得等式两边取微分，得A=π r 2 根据材料力学的知识，杆件在轴向受拉或受压时，其纵根据材料力学的知识，杆件在轴向受拉或受压时，其纵向应变向应变e e与横向应变与横向应变e e r的关系的关系式中式中 e e ——金属金属丝丝材料的材料的纵纵向向应变应变 e e r——金属金属丝丝材料的横向材料的横向应变应变 m m ——为为金属材料的泊松比金属材料的泊松比 金属金属丝电丝电阻率的相阻率的相对变对变化与其化与其轴轴向所受向所受应应力力s s 有关，即有关，即 式中：式中：E ——金属金属丝丝材料的材料的弹弹性模量性模量 l l ——压压阻系数，与材料有关阻系数，与材料有关 dr r/r r —金属金属丝电丝电阻率的相阻率的相对变对变化量化量  由式子可知由式子可知电电阻相阻相对变对变化量是由两方面的因素决定的。

化量是由两方面的因素决定的 一是由金属一是由金属丝丝几何尺寸的改几何尺寸的改变变而引起，即（而引起，即（l+2m m））项项；另；另一是材料受力后，材料的一是材料受力后，材料的电电阻率阻率r r 发发生生变变化而引起，即化而引起，即l lE项项 对对于特定的材料，（于特定的材料，（l+2m m+l lE）是一常数，因此，式）是一常数，因此，式子子所表所表达的达的电电阻阻丝电丝电阻阻变变化率与化率与应变应变成成线线性关系，性关系，这这就是就是电电阻阻应变计测应变计测量量应变应变的理的理论论基基础础 对金属材料对金属材料，， K K0 0以前者为主，则以前者为主，则K K0 0≈ 1+2≈ 1+2μμ；；对半导体对半导体，， K K0 0值主要由电阻率相对变化所决定值主要由电阻率相对变化所决定实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比通常轴向应变成正比通常K K0 0在在1.81.8～～3.63.6范围内。

范围内 K0为单为单根金属根金属丝丝的灵敏系数，其物理意的灵敏系数，其物理意义为义为：当金属：当金属丝发丝发生生单单位位长长度度变变化（化（应变应变））时时，其大小，其大小为电为电阻阻变变化率与其化率与其应变应变的的比比值值，亦即，亦即单单位位应变应变的的电电阻阻变变化率2.2.1 2.2.1 应变片的基本结构应变片的基本结构2.2.2 2.2.2 电阻应变片的种类电阻应变片的种类2.2.3 2.2.3 电阻应变片的选用及命名规则电阻应变片的选用及命名规则 2.22.2电阻应变片的种类电阻应变片的种类( (自学了解自学了解) )1 1．电阻丝应变片：．电阻丝应变片：．电阻丝应变片：．电阻丝应变片： 图图 金属丝式应变片的内部结构金属丝式应变片的内部结构图图 金属丝式应变片制作示意图金属丝式应变片制作示意图2 2．金属箔式应变片：．金属箔式应变片：．金属箔式应变片：．金属箔式应变片： 金属箔式电阻应变片金属箔式电阻应变片金属箔式应变片的外形金属箔式应变片的外形 电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻技术、腐蚀等工序制成的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻技术、腐蚀等工序制成的一种很薄的金属箔栅。

金属箔的厚度在一种很薄的金属箔栅金属箔的厚度在0.0030.003～～0.010mm0.010mm之间 箔式应变片优点：箔式应变片优点：箔栅很薄、箔材表面积大、散热条件箔栅很薄、箔材表面积大、散热条件好，测量精度较高好，测量精度较高箔式应变片缺点：箔式应变片缺点：灵敏系数低，价格较丝式昂贵灵敏系数低，价格较丝式昂贵3 3．半导体应变片：．半导体应变片：．半导体应变片：．半导体应变片： 半导体应变片的外形半导体应变片的外形半导体应变片半导体应变片压阻效应：压阻效应：压阻效应：压阻效应： 一块半导体材料的某一轴向受一块半导体材料的某一轴向受一块半导体材料的某一轴向受一块半导体材料的某一轴向受到一定作用力时，电阻率发生变化到一定作用力时，电阻率发生变化到一定作用力时，电阻率发生变化到一定作用力时，电阻率发生变化优点：优点：优点：优点： 其灵敏系数很高其灵敏系数很高(约为丝式和箔约为丝式和箔式的式的50倍倍) ，机械滞后小、横向效，机械滞后小、横向效应小，体积小等应小，体积小等缺点：缺点：缺点：缺点： 电阻值及灵敏系数的温度稳定电阻值及灵敏系数的温度稳定性差，测量较大的应变时非线性严性差，测量较大的应变时非线性严重，灵敏系数的离散度较大等。

重，灵敏系数的离散度较大等  电阻应变计把机械应变信号转换成电阻后，由于电阻应变计把机械应变信号转换成电阻后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理因此，必须采用转接精确测量，又不便直接处理因此，必须采用转换电路或仪器，换电路或仪器，把应变计的电阻变化转换成电压或把应变计的电阻变化转换成电压或电流变化电流变化通常采用电桥电路实现这种转换根据通常采用电桥电路实现这种转换根据电源的不同，电桥分电源的不同，电桥分直流电桥直流电桥和交流电桥和交流电桥 2.3 测量电路测量电路2.3.12.3.1直流电桥直流电桥 1.1.直流电桥工作原理及平衡条件直流电桥工作原理及平衡条件 _+ 直流电桥平衡条件：直流电桥平衡条件： R R1 1R R4 4= =R R2 2R R3 3 相邻两臂电阻的比值应相等相邻两臂电阻的比值应相等, , 或相对两臂电阻或相对两臂电阻的乘积相等的乘积相等。

电桥的种类：电桥的种类：(a) 单臂电桥单臂电桥 (d)全桥全桥 (b)半桥半桥-对臂电阻变化相同对臂电阻变化相同 (c)半桥半桥-临臂电阻变化相反临臂电阻变化相反 2.2.直流电桥输出电压灵敏度直流电桥输出电压灵敏度( (以单桥为例分析以单桥为例分析) )设设：：R1/R2=R3/R4=1/n 上下同除上下同除R1R3 定义为单臂工作应变片定义为单臂工作应变片电桥输出电电桥输出电压灵敏度压灵敏度，其物理意义是，单位电阻相对变化量引，其物理意义是，单位电阻相对变化量引起电桥输出电压的大小起电桥输出电压的大小 提高灵敏度的措施：提高灵敏度的措施： 1.1.电电桥桥电电源源电电压压越越高高，，输输出出电电压压的的灵灵敏敏度度越越高高但但提提高高电电源源电电压压使使应应变变片片和和桥桥臂臂电电阻阻功功耗耗增增加加，，温温度度误误差差增增大大一一般般电电源源电压电压取取3 3～～6V6V为为宜 2.2.桥桥臂臂比比n n取取何何值值使使K KV V最最大大？？K KV V是是n n的的函函数数，，取取d dK KV V/d/dn n = = 0 0时时有有K KV V最大最大值值。

R1 =R2 = R3 = R4 = R 3.3.输出电压非线性误差输出电压非线性误差 电桥电桥的非的非线线性性是指是指电桥电桥的的输输出出电压电压不与不与应变应变片的片的应变应变成正比 上面在上面在讨论电桥讨论电桥的的输输出特性出特性时时，，应应用了近似条件，才用了近似条件，才得出得出线线性关系单桥输出电压的精确值为单桥输出电压的精确值为: :非线性误差：非线性误差：按幂级数展开按幂级数展开 利用非利用非线线性性误误差的表达式，可以按照差的表达式，可以按照测测量要求量要求所允所允许许的最大非的最大非线线性性误误差来差来选择应变选择应变片或确定片或确定应变应变片的最大片的最大测测量范量范围围 对对于于一一般般应应变变片片来来说说, , 所所受受应应变变εε通通常常在在5 5××1010-3-3以以下下, , 若若取取K=2, K=2, 则则ΔR/R=ΔR/R=KεKε=0.01, =0.01, 代代入入式式计计算算得得非非线线性性误误差差为为0.5%; 0.5%; 若若K=130, K=130, ε=1ε=1××１１0 0-3-3时时, , ΔR1/R1=0.13, ΔR1/R1=0.13, 则则得得到到非非线线性性误误差差为为6.5%, 6.5%, 故故当当非非线线性性误误差差不不能能满满足足测测量量要要求求时时, , 必须予以消除。

必须予以消除 因因为为：：非非线线性性误误差差不不得得大大于于仪仪器器仪仪表表的的最最大允许误差大允许误差 一般消除非线性误差的方法有以下几种：一般消除非线性误差的方法有以下几种： 1 1））. .采用差动电桥采用差动电桥 （（半桥或全桥半桥或全桥）） 如果两个应变片同时参与测量，则称为半桥测量如果两个应变片同时参与测量，则称为半桥测量利用桥路中电阻变化的特点，可使桥路形成差动电桥（利用桥路中电阻变化的特点，可使桥路形成差动电桥（半半桥或全桥桥或全桥） 采用差动电桥是消除非线性误差影响的有效措施利用采用差动电桥是消除非线性误差影响的有效措施利用桥路中相邻臂电阻变化相反，对邻臂电阻变化相同的特点，桥路中相邻臂电阻变化相反，对邻臂电阻变化相同的特点，将两个工作应变片接入电桥的相邻臂，并使它们一个受拉，将两个工作应变片接入电桥的相邻臂，并使它们一个受拉，另一个受压，另一个受压，半桥差动电桥电路的输出电压为：半桥差动电桥电路的输出电压为： 设设平衡平衡时时R R1 1= =R R2 2= =R R3 3= =R R4 4= =R R，又，又ΔΔR R1 1=Δ=ΔR R2 2 =Δ=ΔR R则则 结论：结论：差动电桥消除了非线性误差，灵敏度比单臂电差动电桥消除了非线性误差，灵敏度比单臂电桥提高了一倍。

桥提高了一倍 同理，同理，一个等臂一个等臂全全桥桥的的输输出出电压电压很容易很容易导导出设设R R1 1R R4 4受受拉应变拉应变, R, R2 2R R3 3两个受压应变两个受压应变, ,将两个应变符号相同的接入相将两个应变符号相同的接入相对桥臂上对桥臂上 若若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4, 且且R1=R2=R3=R4, 则则 结论：结论：全桥电路电压灵敏度为单臂桥的全桥电路电压灵敏度为单臂桥的4 4倍，倍，消除了非线性误差消除了非线性误差 2 2））. .消除非线性误差的方法：消除非线性误差的方法： 采用高内阻的采用高内阻的恒流源电桥恒流源电桥 产生非线性的原因之一产生非线性的原因之一是在工作过程中通过桥臂是在工作过程中通过桥臂的电流不恒定的电流不恒定，因此，有时用恒流源给桥路供电采，因此，有时用恒流源给桥路供电采用恒流源比采用恒压源的非线性误差减小一倍一般用恒流源比采用恒压源的非线性误差减小一倍一般半导体应变片的桥路都采用恒流源供电。

半导体应变片的桥路都采用恒流源供电注：注：恒流源恒流源实际上就是在恒压源的基础上，实际上就是在恒压源的基础上，内部在输出电路上，加上内部在输出电路上，加上取样电阻取样电阻，电路，电路保证这个保证这个取样电阻取样电阻上的上的压降压降不变，来实现不变，来实现恒流输出的恒流输出的 •电阻应变片对温度变电阻应变片对温度变化十分敏感，常用的化十分敏感，常用的温度补偿方法有：温度补偿方法有：电电桥补偿法桥补偿法 •电桥相邻两臂若同时电桥相邻两臂若同时产生大小相等、符号产生大小相等、符号相同的电阻增量，电相同的电阻增量，电桥的输出将保持不变桥的输出将保持不变利用这个性质，可将利用这个性质，可将应变片的温度影响相应变片的温度影响相互抵消 4.电阻应变传感器的温度补偿电路电阻应变传感器的温度补偿电路直流电桥不平衡测量典型电路直流电桥不平衡测量典型电路 2.4 2.4 电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用应变片受压形变应变片受压形变1.1.测力测力测力测力荷重传感器原理演示 荷重传荷重传感器上的应感器上的应变片在重力变片在重力作用下产生作用下产生变形。

轴向变形轴向变短，径向变短，径向变长 2.2.电子称电子称电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出电子天平电子天平的精度电子天平的精度可达十万分之一可达十万分之一人体秤 3.3.冲床生产记数和生产过程监测冲床生产记数和生产过程监测冲床生产记数和生产过程监测冲床生产记数和生产过程监测4. 4. 机器人握力测量机器人握力测量机器人握力测量机器人握力测量5.5.振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现洞、爆破等破坏行为均可及时发现6. 6. 测量悬臂梁测量悬臂梁测量悬臂梁测量悬臂梁各种悬臂梁各种悬臂梁各种悬臂梁各种悬臂梁FF固定点固定点固定点固定点电缆电缆应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形汽车衡称重系统交流电桥测量电路交流电桥测量电路习题一应变片的电阻， 用作应变为0.005的传感元件。

1）求 （2）若电源电压 ,求测量电桥的非平衡输出电压 习题。