傳感器原理及應(yīng)用-第2章editbylibrachow2017

1、第二章 電阻式傳感器,2.1 電位器式電阻傳感器2.2 電阻應(yīng)變式傳感器,熟悉不同電阻式傳感器的結(jié)構(gòu)特征、基本組成；掌握電阻式傳感器測量應(yīng)變的基本原理；掌握電阻式應(yīng)變片傳感器測量電路和分析方法；熟悉不同形式傳感器的應(yīng)用和正確使用方法。,本章要求,第二章 應(yīng)變式傳感器,基本原理：將被測量的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電阻值的變化，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變成電信號輸出。,概 述,機(jī)器人,,原理：電機(jī)->轉(zhuǎn)角->電位器->電阻,

2、,電阻式傳感器的類別與特性,,概 述,電阻應(yīng)變效應(yīng)：因?qū)w材料變形而使阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象。,§2.1.1 應(yīng)變片的工作原理,§2.1 應(yīng)變式傳感器的工作原理,應(yīng)變：物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象。,彈性應(yīng)變：當(dāng)外力去除后物體又能完全恢復(fù)其原來的尺寸和形狀的應(yīng)變。,,,§2.1.1 應(yīng)變片的工作原理,設(shè)一根長為l，截面積為S，電阻率為ρ的電阻絲，其電阻值R為：,,,導(dǎo)線兩端受到力F作用時,,,&#

3、167;2.1.1 應(yīng)變片的工作原理,,將上式取全微分，則引起電阻值變化dR：,因,電阻值的相對變化：,,,,,在彈性范圍內(nèi)金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短，則軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系為：,§2.1.1 應(yīng)變片的工作原理,,,k0受2個因素影響：（1）受力后材料的幾何尺寸變化所引起的；即（2）受力后材料的電阻率發(fā)生變化引起的；即,項,項,,定義：k0為金屬絲的靈敏系數(shù),§2.1.1 應(yīng)變片的工作原理,根據(jù)應(yīng)

4、力σ和應(yīng)變ε的關(guān)系: 應(yīng)力σ=εE， ε∝σ 應(yīng)變dR ∝ε dR∝σ,確定的金屬材料，(1+2μ)項是常數(shù)，其數(shù)值約在1~2之間，實驗證明dρ/ρ╱εx 也是常數(shù)。,金屬的電阻相對變化與應(yīng)變成正比關(guān)系。,§2.1.1 應(yīng)變片的工作原理,如果將100Ω電阻應(yīng)變片貼在彈性試件上，若試件受力橫截面積S=0.5×10-4m2，彈性模量E=2&

5、#215;1011N/m2，若有F=5×104N的拉力引起應(yīng)變電阻變化為1Ω。試求該應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)？,§2.1.1 應(yīng)變片的工作原理,1. 金屬應(yīng)變片結(jié)構(gòu),§2.2 應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)類型及特性,§2.2.1 金屬應(yīng)變片結(jié)構(gòu)和種類,1.敏感柵；2.蓋層；3.引線；4.基底,1）敏感柵材料,對敏感柵材料的要求：①應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；②電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長

6、的應(yīng)變片；③電阻溫度系數(shù)要小；④抗氧化能力高，耐腐蝕性能強(qiáng)；⑤在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度；⑥加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材；⑦易于焊接，對引線材料的熱電勢小。,基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置,并使敏感柵與測試件絕緣 ； 蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護(hù)敏感柵。 對基底和蓋片材料的要求是：抗潮濕，絕緣性能好，線膨脹系數(shù)小且穩(wěn)定，易于粘貼等。

7、基底材料有紙基和膠基。膠基由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜，厚度約0.03～0.05mm。,2）基底和蓋片,3）粘合劑材料,用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應(yīng)變片時，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計的基底和敏感柵。 常用的粘結(jié)劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂，聚酰亞胺等

8、。無機(jī)粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。,4）引線材料,從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線。 對引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。,按敏感材料金屬式體型絲式(紙基、膠基)箔式薄膜型半導(dǎo)體式體型薄膜型擴(kuò)散型PN結(jié)及其他形式,2. 應(yīng)變片的分類,按基底材料分紙基膠基浸膠基金屬基臨時基按安裝方式分粘貼式非粘貼式(

9、張絲式)焊接式噴涂式,2. 應(yīng)變片的分類,按工作溫度分常溫(-30-60℃)中溫(60-300℃)高溫(＞300℃)超低溫(＜-30℃)按用途分一般用途特殊用途(水下、抗磁感應(yīng)、裂縫擴(kuò)展等),2. 應(yīng)變片的分類,1）、金屬絲式應(yīng)變片 金屬電阻絲（合金，電阻率高，直徑約0.02mm）粘貼在絕緣基片上，上面覆蓋一層薄膜，變成一個整體。,幾種典型的金屬應(yīng)變片,優(yōu)點(diǎn)：使用最早，具有制造簡單、性能穩(wěn)定、價格便宜、易

10、于粘貼等優(yōu)點(diǎn),多用于應(yīng)變、應(yīng)力的大批量、一次性試驗。 缺點(diǎn)：蠕變較大，金屬絲易脫膠，橫向效應(yīng)較大。,利用光刻、腐蝕等工藝制成一種很薄的金屬箔柵，箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性號的銅鎳合金。厚度一般在0.003~0.010 mm，粘貼在基片上，上面再覆蓋一層薄膜而制成。優(yōu)點(diǎn)：表面積和截面積之比大，散熱條件好；允許通過的電流較大；在長時間測量時的蠕變較小；一致性較好；可制成各種需要的形狀，便于批量生產(chǎn)。,2）、金屬箔式應(yīng)

11、變片,采用真空濺射或者真空沉積等鍍膜技術(shù)制成，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以形成應(yīng)變片，厚度在0.1μm以下。特點(diǎn)：蠕變和滯后較小；靈敏度系數(shù)較高；電流密度大；工作溫度范圍較廣。,常用金屬薄膜應(yīng)變片,3）、金屬薄膜應(yīng)變片,一、靈敏系數(shù)二、橫向效應(yīng)三、機(jī)械滯后、零漂及蠕變四、應(yīng)變極限五、電阻值、絕緣電阻和最大工作電流六、動態(tài)特性七、溫度誤差,§2.2.2 電阻應(yīng)變片的主要特性,應(yīng)變片敏感材料—金屬材料

12、的電阻相對變化與應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)k0表示：,定義：K：應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。,一、靈敏系數(shù),但材料做成應(yīng)變片后的電阻-應(yīng)變特性與敏感材料本身的不同。,實驗表明，應(yīng)變片的電阻相對變化與應(yīng)變ε在很寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系：,靈敏系數(shù)K表示安裝在被測試件上的應(yīng)變片在其軸向受到單向應(yīng)力時，引起的電阻相對變化與其單向應(yīng)力引起的試件表面軸向應(yīng)變之比。,§2.2.2 電阻應(yīng)變片的主要特性,測量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)一般小于敏

13、感材料的靈敏度系數(shù)。,一、靈敏系數(shù),主要影響因素：敏感柵結(jié)構(gòu)形狀、成型工藝、粘結(jié)劑和基底性能，特別是橫向效應(yīng)。,標(biāo)稱靈敏系數(shù)：通常采用從批量生產(chǎn)中每批抽樣，在規(guī)定條件下，通過實測來確定，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)稱為標(biāo)稱靈敏系數(shù)。,應(yīng)變片的靈敏系數(shù)直接關(guān)系到應(yīng)變測量的精度。,§2.2.2 電阻應(yīng)變片的主要特性,二、橫向效應(yīng)（transverse effect）,將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，應(yīng)變片敏感柵的電

14、阻變化較直的金屬絲小，因此靈敏系數(shù)有所降低，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。,§2.2.2 電阻應(yīng)變片的主要特性,若敏感柵有n根縱柵，半徑為r，則可以定義橫向效應(yīng)系數(shù)C,敏感柵越窄，基長越長的應(yīng)變片，橫向效應(yīng)越小。為了減小橫向效應(yīng)的影響，一般多采用箔式應(yīng)變片。,原因（1）應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后的殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；（2）在制造或粘貼應(yīng)變片時，敏感柵受到的不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘辰Y(jié)劑固化不充分等。,1、機(jī)械滯后

15、 應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當(dāng)溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不重合的現(xiàn)象。,三、機(jī)械滯后、零漂及蠕變,還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時的應(yīng)變愈大，卸載時的滯后也愈大。通常在實驗之前預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機(jī)械滯后誤差。,§2.2.2 電阻應(yīng)變片的主要特性,2、零點(diǎn)漂移 對于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時，不承受應(yīng)變時，其電阻值隨時間增加而變化的特性。,產(chǎn)生原因：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐

16、漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。,3、蠕變 在一定溫度下，應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變時，電阻值隨時間增加而變化的特性。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的方向相反。,產(chǎn)生原因：膠層之間發(fā)生“滑動”，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。,§2.2.2 電阻應(yīng)變片的主要特性,應(yīng)變極限：在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對測試值的真實應(yīng)變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時的最大真實應(yīng)變值。,應(yīng)變片的應(yīng)變極限,四、應(yīng)變極限,真實應(yīng)變：因

17、工作溫度變化或承受機(jī)械載荷，在被測試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力時所引起的表面應(yīng)變。,§2.2.2 電阻應(yīng)變片的主要特性,1、電阻值 是指應(yīng)變片沒有粘貼且未受應(yīng)變時，在室溫下測定的電阻值，即初始電阻值。,五、電阻值、絕緣電阻和最大工作電流,,2、絕緣電阻 指已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測件之間的電阻值Rm。通常要求Rm在50~100MΩ以上。,§2.2.2 電阻應(yīng)變片的主要特性,2、絕緣電阻

18、 絕緣電阻過低,會造成應(yīng)變片與試件之間漏電而產(chǎn)生測量誤差，使測量系統(tǒng)的靈敏度降低。 Rm取決于粘結(jié)劑及基底材料的種類及固化工藝。在常溫使用條件下要采取必要的防潮措施；在中溫或高溫條件下要選取絕緣性好的粘結(jié)劑和基底材料。,3、最大工作電流 應(yīng)變片允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流Imax。 工作電流的選取要根據(jù)試件的導(dǎo)熱性能及敏感柵形狀和尺寸來決定。通常靜態(tài)測量時取25mA左右；

19、動態(tài)測量時可取75～100mA。測量材料散熱好，可取大一些；導(dǎo)熱性差，可取小一些。,§2.2.2 電阻應(yīng)變片的主要特性,六、動態(tài)特性 1、正弦應(yīng)變信號的響應(yīng)特性,被測應(yīng)變值隨時間變化的頻率很高時，需考慮應(yīng)變片動態(tài)特性。應(yīng)變片基底和粘貼膠層很薄，構(gòu)件的應(yīng)變波傳到應(yīng)變片的時間很短，故只需考慮應(yīng)變沿應(yīng)變片軸向傳播時的動態(tài)響應(yīng)。,設(shè)一頻率為f 的正弦應(yīng)變波在構(gòu)件中以速度v 沿應(yīng)變片柵長l0方向傳播，應(yīng)變片中點(diǎn)、兩端點(diǎn)的坐標(biāo)是xt

20、、x1和x2 。在某一瞬時t，應(yīng)變量沿構(gòu)件分布為,應(yīng)變片中點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)?§2.2.2 電阻應(yīng)變片的主要特性,六、動態(tài)特性 1、正弦應(yīng)變信號的響應(yīng)特性,應(yīng)變片測得的應(yīng)變?yōu)闁砰Ll0范圍內(nèi)的平均應(yīng)變εm，而不是xt點(diǎn)的應(yīng)變。εm數(shù)值等于l0范圍內(nèi)應(yīng)變波曲線下的面積除以l0 ，即,平均應(yīng)變εm與中點(diǎn)應(yīng)變εt相對誤差δ為,§2.2.2 電阻應(yīng)變片的主要特性,相對誤差δ的大小只決定于l0/λ的比值，l0/λ為1/10和1/20時

21、δ的數(shù)值為,應(yīng)變片柵長與正弦應(yīng)變波的波長之比愈小，相對誤差δ愈小。,給定δ級數(shù)展開計算出應(yīng)變片可測動態(tài)應(yīng)變的最高頻率。,六、動態(tài)特性 1、正弦應(yīng)變信號的響應(yīng)特性,§2.2.2 電阻應(yīng)變片的主要特性,六、動態(tài)特性 2、階躍應(yīng)變信號的響應(yīng)特性,應(yīng)變片在測量頻率較高的動態(tài)應(yīng)變時，應(yīng)變波在材料中傳播速度與聲波相同。當(dāng)應(yīng)變波在縱柵長度方向上傳播時，只有在應(yīng)變波通過敏感柵全部長度后，應(yīng)變片所反映的波形經(jīng)過一定時間的延遲，才能達(dá)到最大值

22、。,上升時間tk（應(yīng)變輸出從10%上升到90%的最大值所需時間）可表示為,實際響應(yīng)：,若取l0=20mm，v=5000m/s，則tk=3.2×10-6 s。,§2.2.2 電阻應(yīng)變片的主要特性,環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，產(chǎn)生很大的測量誤差，稱為溫度誤差，又稱熱輸出。,環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的2個主要因素：（1）應(yīng)變片的敏感柵具有一定溫度系數(shù)；（2）應(yīng)變片材料與測

23、試材料的線膨脹系數(shù)不同。,設(shè)環(huán)境溫度變化為Δt（℃）時，應(yīng)變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為αt，則應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻相對變化為,七、溫度誤差及其補(bǔ)償,1.溫度誤差原因,敏感柵材料和被測構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)Δt存在時引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變，相應(yīng)的電阻相對變化為,K應(yīng)變片靈敏系數(shù); βe試件材料線膨脹系數(shù)；βg敏感柵材料線膨脹系數(shù)。,溫度變化Δt形成的總電阻相對變化,相應(yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)?§2.2.2 電阻應(yīng)變片的主要特性,2.溫

24、度誤差補(bǔ)償方法,應(yīng)變片補(bǔ)償單絲自補(bǔ)償雙絲組合式自補(bǔ)償,線路補(bǔ)償雙金屬半橋片電橋補(bǔ)償熱敏電阻補(bǔ)償,當(dāng)被測試件線膨脹系數(shù)βe已知時，合理選擇敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)αt、靈敏系數(shù)K以及線膨脹系數(shù)βg，可在溫度變化時均有ΔRt/R0=0，從而達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，制造和使用都比較方便。,1）單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片若使應(yīng)變片在溫度變化Δt時的熱輸出值為零，必須使,它的應(yīng)變片敏感柵絲是由兩種不同溫度系數(shù)（一正一負(fù)）的金屬

25、絲串接組成的。 通過實驗與計算，調(diào)整R1和R2的比例，使溫度變化時產(chǎn)生的電阻變化滿足,2）雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片,優(yōu)點(diǎn)：制造時可以調(diào)節(jié)兩段敏感柵的絲長，以實現(xiàn)在一定溫度范圍內(nèi)對某種材料的試件獲得較好的溫度補(bǔ)償效果。,,兩種串接的電阻絲具有相同符號的溫度系數(shù)，其結(jié)構(gòu)及電橋連接方式如圖所示。 適當(dāng)調(diào)節(jié) R1和 R2的長度比和外接電阻 RB之值，使之滿足條件：,3）雙金屬半橋片,優(yōu)點(diǎn)：通過調(diào)節(jié)RB值，不僅可以使

26、熱補(bǔ)償效果最優(yōu)，而且適用于不同線膨脹系數(shù)的被測試件。,測量應(yīng)變時，使用兩個應(yīng)變片，一片貼在被測試件的表面,稱為工作應(yīng)變片R1 ；一片貼在與被測試件材料相同的補(bǔ)償塊上，稱為補(bǔ)償應(yīng)變片R2。在工作過程中，補(bǔ)償塊不承受應(yīng)變，僅隨溫度發(fā)生變形。,4）電橋補(bǔ)償法,當(dāng)被測試件不承受應(yīng)變時，R1與R2接入電橋相鄰臂上，R1和R2處于同一溫度場，調(diào)整電橋參數(shù)，可使電橋輸出電壓為零，即,當(dāng)溫度升高或降低Δt時，選擇R1=R2=R及R3=R4=r，若ΔR

27、1t=ΔR2t，即兩個應(yīng)變片的熱輸出相等，則電橋的輸出電壓為,當(dāng)被測試件受應(yīng)變作用時，工作片R1感受應(yīng)變，阻值變化ΔR1；而補(bǔ)償片R2不承受應(yīng)變，阻值不變。這時電橋輸出電壓為,電橋輸出電壓U0 ， 只與應(yīng)變ε有關(guān)，與溫度無關(guān)。,優(yōu)點(diǎn)：簡單易行，可在較大溫度范圍內(nèi)補(bǔ)償。缺點(diǎn)：條件不易滿足；尤其在溫度場梯度大的測試條件下很難處于相同溫度點(diǎn)。,根據(jù)被測試件承受應(yīng)變的情況，有時也可不另加專門的補(bǔ)償塊，補(bǔ)償片直接貼在被測試件上。這樣既能起到溫度

28、補(bǔ)償作用，又能提高輸出的靈敏度。,梁受彎曲應(yīng)變時，應(yīng)變片R1和R2的變形方向相反，上面受拉，下面受壓，應(yīng)變絕對值相等，符號相反，可使輸出電壓增加一倍。當(dāng)溫度變化時，兩應(yīng)變片阻值變化的符號相同，大小相等，電橋不產(chǎn)生輸出，達(dá)到了補(bǔ)償?shù)哪康摹?構(gòu)件受單向應(yīng)力,構(gòu)件受單向應(yīng)力時，工作片R2的軸線順著應(yīng)變方向，補(bǔ)償片R1的軸線和應(yīng)變方向垂直。,E,R2,R4,R1,,,,,,,,,,,,,熱敏電阻補(bǔ)償法,USC,,,Rt,,5）熱敏電阻補(bǔ)償法,&

29、#167;2.2.3 電阻應(yīng)變片的型號代碼,某一應(yīng)變片：BX120-3HA100(11),B：應(yīng)變片類型，如箔式(B)、絲繞式(S)、短接式(D)、半導(dǎo)體式(A)、特殊用途(T)等,X: 基底材料種類，如紙(Z)、環(huán)氧類(H) 、聚酯類(J) 、聚氨酯(X)、酚醛類(F) 、聚酰亞胺類(A) 、 玻璃纖維布浸膠(B) 、金屬片類(P) 、臨時基類等(L),120: 標(biāo)稱電阻值，60、120、350、500Ω,3：應(yīng)變片

30、柵長(mm)，如1、3、5、8、12、50和150mm等,HA：敏感柵結(jié)構(gòu)形狀，如單軸片( AA)、45°雙聯(lián) ( HA) 、半橋 ( GB) 、全橋 ( FG) 、圓片( KA),100：極限工作溫度(℃),11：可進(jìn)行溫度自補(bǔ)償?shù)牟牧系木€膨脹系數(shù)，單位為×10-6/℃，如9(鈦)、11(銅)、16(不銹鋼)、 23( 鋁)、27(鎂)等。,BF120-6.35AA(27),,應(yīng)變電橋,

31、§2.3 電阻應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換電路,,直流電橋的聯(lián)接方式：,R4,R3,一、直流電橋 1、平衡條件,當(dāng)RL→∞時，電橋輸出電壓,當(dāng)電橋平衡時，U0=0，R1 R4 = R2 R3或R1/R2 =R3/R4,§2.3 電阻應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換電路,若R1由應(yīng)變片替代，當(dāng)電橋開路時，不平衡電橋輸出的電壓為,,2、電壓靈敏度,設(shè)橋臂比n=R2/R1，ΔR1<<R1有,① 電壓靈敏度KU正比于供橋電壓，供電電壓越高，靈敏

32、度越高，但供電電壓的提高受到應(yīng)變片允許功耗的限制，要作適當(dāng)選擇。,當(dāng)供橋電壓和電阻相對變化一定時，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂阻值大小無關(guān)。,② 電壓靈敏度是橋臂比的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比的值，保證有高的電壓靈敏度。,§2.3 電阻應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換電路,③ 在當(dāng)供橋電壓E確定后，當(dāng)n=1即R1= R2、R3= R4時，電橋的靈敏度最高。,（1）非線性誤差 絕對非線性誤差 實

33、際的非線性特性曲線與理想的線性特性曲線的偏差。 相對非線性誤差 絕對非線性誤差與理想的線性特性曲線的比。,3、非線性誤差及補(bǔ)償方法,§2.3 電阻應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換電路,實際輸出電壓U0與ΔR1/R1的關(guān)系是非線性的，非線性誤差為 ：,§2.3 電阻應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換電路,若四等臂電橋，即 R1=R2=R3=R4則非線性誤差為,討論：非線性誤差是否能滿足測量要求？,對于一般應(yīng)

34、變片來說，所受應(yīng)變ε通常在5×10-3以下。,（1）若取K=2, 則ΔR1/R1=Kε=0.01, 代入上式計算得非線性誤差為0.5%;,（2）若K=130, ε=1×10-3時, ΔR1/R1=0.130, 則得到非線性誤差為6%。,結(jié)論：K較小時，非線性誤差能滿足測量要求；當(dāng)K↑到某值時，非線性誤差已不能滿足測量要求。,必須予以減小和克服非線性誤差。,如何解決？,,① 提高橋臂比 橋臂比的提高可使非線

35、性誤差減小。但電橋電壓靈敏度降低。為了不降低電壓靈敏度，必須適當(dāng)提高供橋電壓。,（2）減小或消除非線性誤差的方法,② 采用差動電橋——半橋 為了減小和克服非線性誤差，常采用差動電橋。 在試件上安裝兩個工作應(yīng)變片，一個受拉應(yīng)變，一個受壓應(yīng)變。 橋臂電阻R1和R2都由應(yīng)變片替代，接入電橋相鄰橋臂，這種接法稱為半橋差動電路。,§2.3 電阻應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換電路,② 采用差動電橋——半橋,結(jié)論： U

36、0 與ΔR1/R1 成線性關(guān)系，半差動電橋無非線性誤差；電壓靈敏度，比使用單只應(yīng)變片提高了一倍。,當(dāng)電橋開路時，不平衡電橋輸出的電壓為,,溫度補(bǔ)償作用,§2.3 電阻應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換電路,③采用差動電橋——全橋 電橋四臂接入四片應(yīng)變片，即兩個受拉應(yīng)變，兩個受壓應(yīng)變。兩個應(yīng)變符號相同的接入相對橋臂上，構(gòu)成全橋差動電路。若滿足ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4則輸出電壓為,全橋差動電橋也無非線性誤差；電壓敏度是使用單只

37、應(yīng)變片的4倍，比半橋差動提高了一倍。,溫度補(bǔ)償作用,§2.3 電阻應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換電路,（1）相減特性：相鄰兩橋 臂上應(yīng)變片阻值的變 化大小相等、符號一 致時，或者相對兩橋 臂上應(yīng)變片阻值的變 化大小相等、符號相 反時，對橋路的輸出 電壓沒有影響。,小結(jié)：電橋的基

38、本特性,（2）相加特性：相鄰兩橋臂上應(yīng)變片阻值的變化大 小相等、 符號相反時，或者相對兩橋臂上應(yīng)變 片阻值的變化大小相等、符號相同時，橋路的 輸出電壓是半橋單臂的二倍，電橋的靈敏度是 半橋單臂的二倍。,（3）倍增特性：相鄰兩橋臂上應(yīng)變片阻值的變化大 小相等、符號相反時，同時相對兩橋臂上應(yīng)變片阻值的變化大小相等、符號相同時，橋路的輸出電壓是半橋單臂的四倍，電橋

39、的靈敏度是半橋單臂的四倍。,采用差動結(jié)構(gòu)的應(yīng)變式傳感器,例1.一應(yīng)變片的電阻R=120Ω，k=2.05，用作應(yīng)變?yōu)?00μm/m的傳感元件。（1）求ΔR和ΔR/R；（2）若電源電壓U=3V，求初始平衡時惠斯登電橋的輸出電壓。,,,解：（1）電阻應(yīng)變片的靈敏度定義為,,（2）初始平衡時惠斯登電橋的輸出電壓為,,④采用恒流源電橋 產(chǎn)生非線性的原因之一是在工作過程中，由于產(chǎn)生ΔR變化，使通過橋臂的電流不恒定，若用恒流源供電，如

40、圖： 供電電流為I，通過各臂的電流為I1和I2，ΔR1=0時：,,,,,,R1+ΔR1,R2,U0,,,R3,R4,,,I1,I2,,I,,,,,,§2.3 電阻應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換電路,若電橋初始處于平衡狀態(tài)，而且R1=R2=R3=R4=R，當(dāng)?shù)谝槐垭娮鑂1變?yōu)镽+ΔR時，電橋輸出電壓為：,由此可見，分母中的ΔR被 4R 除，與恒壓源相比，非線性誤差減小1/2。所以半導(dǎo)體應(yīng)變電橋一般采用恒流源供電。,不平衡電橋在測量前，

41、往往都要求電橋滿足電橋平衡條件，即電橋輸出為零。由于受連接導(dǎo)線的電阻的影響，橋臂電阻（檢測元件）在起始電阻下電橋并不平衡，因此一般還需設(shè)置零點(diǎn)平衡調(diào)整電路，以便在測量前，通過調(diào)整使電橋輸出為零。,對于直流電橋，采用電阻平衡調(diào)零。常用的電阻平衡調(diào)零電路有串聯(lián)電阻平衡調(diào)零電路和并聯(lián)電阻平衡調(diào)零電路兩種。,4、不平衡電橋的調(diào)零,§2.3 電阻應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換電路,串聯(lián)電阻平衡調(diào)零電路如圖所示，它是在電橋兩橋臂電阻之間接入一可調(diào)電阻R

42、5，輸出電壓由可調(diào)電阻R5的滑動觸點(diǎn)引出，通過調(diào)整R5使電橋輸出為零。,可調(diào)電阻R5的電阻值可按下式確定：式中 Δr1——橋臂電阻R1與R2的偏差； Δr3——橋臂電阻R3與R4的偏差。,,并聯(lián)電阻平衡調(diào)零電路如圖所示，它是在電橋兩對角之間接入一可調(diào)電阻R5，在另一角與R5的滑動觸點(diǎn)之間接入一固定電阻R6，通過調(diào)整R5使電橋輸出為零。,§2.3 電阻應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換電路,調(diào)零能力的大小取決于R6，R6越

43、小，調(diào)零能力就越大，但R6太小會給測量帶來較大的誤差，因此只能在保證測量精確度的前提下，R6盡量選小一些。,R6的值可按下式確定：式中，Δr1、Δr3的含義同上式。R5的阻值大小可取與R6相同。,,§2.3 電阻應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換電路,交流電橋輸出電壓為,橋路平衡條件為,二、交流電橋 1、交流電橋平衡條件,橋臂阻抗: Z= r+jx = zexp(jφ),§2.3 電阻應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換電路,當(dāng)Z1=Z2=Z3=

44、Z4時，不同電橋輸出：,② 半橋差動電路,③ 全橋差動電路,2、交流電橋的不平衡狀態(tài),,,,,① 單臂交流電橋,§2.3 電阻應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換電路,引線產(chǎn)生的分布電容的容抗、電源頻率及應(yīng)變片的性能差異，交流電橋的初始平衡條件和輸出特性都受到嚴(yán)重影響，因此電橋要預(yù)調(diào)平衡。,,交流電橋的平衡可用電阻調(diào)整和電容調(diào)整或阻容調(diào)整的方法。,3、交流電橋的調(diào)平方法,§2.3 電阻應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換電路,交流電橋在結(jié)構(gòu)形式上與直流電橋相似，主

45、要區(qū)別在于所采用的電源不同。由于交流電橋采用的是交流電源，各個橋臂表現(xiàn)為阻抗性質(zhì)，輸出也為交流。,對直流電橋的討論，基本上都適用于交流電橋。在有關(guān)的各個式子中，只要將一些量適當(dāng)更改即可。 電阻R更改為阻抗電阻相對變化r更改為阻抗相對變化輸出電壓Uo更改為電源電壓Us更改為,,,,3．交流電橋與直流電橋的異同,§3.2 電阻應(yīng)變片的測量電路,在實際測量中，至于是采用直流電橋還是交流電橋，主要由檢測元件的阻抗性質(zhì)和使用

46、環(huán)境條件來決定。若檢測元件為阻抗元件（即包含有電感、電容），則必須采用交流電橋；若檢測元件為純電阻元件，則既可采用直流電橋，也可采用交流電橋。,若采用直流電橋，電源為直流，橋路輸出為直流信號，抗干擾性能較好，但必須采用直流放大器，電路較復(fù)雜；若采用交流電橋，電源為交流，橋路輸出為交流信號，可采用交流放大器，電路較簡單，但抗干擾性能較差。,3．交流電橋與直流電橋的異同,§3.2 電阻應(yīng)變片的測量電路,一、應(yīng)變式傳感器的特點(diǎn)

47、1、優(yōu)點(diǎn),§2.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,易于實現(xiàn)小型化、整體化；結(jié)構(gòu)輕，對試件影響小,⑤,,商品化,⑥,概念：被測物理量為荷重或力的應(yīng)變式傳感器時，統(tǒng)稱為應(yīng)變式力傳感器。用途：各種電子稱與材料試驗機(jī)的測力元件、發(fā)動機(jī)的推力測試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測等。 特點(diǎn)：應(yīng)變式力傳感器要求有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，在受到側(cè)向作用力或力的作用點(diǎn)少量變化時，不應(yīng)對輸出有明顯的影響。,二、應(yīng)變式力（荷重）傳感器,常見種類：1、柱（筒）式力

48、傳感器 2、懸臂梁式力傳感器3、輪輻式力傳感器,§2.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,柱筒力傳感器 —— 有空心（筒形）、實心（柱形）兩種。 在圓筒（柱）上按一定方式粘貼應(yīng)變片，圓筒（柱）在外力作用下產(chǎn)生形變。對實心圓柱，外力F 作用時產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)椋?式中：L 為彈性元件的長度；E 為彈性模量； S 為彈性元件的橫截面積；應(yīng)力σ= F/S ；應(yīng)變與力成正比關(guān)系，要提高變換靈敏度必須減小橫截面積S，

49、但S 小抗彎能力差易產(chǎn)生橫向干擾；為解決這一矛盾多采用空心圓筒，空心圓筒在同樣橫截面積情況下橫向剛度大。,二、應(yīng)變式力（荷重）傳感器 1、柱（筒）式力傳感器,實心圓柱 H ≥ 2D + L 空心圓柱 H ≥ D-d+L,試驗研究結(jié)果建議選用以下公式：,柱式力傳感器稱重荷重，量程在0.1～100噸之間，國產(chǎn)有 BLR-1型測拉力、BHR型測荷重傳感器;火箭發(fā)動機(jī)實驗臺架都采用空心圓柱結(jié)構(gòu)。,H—柱高, D—外徑, d—空

50、心內(nèi)徑, L—應(yīng)變片基長,§2.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,柱筒式力傳感器，應(yīng)變片粘貼在彈性體外壁應(yīng)力分布均勻的中間部分。應(yīng)變片對稱地粘貼多片，電橋接線時考慮盡量減小載荷偏心和彎矩影響。橫向貼片可提高靈敏度并作溫度補(bǔ)償用。,§2.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,BLR—1型拉力傳感器,基于柱（筒）式結(jié)構(gòu)的力傳感器,（1）等截面梁,2、懸臂梁式力傳感器,（3）其他形式梁,（2）等強(qiáng)度梁,雙彎曲梁,固定梁,§2.4 應(yīng)變式

51、傳感器的應(yīng)用,,因為應(yīng)變片的應(yīng)變大小與力作用的距離有關(guān)，所以應(yīng)變片應(yīng)貼在距固定端較近的表面，順梁的方向貼上下各貼兩只。四個應(yīng)變片組成全橋，上面兩個受壓時下面兩個受拉。保證對臂同極性、鄰臂反極性連接。這種傳感器適用于中等荷重，測量500Kg以下荷重。,（1）等截面梁懸臂梁的橫截面積處處相等。,§2.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,,,當(dāng)力作用在自由端時，梁任何位置上距作用點(diǎn)應(yīng)力相等，應(yīng)變片的應(yīng)變大小為：,為梁的長度，當(dāng)力作用在

52、自由端時，梁表面產(chǎn)生的應(yīng)變相等。對應(yīng)變片粘貼位置要求不嚴(yán)，使用更為方便。,（2）等強(qiáng)度梁懸臂梁長度方向的截面積按一定規(guī)律變化，當(dāng)力作用在自由端時，梁內(nèi)各斷面產(chǎn)生的應(yīng)力相等，表面上的應(yīng)變也相等。,§2.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,各種形式的應(yīng)變梁應(yīng)用于不同場合,§2.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,各種平行雙孔梁,各種形式的應(yīng)變梁，雙孔梁多用于盤秤,§2.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,各種形式的應(yīng)變梁，S梁、工字梁多用于吊秤

53、。,S 型拉力梁,彎曲環(huán)式,§2.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,輪輻式傳感器結(jié)構(gòu)主要由五個部分組成：輪轱、輪圈、 輪輻條、受拉和受壓應(yīng)變片；通過測量輪輻條對角線方向(450)的線應(yīng)變測力。 8個應(yīng)變片分別粘貼在四個輪輻條的正反兩面組成全橋。,側(cè)視,俯視,3、輪輻式測力傳感器（剪切力）,§2.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,膜片式傳感器的彈性敏感元件是一個圓形的金屬膜片，應(yīng)變片粘貼在膜片上。金屬元件的膜片周

54、邊被固定。當(dāng)膜片一面受壓力P作用時，膜片上有徑向應(yīng)變εr和切向應(yīng)變εt 。,式中： r —— 膜片半徑 h —— 膜片厚度 E —— 膜片彈性模量 μ—— 膜片泊松比 x —— 任意點(diǎn)離圓心距離,P,應(yīng)變值分別為：,三、膜片式壓力傳感器（氣體壓力）,§2.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,膜片中心處，x = 0 ， εr與 εt 都達(dá)到正的最大值， 這時切向應(yīng)變和徑向應(yīng)變?yōu)椋?

55、 膜片邊緣處 x = r , 切向應(yīng)變εt = 0 , 徑向應(yīng)變εr 達(dá)到負(fù)的最大值。徑向應(yīng)變εr = 0 處的位置？ 在距圓心 的圓環(huán)附近。,§2.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,根據(jù)應(yīng)力分布粘貼四個應(yīng)變片，R2、R3粘貼在正的最大區(qū)域， R1、R4粘貼在負(fù)的最大區(qū)域， 即粘貼在 r = 0.58

56、的內(nèi)外兩側(cè)。R1、R4測量徑向應(yīng)變εr（負(fù)），R2、R3測量切向應(yīng)變εt（正），四個應(yīng)變片組成全橋，即可增大傳感器的靈敏度又起到溫度補(bǔ)償作用。傳感器一般可測量105～106 Pa 的壓力。,§2.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,基本結(jié)構(gòu)：由懸臂梁、應(yīng)變片、質(zhì)量塊、機(jī)座外殼組成。懸臂梁（等強(qiáng)度梁）自由端固定質(zhì)量塊，殼體內(nèi)充滿硅油，產(chǎn)生必要的阻尼。,四、應(yīng)變式加速度傳感器,基本原理：當(dāng)殼體與被測物體一起作加速度運(yùn)動時，懸臂梁在質(zhì)量

57、塊的慣性作用下作反方向運(yùn)動，使梁體發(fā)生形變，粘貼在梁上的應(yīng)變片阻值發(fā)生變化。通過測量阻值的變化求出待測物體的加速度。,§2.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,,應(yīng)變片加速度傳感器不適用于頻率較高的振動和沖擊場合， 一般適用頻率為10~60Hz范圍。,§2.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,半導(dǎo)體應(yīng)變片又稱為壓阻式傳感器?；诎雽?dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件。,壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體材料的電阻率隨作用應(yīng)力的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。

58、,半導(dǎo)體材料敏感條電阻率的相對變化值與其在軸向所受的應(yīng)力之比為一常數(shù)。即,一、半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng),當(dāng)半導(dǎo)體材料受軸向力作用時，電阻相對變化為,,πl(wèi)半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)。式中1+2μ項隨幾何形狀而變化，πl(wèi)E項為壓阻效應(yīng)，隨電阻率而變化。,幾何形狀,,壓阻效應(yīng),,§2.5 半導(dǎo)體壓阻式傳感器,實驗證明πl(wèi)E比1+2μ大近百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)：,半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式的高50～80倍，但

59、半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大，應(yīng)變時非線性比較嚴(yán)重，使應(yīng)用范圍受到一定的限制。,半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)：體積小，靈敏度高，頻率響應(yīng)范圍寬，輸出幅值大，不需要放大器，可直接與記錄儀連接，使測量系統(tǒng)簡單。,§2.5 半導(dǎo)體壓阻式傳感器,1、體型半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體材料硅或鍺晶體按一定方向切割成片狀小條，經(jīng)腐蝕壓焊粘貼在基片上制成。,體型半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu),二、半導(dǎo)體應(yīng)變片的類型,體型、薄膜型和擴(kuò)散型等。,§2.5 半導(dǎo)體壓阻式傳

60、感器,通過薄膜制備技術(shù)，在帶有絕緣層的試件上沉積半導(dǎo)體材料薄膜而制成。,2、薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片,薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu),§2.5 半導(dǎo)體壓阻式傳感器,P型雜質(zhì)擴(kuò)散到N型硅單晶基底上，形成一層極薄的P型導(dǎo)電層，再通過超聲波和熱壓焊法接上引出線就形成了擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。,3、擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片,擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu),§2.5 半導(dǎo)體壓阻式傳感器,將制作成一定形狀的N型單晶硅作為彈性元件，選擇一定的晶向，通過半導(dǎo)體

61、擴(kuò)散工藝在硅基底上擴(kuò)散出4個P型電阻，構(gòu)成惠斯登電橋的四個橋臂，從而實現(xiàn)了彈性元件與變換元件一體化，這樣的敏感器件稱為壓阻式傳感器。壓阻式傳感器主要用于測量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。,三、壓阻式傳感器,§2.5 半導(dǎo)體壓阻式傳感器,壓阻式傳感器有許多優(yōu)點(diǎn)：頻率響應(yīng)高，f0可達(dá)1.5M；體積小、耗電少、靈敏度高，可測量到0.1%的精確度；無運(yùn)動部件。壓阻式傳感器缺點(diǎn)： 溫度特性差；工藝復(fù)雜；,微型硅壓力傳

62、感器,四、壓阻式傳感器的特點(diǎn),§2.5 半導(dǎo)體壓阻式傳感器,五、壓阻式傳感器的應(yīng)用,壓阻式傳感器應(yīng)用領(lǐng)域： 航空工業(yè)，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣處的動壓； 生物醫(yī)學(xué)，體內(nèi)壓力測量，心、顱、眼等； 兵器工業(yè)，槍炮腔內(nèi)壓力，爆炸力，沖擊波測量； 防爆檢測，壓阻傳感器所需電流小，在可燃?xì)怏w許可值之下，是理想的防爆壓力傳感器。,§2.5 半導(dǎo)體壓阻式傳感器,本章要點(diǎn)：,電阻式傳感器的基

63、本原理，轉(zhuǎn)換電路。了解不同電阻式傳感器的結(jié)構(gòu)、性能、靈敏度差別，分別使用在哪些場合；如何通過電阻式傳感 器測量力、壓力、位移、應(yīng)變、加速度等非電量參數(shù)；金屬箔式應(yīng)變片：直流單臂、半橋、全橋比較；應(yīng)用測量電路，交流全橋、電子秤。,應(yīng)變片—金屬絲拉長，電阻增加，反之減少。 電橋電路—平衡條件：R1R4=R2R3； 用途：求未知電阻值，記錄電阻變化率、溫度補(bǔ)償； 歐姆定律、基爾霍夫定律：計算電路電壓、電流。 應(yīng)變（力傳感器

64、）—貼在試件上（彈性元件）的應(yīng)變片 的電阻變化率與應(yīng)變成比例。 半導(dǎo)體壓力傳感器可獲得比金屬大100倍以上的電阻變 化。 利用應(yīng)變的傳感器有荷重、壓力、形變、粘度傳感器。,本章小結(jié)：,1、采用四片相同的金屬絲應(yīng)變片（K=2），將其貼在實心圓柱形測力彈性元件上。力F＝1000kg。圓柱斷面半徑r=1cm，E=2×107N/cm2,μ=0.3。求：（1）畫出應(yīng)變片在圓柱上貼粘位置和相應(yīng)測量橋路原理圖；（