c電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理

1、主要內(nèi)容主要內(nèi)容 l電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理l電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理l電阻應(yīng)變片的種類(lèi)、材料和參數(shù)電阻應(yīng)變片的種類(lèi)、材料和參數(shù)l電阻應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性電阻應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性l粘合劑和應(yīng)變片的粘貼技術(shù)粘合劑和應(yīng)變片的粘貼技術(shù)l電阻應(yīng)變片傳感器的溫度誤差及其補(bǔ)償電阻應(yīng)變片傳感器的溫度誤差及其補(bǔ)償l電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路及電阻應(yīng)變儀電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路及電阻應(yīng)變儀l電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 電阻式應(yīng)變傳感器作為測(cè)力的主要傳感器，測(cè)電阻式應(yīng)變傳感器作為測(cè)力的主要傳感器，測(cè)力范圍小到肌肉纖維，大到登月火箭，精確度可到力范圍小到肌

2、肉纖維，大到登月火箭，精確度可到 0.010.1%0.010.1%。有拉壓式（柱、筒、環(huán)元件）、彎曲。有拉壓式（柱、筒、環(huán)元件）、彎曲式、剪切式。式、剪切式。 應(yīng)變式傳感器特征：應(yīng)變式傳感器特征：不同材料類(lèi)型；金屬應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片不同材料類(lèi)型；金屬應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片應(yīng)用范圍；應(yīng)變力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、加速度；應(yīng)用范圍；應(yīng)變力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、加速度；主要優(yōu)點(diǎn)；使用簡(jiǎn)單、精度高、范圍大、體積小。主要優(yōu)點(diǎn)；使用簡(jiǎn)單、精度高、范圍大、體積小。各種電子秤各種電子秤廣泛應(yīng)用于廣泛應(yīng)用于高高精精度度電電子子汽汽車(chē)車(chē)衡衡 動(dòng)態(tài)電子秤動(dòng)態(tài)電子秤電子天平電子天平機(jī)械秤包裝機(jī)機(jī)械秤包裝機(jī)吊秤吊秤電阻應(yīng)變式

3、傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器, 傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。 當(dāng)被測(cè)物理量作用在彈性元件上時(shí), 彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化, 通過(guò)轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出, 電量變化的大小反映了被測(cè)物理量的大小。4.1 4.1 電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理1 1、應(yīng)變效應(yīng)、應(yīng)變效應(yīng) 當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。2 2、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和工作原理、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和工作原理 1）應(yīng)變片的

4、結(jié)構(gòu)）應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 由敏感柵由敏感柵1、基底、基底2、蓋片、蓋片3、引線(xiàn)、引線(xiàn)4等組成。這些等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能。因此，應(yīng)部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能。因此，應(yīng)根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇。根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇。 4.2 4.2 電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理4 231電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖bl柵長(zhǎng)柵長(zhǎng)柵寬柵寬2 2）電阻）電阻- -應(yīng)變特性應(yīng)變特性 設(shè)有一根長(zhǎng)度為l、截面積為S、電阻率為的金屬絲，其電阻R為 兩邊取對(duì)數(shù)，得等式兩邊取微分，得 電阻的相對(duì)變化； 電阻率的相對(duì)變化； 金屬絲長(zhǎng)度相對(duì)變化，用表示，=

5、 稱(chēng)為金屬絲長(zhǎng)度方向上的應(yīng)變或軸向應(yīng)變； 截面積的相對(duì)變化。SlRSlRlnlnlnlnSdSldldRdRRdRdldlldlSdSdr/r為金屬絲半徑的相對(duì)變化，即徑向應(yīng)變?yōu)閞。S= r 2dS /S=2dr/rr= 由材料力學(xué)知將微分dR、d改寫(xiě)成增量R、，則)21 ()21 (dldldRdRSKllllRR)/21 (金屬絲電阻的相對(duì)變化與金屬絲的伸長(zhǎng)或縮短之間存在比例關(guān)系。比例系數(shù)比例系數(shù)KS稱(chēng)為金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)稱(chēng)為金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)。物理意義：?jiǎn)挝粦?yīng)變引起的電阻相對(duì)變化。KS由兩部分組成：前一部分是（1+2），由材料的幾何尺寸變化引起，一般金屬0.3，因此（1+2）1.6；

6、后一部分為 ，電阻率隨應(yīng)變而引起的（稱(chēng)“壓阻效應(yīng)”）。對(duì)金屬材料，以前者為主，則KS 1+2；對(duì)半導(dǎo)體， KS值主要由電阻率相對(duì)變化所決定。實(shí)驗(yàn)表明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變成正比。通常KS在1.83.6范圍內(nèi)。ll /3 3）應(yīng)變片測(cè)試原理）應(yīng)變片測(cè)試原理在外力作用下，被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生微小機(jī)械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化， 同時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測(cè)得應(yīng)變片電阻值變化量為R時(shí)，便可得到被測(cè)對(duì)象的應(yīng)變值， 根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，得到應(yīng)力值為 =E 絲繞式應(yīng)變片敏感柵半圓弧形部分bOlrrdld03、橫向效應(yīng) 金屬應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測(cè)量應(yīng)變時(shí)，

7、構(gòu)件的軸向應(yīng)變使敏感柵電阻發(fā)生變化，其橫向應(yīng)變r(jià)也將使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化(除了起作用外)，應(yīng)變片的這種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱(chēng)為橫向效應(yīng)。圖為 應(yīng)變片敏感柵半圓弧部分的形狀。沿軸向應(yīng)變?yōu)?，沿橫向應(yīng)變?yōu)閞 。 若敏感柵有n根縱柵，每根長(zhǎng)為l，半徑為r，在軸向應(yīng)變作用下，全部縱柵的變形視為L(zhǎng)1半圓弧橫柵同時(shí)受到和r的作用，在任一微小段長(zhǎng)度d l = r d上的應(yīng)變可由材料力學(xué)公式求得 每個(gè)圓弧形橫柵的變形量l為縱柵為n根的應(yīng)變片共有n-1個(gè)半圓弧橫柵，全部橫柵的變形量為2cos2121rrrrrrddll200rrnL212L1= n l應(yīng)變片敏感柵的總

8、變形為敏感柵柵絲的總長(zhǎng)為L(zhǎng)，敏感柵的靈敏系數(shù)為KS，則電阻相對(duì)變化為令 則 可見(jiàn)，敏感柵電阻的相對(duì)變化分別是和r作用的結(jié)果。rrnrnnlLLL2121221rSSSKLrnKLrnnlLLKRR2) 1(2) 1(2SxKLrnnlK2) 1(2SyKLrnK2) 1(ryxKKRR當(dāng)r=0時(shí)，可得軸向靈敏度系數(shù)同樣，當(dāng)=0時(shí)，可得橫向靈敏度系數(shù)橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)之比值，稱(chēng)為橫向效應(yīng)系數(shù)c。即 由上式可見(jiàn)，r愈小，愈小，l愈大，則愈大，則c愈小。即敏感柵越愈小。即敏感柵越窄、基長(zhǎng)越長(zhǎng)的應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)引起的誤差越小窄、基長(zhǎng)越長(zhǎng)的應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)引起的誤差越小xxRRKryyRRK

9、rnnlrnKKcxy121 一、一、 電阻應(yīng)變片的種類(lèi)電阻應(yīng)變片的種類(lèi) 4.3 4.3 電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變片的種類(lèi)、材料和參數(shù)種類(lèi)、材料和參數(shù)1.絲式應(yīng)變片絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片有回線(xiàn)式和短接式二種，如圖2.3所示。但回線(xiàn)式最為常用，制作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，成本低，易粘貼，但其應(yīng)變橫向效應(yīng)較大。短接式應(yīng)變片兩端用直徑比柵線(xiàn)直徑大510倍的鍍銀絲短接。優(yōu)點(diǎn)是克服了橫向效應(yīng)，但制造工藝復(fù)雜 圖中 應(yīng)變片 a、c回線(xiàn)式 b、d短接式2.箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片 它是利用照相制版或光刻技術(shù)將厚約0.0030.01mm的金屬箔片制成所需圖形的敏感柵，也稱(chēng)為應(yīng)變花。優(yōu)點(diǎn)：.可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵

10、，其柵長(zhǎng)l可做0.2mm，以適應(yīng)不同的測(cè)量要求；.與被測(cè)件粘貼結(jié)面積大； .散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度； .橫向效應(yīng)小。 .蠕變和機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)。 缺點(diǎn)：電阻值的分散性比金屬絲的大，有的相差幾十歐姆，需做阻值調(diào)整。在常溫下，金屬箔式應(yīng)變片已逐步取代了金屬絲式應(yīng)變片。 3、薄膜應(yīng)變片薄膜應(yīng)變片 薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等方法在薄的絕緣基片上形成0.1m以下的金屬電阻薄膜的敏感柵, 最后再加上保護(hù)層。它的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變靈敏度系數(shù)大, 允許電流密度大, 工作范圍廣。 4、半導(dǎo)體應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片 半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料制成的, 其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。

11、所謂壓阻效應(yīng)，是指半導(dǎo)體材料在某一軸向受外力作用時(shí), 其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí), 其電阻相對(duì)變化為)21 (RR（3-10） 式中/為半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對(duì)變化量, 其值與半導(dǎo)體敏感元件在軸向所受的應(yīng)變力關(guān)系為E（3-11） 式中: 半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)。 將式（3 - 11）代入式（3 - 10）中得)21 (E（3-12） 實(shí)驗(yàn)證明, E比（1+2）大上百倍, 所以（1+2）可以忽略, 因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為 Ks = ERR（3-13） 半導(dǎo)體應(yīng)變片突出優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高半導(dǎo)體應(yīng)變片突出優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高, 比金屬絲式高比金屬絲式高5080倍倍, 尺寸小尺寸小

12、, 橫向效應(yīng)小橫向效應(yīng)小, 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。但它有溫度系數(shù)大動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。但它有溫度系數(shù)大, 應(yīng)應(yīng)變時(shí)非線(xiàn)性比較嚴(yán)重等缺點(diǎn)。變時(shí)非線(xiàn)性比較嚴(yán)重等缺點(diǎn)。 二、電阻應(yīng)變片的材料二、電阻應(yīng)變片的材料 對(duì)敏感柵的材料的要求：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測(cè)應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長(zhǎng)的應(yīng)變片；電阻溫度系數(shù)要??；抗氧化能力高，耐腐蝕性能強(qiáng)；在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度；加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材；易于焊接，對(duì)引線(xiàn)材料的熱電勢(shì)小。對(duì)應(yīng)變片要求必須根據(jù)實(shí)際使用情況，合理選擇。具體材料見(jiàn)P65-66三、應(yīng)變片的主要參數(shù)三、應(yīng)變片的主要參數(shù) 應(yīng)變片電阻值應(yīng)變片電阻值絕緣電阻絕緣電

13、阻靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)允許電流允許電流應(yīng)變極限應(yīng)變極限機(jī)械滯后機(jī)械滯后零漂零漂蠕變?nèi)渥?當(dāng)被測(cè)應(yīng)變值隨時(shí)間變化的頻率很高時(shí)，需考慮應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)特性。因應(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(shí)間很短(估計(jì)約0.2s)，故只需考慮應(yīng)變沿應(yīng)變片軸向傳播時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 設(shè)一頻率為 f 的正弦應(yīng)變波正弦應(yīng)變波在構(gòu)件中以速度 v 沿應(yīng)變片柵長(zhǎng)方向傳播，在某一瞬時(shí) t，應(yīng)變量沿構(gòu)件分布如圖所示。應(yīng)變片對(duì)應(yīng)變波的動(dòng)態(tài)響應(yīng)0應(yīng)變片1lx1x4.4 4.4 電阻應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性電阻應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 xx2sin0 設(shè)應(yīng)變波波長(zhǎng)為，則有= v /f。應(yīng)變片柵長(zhǎng)為L(zhǎng)，瞬時(shí)t時(shí)應(yīng)變波沿構(gòu)件分布為 應(yīng)變片

14、中點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)?xt為t瞬時(shí)應(yīng)變片中點(diǎn)的坐標(biāo)。應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變?yōu)闁砰L(zhǎng) l 范圍內(nèi)的平均應(yīng)變m，其數(shù)值等于 l 范圍內(nèi)應(yīng)變波曲線(xiàn)下的面積除以 l，即ttx2sin0llxxdxltxxmltltsin2sin2sin10022平均應(yīng)變m與中點(diǎn)應(yīng)變t相對(duì)誤差為lltmtmtsin11ll（%）1.620.52誤差誤差的計(jì)算結(jié)果的計(jì)算結(jié)果 1/201/10由上式可見(jiàn)，相對(duì)誤差的大小只決定于 的比值，表中給出了為1/10和1/20時(shí)的數(shù)值。由表可知，應(yīng)變片柵長(zhǎng)與正弦應(yīng)變波的波長(zhǎng)之比愈小，相對(duì)誤差愈小。當(dāng)選中的應(yīng)變片柵長(zhǎng)為應(yīng)變波長(zhǎng)的（1/101/20）時(shí)，將小于2%。因?yàn)槭街?應(yīng)變波在試件中的傳播速度；f

15、應(yīng)變片的可測(cè)頻率。取 ，則若已知應(yīng)變波在某材料內(nèi)傳播速度若已知應(yīng)變波在某材料內(nèi)傳播速度，由上式可計(jì)算，由上式可計(jì)算出柵長(zhǎng)為出柵長(zhǎng)為L(zhǎng)的應(yīng)變片粘貼在某種材料上的可測(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)變的應(yīng)變片粘貼在某種材料上的可測(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)變最高頻率。最高頻率。 f101llf1 .0 應(yīng)變波為階躍波應(yīng)變波為階躍波 a試件產(chǎn)生的階躍機(jī)械應(yīng)變波；b傳播速度為v的應(yīng)變波，通過(guò)柵長(zhǎng)l而遲后一段時(shí)間th=l/v的理論響應(yīng)特性；c應(yīng)變計(jì)對(duì)應(yīng)變波的實(shí)際響應(yīng)特性。上升工作時(shí)間：tr=0.8l/v； 工作頻限：f0.44v/l 應(yīng)變片是用粘結(jié)劑粘貼到被測(cè)件上的。粘結(jié)劑形成的膠層必須迅速地將被測(cè)件的應(yīng)變傳遞到敏感柵上。粘結(jié)劑的性能及粘貼工藝的質(zhì)

16、量直接影響著應(yīng)變片的工作特性，如零漂、蠕變、滯后、靈敏系數(shù)等?？梢?jiàn)選擇粘結(jié)劑和正確的粘結(jié)工藝與應(yīng)變片的測(cè)量精度有著極其重要的關(guān)系。 4.5 4.5 粘合劑和應(yīng)變片的粘貼技術(shù)粘合劑和應(yīng)變片的粘貼技術(shù)1.粘結(jié)劑的選擇粘結(jié)劑的選擇 粘結(jié)劑的主要功能是要在切向準(zhǔn)確傳遞試件的應(yīng)變。因此，它應(yīng)具備： (1)與試件表面有很高的粘結(jié)強(qiáng)度，一般抗剪強(qiáng)度應(yīng)大于9.8106Pa； (2)彈性模量大，蠕變、滯后小，溫度和力學(xué)性能參數(shù)要盡量與試件匹配； (3)抗腐蝕，涂刷性好，固化工藝簡(jiǎn)單，變形小，使用簡(jiǎn)便，可長(zhǎng)期貯存； (4)電絕緣性能、耐老化與耐溫耐濕性能均良好。 一般情況下，粘貼與制作應(yīng)變計(jì)的粘結(jié)劑是可以通用的。

17、但是，粘貼應(yīng)變計(jì)時(shí)受到現(xiàn)場(chǎng)加溫、加壓條件的限制。通常在室溫工作的應(yīng)變計(jì)多采用常溫、指壓固化條件的粘結(jié)劑；非金屬基應(yīng)變計(jì)若用在高溫工作時(shí)，可將其先粘貼在金屬基底上，然后再焊接在試件上。2.應(yīng)變計(jì)的粘貼應(yīng)變計(jì)的粘貼 一、應(yīng)變片檢查二、修整應(yīng)變片三、試件表明處理四、劃粘貼應(yīng)變片的定位線(xiàn)五、粘貼應(yīng)變片六、粘合劑的固化處理七、應(yīng)變片粘貼質(zhì)量的檢查八、引出線(xiàn)的固定保護(hù)九、應(yīng)變片的防潮處理（1） 溫度誤差及其產(chǎn)生原因溫度誤差及其產(chǎn)生原因 用作測(cè)量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變變化，而不受其它因素的影響。實(shí)際上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測(cè)試件的溫度)影響很大。由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變

18、所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí)，從而產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，稱(chēng)為應(yīng)變片的溫度誤差，又稱(chēng)熱輸出。因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)主要因素：應(yīng)變片的電阻絲應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵敏感柵)具有一定溫度系數(shù)；具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測(cè)試材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)不同。電阻絲材料與測(cè)試材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)不同。 4.6 4.6 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器的溫度誤差及其補(bǔ)償?shù)臏囟日`差及其補(bǔ)償 設(shè)環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為t（）時(shí)，粘貼在試件表面的應(yīng)變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為t ，則應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻相對(duì)變化為 由于敏感柵材料和被測(cè)構(gòu)件材料兩者線(xiàn)膨脹系數(shù)不同，當(dāng)t 存在時(shí)，引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變，其值為 e試件

19、材料線(xiàn)膨脹系數(shù)；g敏感柵材料線(xiàn)膨脹系數(shù)。 tRRt 1tget2相應(yīng)的電阻相對(duì)變化為K應(yīng)變片靈敏系數(shù)。tKRRge 2溫度變化形成的總電阻相對(duì)變化： 相應(yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)樯鲜綖閼?yīng)變片粘貼在試件表面上，當(dāng)試件不受外力作上式為應(yīng)變片粘貼在試件表面上，當(dāng)試件不受外力作用，在溫度變化用，在溫度變化t 時(shí)，應(yīng)變片的溫度效應(yīng)。用應(yīng)變形時(shí)，應(yīng)變片的溫度效應(yīng)。用應(yīng)變形式表現(xiàn)出來(lái)，稱(chēng)之為熱輸出。式表現(xiàn)出來(lái)，稱(chēng)之為熱輸出?？梢?jiàn)，應(yīng)變片熱輸出的大小不僅與應(yīng)變計(jì)敏感柵材料的性能(t,g)有關(guān)，而且與被測(cè)試件材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)(e)有關(guān)。 tKtRRRRRRgett 21ttKKRRgettt（2） 溫度補(bǔ)償（自補(bǔ)償法和線(xiàn)路

20、補(bǔ)償法）溫度補(bǔ)償（自補(bǔ)償法和線(xiàn)路補(bǔ)償法） 選擇式選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片自補(bǔ)償應(yīng)變片由前式知，若使應(yīng)變片在溫度變化t時(shí)的熱輸出值為零，必須使即 每一種材料的被測(cè)試件，其線(xiàn)膨脹系數(shù) 都為確定值，可以在有關(guān)的材料手冊(cè)中查到。在選擇應(yīng)變片時(shí)，若應(yīng)變片的敏感柵是用單一的合金絲制成，并使其電阻溫度系數(shù) 和線(xiàn)膨脹系數(shù) 滿(mǎn)足上式的條件，即可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。具有這種敏感柵的應(yīng)變片稱(chēng)為單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片。 0getKegtKetg 單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和使用都比較方便，但它必須在具有一定線(xiàn)膨脹系數(shù)材料的試件上使用，否則不能達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹ｋp金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片 由兩種不

21、同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負(fù)值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達(dá)到一定的溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)?，如圖。這種應(yīng)變片的自補(bǔ)償條件要求粘貼在某種試件上的兩段兩段敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號(hào)相反，號(hào)相反，即(Ra) t= (Rb) t焊點(diǎn)RaRbaeaabebbtaatbbbaKKRRRRRR補(bǔ)償效果可達(dá)0.45。 電路補(bǔ)償法電路補(bǔ)償法 如圖，電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關(guān)系為 式中A由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。3241RRRRAUSCUSCR2R4R1R3E橋路補(bǔ)償法 由上式可知，當(dāng)R3、R4為常數(shù)時(shí)，Rl和R2

22、對(duì)輸出電壓的作用方向相反。利用這個(gè)基本特性可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償，并且補(bǔ)償效果較好，這是最常用的補(bǔ)償方法之一。 測(cè)量應(yīng)變時(shí)，使用兩個(gè)應(yīng)變片，一片貼在被使用兩個(gè)應(yīng)變片，一片貼在被測(cè)試件的表面測(cè)試件的表面，圖中R1稱(chēng)為工作應(yīng)變片。另一片另一片貼在與被測(cè)試件材料相同的補(bǔ)償塊上貼在與被測(cè)試件材料相同的補(bǔ)償塊上，圖中R2，稱(chēng)為補(bǔ)償應(yīng)變片。在工作過(guò)程中補(bǔ)償塊不承受應(yīng)變，僅隨溫度發(fā)生變形。由于R1與R2接入電橋相鄰臂上，造成R1t與R2t相同，根據(jù)電橋理論可知，其輸出電壓USC與溫度無(wú)關(guān)。當(dāng)工作應(yīng)變片感受應(yīng)變時(shí)，電橋?qū)a(chǎn)生相應(yīng)輸出電壓。補(bǔ)償應(yīng)變片粘貼示意圖R1R2 當(dāng)被測(cè)試件不承受應(yīng)變時(shí)，R1和R2處于同一溫度

23、場(chǎng)，調(diào)整電橋參數(shù)，可使電橋輸出電壓為零，即上式中可以選擇R1=R2=R及R3=R4=R。 當(dāng)溫度升高或降低時(shí)，若R1t=R2t，即兩個(gè)應(yīng)變片的熱輸出相等，由上式可知電橋的輸出電壓為零，即03241RRRRAUSC322411RRRRRRAUttSCRRRRRRAtt21RRRRRRRRAtt21021ttRRRA= 若此時(shí)有應(yīng)變作用，只會(huì)引起電阻R1發(fā)生變化，R2不承受應(yīng)變。故由前式可得輸出電壓為由上式可知，電橋輸出電壓只與應(yīng)變有關(guān)，與溫度無(wú)關(guān)。為達(dá)到完全補(bǔ)償，需滿(mǎn)足下列三個(gè)條件：為達(dá)到完全補(bǔ)償，需滿(mǎn)足下列三個(gè)條件： R1和和R2須屬于同一批號(hào)的，即它們的電阻溫度系須屬于同一批號(hào)的，即它們的電

24、阻溫度系數(shù)數(shù)、線(xiàn)膨脹系數(shù)、線(xiàn)膨脹系數(shù)、應(yīng)變靈敏系數(shù)、應(yīng)變靈敏系數(shù)K都相同，兩片的初都相同，兩片的初始電阻值也要求相同；始電阻值也要求相同； 用于粘貼補(bǔ)償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件二者用于粘貼補(bǔ)償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件二者材料必須相同，即要求兩者線(xiàn)膨脹系數(shù)相等；材料必須相同，即要求兩者線(xiàn)膨脹系數(shù)相等； 兩應(yīng)變片處于同一溫度環(huán)境中。兩應(yīng)變片處于同一溫度環(huán)境中。 RKRARRRRKRRRAUttSC3224111此方法簡(jiǎn)單易行，能在較大溫度范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償。缺點(diǎn)是三個(gè)條件不易滿(mǎn)足，尤其是條件。在某些測(cè)試條件下，溫度場(chǎng)梯度較大，R1和R2很難處于相同溫度點(diǎn)。 另外也可以采用熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償采用熱敏電

25、阻進(jìn)行補(bǔ)償。如圖所示，熱敏電阻Rt與應(yīng)變片處在相同的溫度下，當(dāng)應(yīng)變片的靈敏度隨溫度升高而下降時(shí)，熱敏電阻Rt的阻值下降，使電橋的輸入電壓隨溫度升高而增加，從而提高電橋輸出電壓。選擇分流電阻R5的值，可以使應(yīng)變片靈敏度下降對(duì)電橋輸出的影響得到很好的補(bǔ)償。USCR2R4R1R3ERtR5 直流電橋的平衡條件直流電橋的平衡條件 負(fù)載負(fù)載RLRL（開(kāi)路）（開(kāi)路） 1423R RR R1234/RRRR電橋平衡時(shí)電橋平衡時(shí) I0=0 U0=0I0=0 U0=0 對(duì)比積相等對(duì)比積相等 鄰臂比相等鄰臂比相等 4.74.7電阻應(yīng)變式傳感器的電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路及電阻應(yīng)變儀信號(hào)調(diào)節(jié)電路及電阻應(yīng)變儀43

26、32110RRRRRREU設(shè)設(shè)R1R1為應(yīng)變片，應(yīng)變時(shí)為應(yīng)變片，應(yīng)變時(shí)R1R1變化量為變化量為R1R1，這時(shí)電橋失衡，不平衡輸出電壓為：這時(shí)電橋失衡，不平衡輸出電壓為：3101234RRRUERRRRR 4311112143(/)(/)(1/) 1/RRRRERRRRRR 電壓靈敏度電壓靈敏度設(shè)橋臂比設(shè)橋臂比12/nRR21unkEn電橋靈敏度定義為：電橋靈敏度定義為： 11/RR0211nRUERn電橋輸出：電橋輸出：忽略忽略 電壓靈敏度電壓靈敏度討論：討論： 電橋電壓靈敏度電橋電壓靈敏度KuKu越大，應(yīng)變變化相同情況輸出越大，應(yīng)變變化相同情況輸出電電壓越大；壓越大； KuKu與電橋電源與電

27、橋電源E E成正比成正比KuEKuE，但供電受應(yīng)變片允，但供電受應(yīng)變片允許許功耗限制；功耗限制； KuKu是橋臂比是橋臂比n n的函數(shù)的函數(shù)KuKu（n n），恰當(dāng)選擇），恰當(dāng)選擇n n可提高電可提高電壓靈敏度壓靈敏度KuKu。 電壓靈敏度電壓靈敏度討論：討論： 顯然顯然 n=1 R1=R2 R3=R4時(shí)有時(shí)有Ku最大最大210udkndndn4uEK 單臂工作片電壓靈敏度：?jiǎn)伪酃ぷ髌妷红`敏度： 104REUR 橋路輸出電壓：橋路輸出電壓： 電壓靈敏度電壓靈敏度 電壓靈敏度電壓靈敏度等臂電橋等臂電橋n=1n=1時(shí)時(shí), , 由上式近似得到：由上式近似得到： 112LRR 11011(1) (1

28、)RnRUERnnR實(shí)際輸出值為：實(shí)際輸出值為：0011011/1/LUURRUnRR非線(xiàn)性誤差：非線(xiàn)性誤差： 可見(jiàn)非線(xiàn)性誤差與可見(jiàn)非線(xiàn)性誤差與R1/R1R1/R1成正比成正比 為減小非線(xiàn)性誤差常采用差動(dòng)電橋?yàn)闇p小非線(xiàn)性誤差常采用差動(dòng)電橋u差動(dòng)電橋：在試件上安裝兩個(gè)工作片，一個(gè)受拉、差動(dòng)電橋：在試件上安裝兩個(gè)工作片，一個(gè)受拉、 一個(gè)受壓接在電橋的相鄰兩個(gè)臂，電橋輸出為：一個(gè)受壓接在電橋的相鄰兩個(gè)臂，電橋輸出為：3110112234RRRUERRRRRR12RRR 2uEK 半橋電壓靈敏度為：半橋電壓靈敏度為： 討論：討論： 輸出電壓輸出電壓U U0 0與與R1/R1R1/R1呈線(xiàn)性關(guān)系，無(wú)非線(xiàn)

29、性誤差；呈線(xiàn)性關(guān)系，無(wú)非線(xiàn)性誤差； 電壓靈敏度是單橋的兩倍；電壓靈敏度是單橋的兩倍； 具有溫度補(bǔ)償作用。具有溫度補(bǔ)償作用。02ERUR 電橋輸出：電橋輸出： 全橋：全橋：將四臂按對(duì)臂同性接四個(gè)工作片稱(chēng)全橋。將四臂按對(duì)臂同性接四個(gè)工作片稱(chēng)全橋。 若若R1=R2=R3=R4R1=R2=R3=R4101RUER 全橋電壓輸出：全橋電壓輸出： uKE 全橋電壓靈敏度為：全橋電壓靈敏度為： 142301234()()Z ZZ ZUUZZZZ14230Z ZZ Z 交流電橋需滿(mǎn)足交流電橋需滿(mǎn)足 對(duì)臂復(fù)數(shù)的模積相等，幅角之和相等。對(duì)臂復(fù)數(shù)的模積相等，幅角之和相等。1423| |ZZZZ142341310124113() ()(1)(1)ZZZZUUZZZZZZ交流電橋輸出：交流電橋輸出： 電橋電橋 測(cè)測(cè)20-200Hz20-200Hz應(yīng)變力輸出調(diào)幅調(diào)制波；應(yīng)變力輸出調(diào)幅調(diào)制波； 放大器放大器 將電橋輸出的調(diào)幅波放大；將電橋輸出的調(diào)幅波放大； 振蕩器振蕩器 產(chǎn)生等幅正弦波提供電橋電壓和相敏產(chǎn)生等幅正弦波提供電橋電壓和相敏檢檢 波器參考電壓；波器參考電壓； 相敏檢波器相敏檢波器 如果應(yīng)變有拉應(yīng)變和壓應(yīng)變，可如果應(yīng)變有拉應(yīng)變和壓應(yīng)變，可通通 過(guò)相敏檢波電路區(qū)分雙相信號(hào)；過(guò)相敏檢波電路區(qū)分雙相信號(hào)； 相移器相移器 相