第3章電阻傳感器電子課件ppt

1、 1、掌握應變效應、應變方程、橫向效應、靈敏系數(shù)、壓阻效應及金屬電阻應變、掌握應變效應、應變方程、橫向效應、靈敏系數(shù)、壓阻效應及金屬電阻應變片和半導體應變片的溫度誤差及溫度補償、電阻應變片的測量電路；片和半導體應變片的溫度誤差及溫度補償、電阻應變片的測量電路；2、熟悉線繞電位器傳感器的工作原理，掌握空載及負載特性，金屬、熟悉線繞電位器傳感器的工作原理，掌握空載及負載特性，金屬電阻應變片的靜態(tài)特性與動態(tài)特性以及壓阻式傳感器的基本知識；電阻應變片的靜態(tài)特性與動態(tài)特性以及壓阻式傳感器的基本知識； 3、了解電位器具傳感器和金屬電阻應變片的結構、參數(shù)、彈性組件、了解電位器具傳感器和金屬電阻應變片的結構、

2、參數(shù)、彈性組件種類及金屬電阻式傳感器的應用。種類及金屬電阻式傳感器的應用。本章重點：本章重點：應變效應、橫和效應、靈敏系數(shù)、溫度誤差及溫度補償、應變效應、橫和效應、靈敏系數(shù)、溫度誤差及溫度補償、靜態(tài)特性與動態(tài)特性。靜態(tài)特性與動態(tài)特性。本章難點：本章難點：溫度誤差及溫度補償、靜態(tài)特性與動態(tài)特性。溫度誤差及溫度補償、靜態(tài)特性與動態(tài)特性。一、一、 電阻傳感器電阻傳感器將力、扭矩、位移、速度、將力、扭矩、位移、速度、加速度及流量等非電量轉換成電阻參數(shù)的變化，加速度及流量等非電量轉換成電阻參數(shù)的變化，這種測量系統(tǒng)稱為電阻傳感器。這種測量系統(tǒng)稱為電阻傳感器。二、電阻傳感器的種類二、電阻傳感器的種類1、電位

3、器傳感器；、電位器傳感器； 2、電阻應變傳感器；、電阻應變傳感器； 3、壓阻傳感器、壓阻傳感器3.1、電位器傳感器、電位器傳感器一、電位器傳感器的基本知識一、電位器傳感器的基本知識1、電位器傳感器定義：、電位器傳感器定義：將電位器作為傳感元件，直接把機械線將電位器作為傳感元件，直接把機械線位移或角位移轉換為與其成一定函數(shù)關系的電阻或電壓輸出的裝置位移或角位移轉換為與其成一定函數(shù)關系的電阻或電壓輸出的裝置稱為電位器傳感器。稱為電位器傳感器。3、電位器的基本作用：作變阻器用；作分壓器用。、電位器的基本作用：作變阻器用；作分壓器用。2、電位器分類：、電位器分類：（1）按輸出）按輸出輸入特性分類，分為

4、線性電位器和非線性電位器；輸入特性分類，分為線性電位器和非線性電位器；（2）按制成電阻體材料分類，分為五類：）按制成電阻體材料分類，分為五類： a金屬絲線繞式；金屬絲線繞式；b合成電阻膜式；合成電阻膜式；c導電塑料式；導電塑料式；d導電玻璃式；導電玻璃式； e半導體式；半導體式； （3）按電刷位移方式分類，分為線位移和角位移；）按電刷位移方式分類，分為線位移和角位移；（4）按電位器結構分類，分為四類：）按電位器結構分類，分為四類： A滑線式；滑線式；B分段電阻式；分段電阻式；C液體觸點式；液體觸點式；D光電式；光電式；優(yōu)點：優(yōu)點： （1）結構簡單，尺寸小，重量輕；）結構簡單，尺寸小，重量輕；4

5、 4、電位器傳感器的優(yōu)、缺點、電位器傳感器的優(yōu)、缺點（2）精度高（可達）精度高（可達0.1% 0.05%）（3）性能穩(wěn)定，受環(huán)境因素（溫度、濕度、電磁場干擾）性能穩(wěn)定，受環(huán)境因素（溫度、濕度、電磁場干擾 等）影響小。等）影響小。缺點：缺點： （1）因為存在滑動觸頭與線圈或電阻膜之間的磨擦，）因為存在滑動觸頭與線圈或電阻膜之間的磨擦，因此需要較大的輸入量；因此需要較大的輸入量；（2）由于磨損，不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且）由于磨損，不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且降低測量精度。降低測量精度。二、線繞電位器傳感器的結構及工作原理二、線繞電位器傳感器的結構及工作原理 1、結構：、結構：由兩大

6、部分組成：由兩大部分組成： （1）電阻體。塑料骨架上繞有電阻系數(shù)很大的電阻絲。）電阻體。塑料骨架上繞有電阻系數(shù)很大的電阻絲。 （2）電刷。）電刷。 2、工作原理、工作原理 電位器為空載電位器為空載(RL=)時，時， 對應的輸出電壓為：對應的輸出電壓為： 而對應的電阻變化為：而對應的電阻變化為： 則輸出電壓為：則輸出電壓為：RRUUxi0LxRRxxSxLRLxRRRxxSxLULxUUUii0 上述分析表明，空載時，改變測量電阻值Rx所引起的輸出電壓U0的變化為線性變化。RRUUxi0LxRRx三、線繞電位器傳感器的階梯特性、階梯誤差和分辨率三、線繞電位器傳感器的階梯特性、階梯誤差和分辨率1、

7、 階梯特性階梯特性由線繞電位器結構可知，當電刷在變阻器線圈上移動時，線圈一圈由線繞電位器結構可知，當電刷在變阻器線圈上移動時，線圈一圈一圈地變化，因此，電位器的電阻值隨電刷位移一圈地變化，因此，電位器的電阻值隨電刷位移x的變化量是不連的變化量是不連續(xù)的，所以輸出電壓續(xù)的，所以輸出電壓U0隨電刷位移隨電刷位移x的變化也是不連續(xù)的，而是階的變化也是不連續(xù)的，而是階躍式變化。如圖躍式變化。如圖3-2所所示。示。 2、階梯誤差、階梯誤差如圖如圖3-3所示，理論特所示，理論特性曲線性曲線 與理想特性曲與理想特性曲線線 的偏差稱為階梯誤的偏差稱為階梯誤差。差。 3、電壓分辨率、電壓分辨率線繞電位器的電壓分

8、辨率是指在電刷行程內(nèi)電位器輸出電線繞電位器的電壓分辨率是指在電刷行程內(nèi)電位器輸出電壓階梯的最大值與最大輸出電壓之比的百分數(shù)。壓階梯的最大值與最大輸出電壓之比的百分數(shù)。四、四、 電位器的負載特性與負載誤差電位器的負載特性與負載誤差 圖圖34所所示為帶負示為帶負載電位器載電位器的電路圖。的電路圖。圖圖35所所示繪出了示繪出了負載特性負載特性曲線曲線圖圖36所示所示的曲線圖為的曲線圖為e與與m、X的關的關系系 五、五、 非線繞電位器式傳感器非線繞電位器式傳感器 線繞電位器式傳感器具有高精度、性能穩(wěn)定、易于達到較線繞電位器式傳感器具有高精度、性能穩(wěn)定、易于達到較高的線性度和實現(xiàn)各種非線性特性等優(yōu)點，但

9、也存在階梯高的線性度和實現(xiàn)各種非線性特性等優(yōu)點，但也存在階梯誤差、分辨力低、耐磨性差、壽命較低等缺點。為此研制誤差、分辨力低、耐磨性差、壽命較低等缺點。為此研制出一種非線繞電位器式傳感器，非線性線繞電位器又叫函出一種非線繞電位器式傳感器，非線性線繞電位器又叫函數(shù)電位器。數(shù)電位器。消除非線性誤差的方法有兩種：消除非線性誤差的方法有兩種：第一，采用空載特性為非線性的電位器。第一，采用空載特性為非線性的電位器。使它帶負載時具有線性輸出特性；這些非線性電位器有：用曲線骨架繞制的用曲線骨架繞制的非線性電位器，輸出輸出輸入之間具有正弦函數(shù)的輸入之間具有正弦函數(shù)的非線性電位器，用分段法繞制的用分段法繞制的非

10、線性電位器。用并聯(lián)電阻法繞制的用并聯(lián)電阻法繞制的非線性電位器。第二，引入具有非線性可變電阻第二，引入具有非線性可變電阻R，與負載電阻，與負載電阻RL串聯(lián)串聯(lián)，有關具體實現(xiàn)方法這里不作討論。非線繞電位器式傳感器有以下幾種：非線繞電位器式傳感器有以下幾種： 1、合成膜電位器、合成膜電位器 合成膜電位器的變阻器合成膜電位器的變阻器是由電阻液噴涂在絕緣骨架是由電阻液噴涂在絕緣骨架表面上形成電阻膜而制成的。表面上形成電阻膜而制成的。電阻液是由石墨、炭黑、樹電阻液是由石墨、炭黑、樹脂等材料配制而成，經(jīng)烘干脂等材料配制而成，經(jīng)烘干聚合后，在骨架上形成電阻聚合后，在骨架上形成電阻膜。這種電位器的優(yōu)點是分膜。這

11、種電位器的優(yōu)點是分辨力高，阻值范圍廣、耐磨辨力高，阻值范圍廣、耐磨性好、工藝簡單、成本低，性好、工藝簡單、成本低，其線性度為其線性度為1%左右，經(jīng)修左右，經(jīng)修刻后可提高至刻后可提高至0.1%左右。左右。其主要缺點是接觸電阻大、其主要缺點是接觸電阻大、抗潮濕性差和噪聲較大。抗潮濕性差和噪聲較大。 2、金屬膜電位器、金屬膜電位器 金屬膜電位器是在玻璃或膠木基片上，分別金屬膜電位器是在玻璃或膠木基片上，分別用高溫蒸鍍和電鍍方法，涂復一層金屬膜或金屬用高溫蒸鍍和電鍍方法，涂復一層金屬膜或金屬復合膜而制成的。用于制作金屬膜的合金有銠鍺、復合膜而制成的。用于制作金屬膜的合金有銠鍺、鉑銅、鉑銠、鉑銠錳等合金

12、，而復合膜則是一層鉑銅、鉑銠、鉑銠錳等合金，而復合膜則是一層金屬和一層氧化物膜的合成，如銠膜和氧化錫膜、金屬和一層氧化物膜的合成，如銠膜和氧化錫膜、鎳鉻合金膜加氧化鈦膜等。使用金屬復合膜的目鎳鉻合金膜加氧化鈦膜等。使用金屬復合膜的目的在于提高膜層的阻值和耐磨性，金屬合金膜阻的在于提高膜層的阻值和耐磨性，金屬合金膜阻值高，而金屬氧化膜耐磨。值高，而金屬氧化膜耐磨。電阻溫度系數(shù)可達（電阻溫度系數(shù)可達（0.51.5）10-4/0C，溫度，溫度在在1500C以上能正常工作；分辨力高，磨擦力矩以上能正常工作；分辨力高，磨擦力矩小。缺點是功率小，耐磨性差，阻值不高小。缺點是功率小，耐磨性差，阻值不高（12

13、K）。）。金屬膜電位器的優(yōu)點金屬膜電位器的優(yōu)點3 3、導電塑料電位器、導電塑料電位器 這種電位器又稱為實心電位這種電位器又稱為實心電位器，它的電阻元件是由塑料器，它的電阻元件是由塑料粉及導電材料（金屬合金、粉及導電材料（金屬合金、石墨、碳黑等）粉經(jīng)壓制而石墨、碳黑等）粉經(jīng)壓制而成。其優(yōu)點是耐磨性較高，成。其優(yōu)點是耐磨性較高，使用次數(shù)可達上千萬次，壽使用次數(shù)可達上千萬次，壽命較高；它的電刷可允許較命較高；它的電刷可允許較大的接觸力，由幾十至幾百大的接觸力，由幾十至幾百克，適于在振動、沖擊等惡克，適于在振動、沖擊等惡劣條件下工作；其阻值易受劣條件下工作；其阻值易受溫度和濕度影響，接觸電阻溫度和濕度

14、影響，接觸電阻大，精度不高。大，精度不高。4、光電電位器、光電電位器光電電位器最大的優(yōu)點是無磨擦和光電電位器最大的優(yōu)點是無磨擦和磨損，也不會產(chǎn)生磨擦力矩，提高磨損，也不會產(chǎn)生磨擦力矩，提高了儀器的精度、壽命和可靠性；阻了儀器的精度、壽命和可靠性；阻值范圍寬（約值范圍寬（約5002M），且分），且分辨率很高，這些都是一般電位器所辨率很高，這些都是一般電位器所不及的。不及的。3.2金屬電阻應變片金屬電阻應變片 電阻應變片電阻應變片是一種能將被測試器件的應變變化轉換成電阻變化的敏感組件。電阻應變片有兩大類：金屬電阻應金屬電阻應變片和半導體應變片。變片和半導體應變片。一、應變效應一、應變效應 金屬電阻

15、應變片的工作原理是電阻應變效應即金屬導體或半導體材料在外力作用下產(chǎn)生變形時，導致其電阻值發(fā)生變化，使電阻相對變化量與其線應變成正比的現(xiàn)象稱為電阻應變效應，或簡稱應變效應。應變效應。 、結構簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠；、易于實現(xiàn)測量過程自動化和多點同步測量、遠距離測量和遙測；、靈敏度高，測量速度快，適合靜態(tài)、動態(tài)測量；、可以測量多種物理量。應變式電阻傳感器具有如下獨特的優(yōu)點應變式電阻傳感器具有如下獨特的優(yōu)點 1、金屬電阻應變片的結構、金屬電阻應變片的結構二、金屬電阻應變片的工作原理二、金屬電阻應變片的工作原理 金屬絲應變片的結構如圖38所示。 （1）敏感柵）敏感柵 ；（；（2）基底）基底 ；

16、 （3）覆蓋層）覆蓋層 ；（；（4）引線）引線 ；（；（5） 粘結劑粘結劑 2、應變片工作原理、應變片工作原理 設一長度為設一長度為l、截面積為、截面積為A、電阻率為、電阻率為的金屬絲，未的金屬絲，未受外力作用時，其電阻為受外力作用時，其電阻為AlR 電阻絲受到拉力作用時，電阻絲會發(fā)生變形。長度伸電阻絲受到拉力作用時，電阻絲會發(fā)生變形。長度伸長長l，面積減小，面積減小A，電阻率變化，電阻率變化，由此引起電阻變化，由此引起電阻變化，用微分方程表示用微分方程表示 則則 稱為應變方程。稱為應變方程。KS即為電阻絲的應變靈敏系數(shù)。即為電阻絲的應變靈敏系數(shù)。 dAldAAldlAdR2則 SKddRdR

17、)21 (2 dKS213 3、產(chǎn)生應變的原因、產(chǎn)生應變的原因 1）、電阻絲受力后，材料的幾何尺寸發(fā)生變化，導致）、電阻絲受力后，材料的幾何尺寸發(fā)生變化，導致其電阻值發(fā)生變化。即式中的（其電阻值發(fā)生變化。即式中的（122）項。金屬材）項。金屬材料的電阻應變效應以此項為主，即料的電阻應變效應以此項為主，即K K金金122，其值，其值約在約在1.71.73.63.6之間，一般取之間，一般取K K金金2 2。（2 2）、）、電阻絲受力后，材料內(nèi)部的自由電子的數(shù)量和電阻絲受力后，材料內(nèi)部的自由電子的數(shù)量和活動能力發(fā)生變化，引起物理性質(zhì)發(fā)生變化，使其電活動能力發(fā)生變化，引起物理性質(zhì)發(fā)生變化，使其電阻率發(fā)

18、生變化，導致電阻阻率發(fā)生變化，導致電阻 值發(fā)生變化。即式中的值發(fā)生變化。即式中的項。項。半導體材料的壓阻效應以此項為主。即半導體材料的壓阻效應以此項為主。即K K半半。其值可。其值可達達100100以上。由應變方程可知，電阻絲的電阻相對變化以上。由應變方程可知，電阻絲的電阻相對變化與軸向應變成正比。與軸向應變成正比。 三、金屬電阻應變片的靜態(tài)特性三、金屬電阻應變片的靜態(tài)特性 金屬應變片感受試件不隨時間變化或變化緩慢的應變時的輸出特性稱為靜態(tài)特性。靜態(tài)特性。其主要指標有：1 1、靈敏系數(shù)、靈敏系數(shù)K K；靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)K有三個特點：有三個特點：（1）K與外施力與外施力F的方向無關，只與外的方向

19、無關，只與外施施F的大小有關，即的大小有關，即K拉拉K壓壓K；（2）應變片的靈敏系數(shù)）應變片的靈敏系數(shù)K一般小于制一般小于制成該應變片敏感柵同等長度直電阻絲的成該應變片敏感柵同等長度直電阻絲的靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)KS。即。即KKS。（3）同批量應變片的）同批量應變片的K不完全相等，不完全相等， 橫向效應：橫向效應：在測量縱向應變時，在測量縱向應變時，敏感柵的園弧部分將產(chǎn)生負的電阻敏感柵的園弧部分將產(chǎn)生負的電阻變化，從而降低了應變片的靈敏系變化，從而降低了應變片的靈敏系數(shù)，這種現(xiàn)象稱為應變片的橫向效數(shù)，這種現(xiàn)象稱為應變片的橫向效應。應。2、橫向效應及橫向效應系數(shù)、橫向效應及橫向效應系數(shù)H：消除橫向效

20、應影響的方法消除橫向效應影響的方法、采用大基長窄基寬的敏感柵、采用大基長窄基寬的敏感柵 、采用短接式敏感柵、采用短接式敏感柵、采用箔式敏感柵、采用箔式敏感柵 3、機械滯后、機械滯后 指粘貼在試件上的應變片，在恒溫條件下增減試件應變過程中，對應同一個機械應變g所指示的應變i差值。如圖311所示。 4、零漂和蠕變、零漂和蠕變 零漂是指溫度恒定，試件初始空載時，應變片電阻值隨時間變化的特性。粘貼在試件上的應變片，在恒溫恒載條件下，指示應變隨時間單向變化的特性稱為蠕變。如圖312所示， 5、應變極限、應變極限minmin，指溫度恒定時，使非線性誤差達，指溫度恒定時，使非線性誤差達到到10時的真實應變值

21、，稱為應變極限。即時的時的真實應變值，稱為應變極限。即時的真真minmin 。6、絕緣電阻、絕緣電阻粘貼好的應變片引線與試件之間的粘貼好的應變片引線與試件之間的電阻值即為應變片絕緣電阻電阻值即為應變片絕緣電阻Rm m。7、最大工作電流、最大工作電流敏感柵允許通過而不影響其工敏感柵允許通過而不影響其工作特性的最大電流稱為最大工作電流作特性的最大電流稱為最大工作電流Imaxmax。工作電流。工作電流大，輸出信號大，靈敏度高。但工作電流超過大，輸出信號大，靈敏度高。但工作電流超過Imaxmax，應變片會過熱，靈敏系數(shù)變化，零漂與蠕變增大，甚應變片會過熱，靈敏系數(shù)變化，零漂與蠕變增大，甚至燒毀應變片。

22、一般靜態(tài)測試電流取至燒毀應變片。一般靜態(tài)測試電流取25m mA，動態(tài)測，動態(tài)測試取試取75100m mA 四、金屬電阻應變片的動態(tài)特性四、金屬電阻應變片的動態(tài)特性應變片的動態(tài)特性指其感受隨時間變化的應變響應特性。應變片的動態(tài)特性指其感受隨時間變化的應變響應特性。1、對正弦應變波的響應、對正弦應變波的響應 應變片對正弦應變波的響應是在其應變片對正弦應變波的響應是在其柵長范圍內(nèi)所感受的應變量的平均值。柵長范圍內(nèi)所感受的應變量的平均值。如圖如圖3-13表示一頻率為表示一頻率為f，幅值為，幅值為0的正的正弦波，以速度為沿著應變片縱向方向傳弦波，以速度為沿著應變片縱向方向傳播時，在某瞬時播時，在某瞬時t

23、的分布圖。的分布圖。 2、應變極限和疲勞壽命、應變極限和疲勞壽命 在幅值一定的交變外力作用下，粘貼在試件上在幅值一定的交變外力作用下，粘貼在試件上的應變片連續(xù)工作至疲勞損壞時的循環(huán)次數(shù)的應變片連續(xù)工作至疲勞損壞時的循環(huán)次數(shù)N稱為稱為應變片的疲勞壽命。應變片的疲勞壽命。 當彈性體輸入的真實應變超過某一限值時，應當彈性體輸入的真實應變超過某一限值時，應變片的輸出特性將出現(xiàn)非線性，如圖變片的輸出特性將出現(xiàn)非線性，如圖3-14所示。所示。 五、金屬電阻應變片電橋電路五、金屬電阻應變片電橋電路因為應變片將被測非電量因為應變片將被測非電量轉換為電阻輸出，要把電轉換為電阻輸出，要把電阻變換成電壓或電流，必阻

24、變換成電壓或電流，必須和電橋電路一起使用。須和電橋電路一起使用。1、直流電橋電路、直流電橋電路(1)平衡條件平衡條件直流電橋電路的基本形式如直流電橋電路的基本形式如圖圖3-20所示所示,R1、R2、R3、R4稱為電橋的橋臂，稱為電橋的橋臂，RL為為其負載。其負載。 R1R4=R2 R3 或便稱為電橋平衡條件。 4321RRRR提高單臂工作應變片的電橋電壓靈敏度的方法：提高單臂工作應變片的電橋電壓靈敏度的方法： 提高供橋電壓提高供橋電壓U 。但是，供橋電壓的提高，受到兩。但是，供橋電壓的提高，受到兩方面的限制：一是應變片的允許溫升，即應變片的允許功方面的限制：一是應變片的允許溫升，即應變片的允許

25、功耗；一是應變片電阻的溫度誤差。耗；一是應變片電阻的溫度誤差。 采用等臂電橋采用等臂電橋 （3）、消除非線性誤差的方法：）、消除非線性誤差的方法： （2）電壓靈敏度）電壓靈敏度 2)1 (nnEKv半差動電橋；半差動電橋； 全差動電橋全差動電橋提高橋臂比；提高橋臂比； 采用高內(nèi)阻的恒流源電橋采用高內(nèi)阻的恒流源電橋采用差動電橋采用差動電橋 a)、半差動電橋、半差動電橋 在同一試件上分別粘貼兩只應變片，一只感受拉力，一只感受壓力，兩者應變符號相反，大小相等。測試時，將兩只應變片分別接在電橋的相鄰橋臂上，如圖3-21所示。 b)、全差動電橋、全差動電橋 若在同一試件上分別粘貼4片應變片，其中兩片受拉

26、力，兩片受壓力，如圖322所示。將兩個應變符號相同的應變片接在相對橋臂上，則構成全差動電橋。 高內(nèi)阻的恒流源電橋高內(nèi)阻的恒流源電橋 通過電橋各橋臂的電流不穩(wěn)定，也是產(chǎn)生非線性誤差的重要原因之一。所以采用恒流源供電，如圖3-23所示。 電橋輸出電壓為： 由上式可知，用恒流源供電輸出電壓分母中的R被4R除，而用恒壓源供電輸出電壓的分母中的R被2R除。因此，采用恒流源電橋比恒壓源電橋的非線性誤差減小一倍。RRRRIIRRRRU41114144.02、交流電橋電路、交流電橋電路（1）、直流電橋的優(yōu)缺點）、直流電橋的優(yōu)缺點優(yōu)點：優(yōu)點：易于獲得高穩(wěn)定性直流電源，電橋平衡調(diào)節(jié)簡單，易于獲得高穩(wěn)定性直流電源，

27、電橋平衡調(diào)節(jié)簡單，連接導線的分布參數(shù)小。連接導線的分布參數(shù)小。缺點：缺點：輸出電壓采用直流放大器，易產(chǎn)生零點漂移。故多輸出電壓采用直流放大器，易產(chǎn)生零點漂移。故多采用交流電橋電路。采用交流電橋電路。交流電橋交流電橋連接導線的分布參數(shù)影響小，連接導線的分布參數(shù)影響小，平衡調(diào)節(jié)、信號放大電路均與直流電平衡調(diào)節(jié)、信號放大電路均與直流電橋明顯不同。橋明顯不同。UZZZZZZZZUZZZUZZZU432132414332110（2）、交流電橋平衡條件）、交流電橋平衡條件交流電橋結構與工作原理和直流電橋基本相同，如圖交流電橋結構與工作原理和直流電橋基本相同，如圖3-24所示。不同的是輸入輸出電壓為交流。在

28、一般情況下，其所示。不同的是輸入輸出電壓為交流。在一般情況下，其輸出電壓為輸出電壓為其平衡條件由復數(shù)其平衡條件由復數(shù)U0求得。求得。 Z1Z4Z2Z30 則則Z1Z4Z2Z3因此，交流電橋平衡條件有兩個：因此，交流電橋平衡條件有兩個：r1r4r2r3x1x4x2x3 或或 z1z4=z2z3r1x4+r4x1=r2x3+r3x2 1+4=2+3（3）、交流電橋調(diào)平衡方法）、交流電橋調(diào)平衡方法、電阻調(diào)平法。包括串聯(lián)電阻法和并聯(lián)電阻法。、電阻調(diào)平法。包括串聯(lián)電阻法和并聯(lián)電阻法。、電容調(diào)平法。、電容調(diào)平法。包括差動電容法和包括差動電容法和阻容調(diào)平法。阻容調(diào)平法。 （4）、交流不平衡電橋輸出）、交流不

29、平衡電橋輸出 （1）單臂交流電橋，其輸出電壓為 11041ZZUU（2）半差動電橋，其輸出電壓為 ZZUU210 （3）全差動電橋，其輸出電壓為 ZZUU0六、電阻應變片的溫度誤差及其補償六、電阻應變片的溫度誤差及其補償溫度效應溫度效應單純由溫度變化引起應變片電阻虛假變化單純由溫度變化引起應變片電阻虛假變化的現(xiàn)象，也為應變片的溫度效應。的現(xiàn)象，也為應變片的溫度效應。溫度誤差溫度誤差由溫度效應引起的誤差。即由于環(huán)境溫度由溫度效應引起的誤差。即由于環(huán)境溫度改變而給測量帶來的附加誤差，稱為應變片的溫度誤差，改變而給測量帶來的附加誤差，稱為應變片的溫度誤差，或稱熱輸出?；蚍Q熱輸出。1、溫度效應與溫度誤

30、差、溫度效應與溫度誤差2、產(chǎn)生溫度誤差的原因、產(chǎn)生溫度誤差的原因（1）、電阻溫度系數(shù)）、電阻溫度系數(shù)的影響的影響（2）、）、 敏感柵材料與試件材料的線膨脹系數(shù)敏感柵材料與試件材料的線膨脹系數(shù)的影響的影響（3）、溫度變化使應變片產(chǎn)生的總的附加誤差）、溫度變化使應變片產(chǎn)生的總的附加誤差（3 3）、總的溫度影響）、總的溫度影響tKtKtRRRRRRgsgttt000tKKRRKgtttt110tKKEEgtttt總的電阻相對變化?？偟碾娮柘鄬ψ兓?總熱輸出?？偀彷敵?。 總的應力誤差?？偟膽φ`差。 3、溫度誤差補償方法、溫度誤差補償方法月月 溫度誤差補償溫度誤差補償就是消除t對測量應變的干擾。通常

31、采用溫度自溫度自補償和橋路補償法。補償和橋路補償法。（1）、應變片自補償法）、應變片自補償法 這種補償方法是通過精心選配敏感這種補償方法是通過精心選配敏感材料與結構參數(shù)來實現(xiàn)溫度誤差被償。材料與結構參數(shù)來實現(xiàn)溫度誤差被償。 單絲自補償法單絲自補償法 雙絲自補償法雙絲自補償法這種傳感器的敏感柵由電阻溫度系數(shù)為一正一負的這種傳感器的敏感柵由電阻溫度系數(shù)為一正一負的兩種合金絲串接而成。如圖兩種合金絲串接而成。如圖3-233-23所示。所示。（2）、橋路補償法）、橋路補償法 橋路被償法利用電橋的和差原理來實現(xiàn)溫度誤差的被償。有兩橋路被償法利用電橋的和差原理來實現(xiàn)溫度誤差的被償。有兩種方法：種方法： 補

32、償片法；補償片法； 差動補償法差動補償法補償片法補償片法A）、對被償片法的要求：）、對被償片法的要求：a、R1為工作片，為工作片，RB為被償片，二者性能要完全相為被償片，二者性能要完全相同；同； b、R1、RB分別貼在兩個材料完全相同的試件上，且處于同一溫度場中分別貼在兩個材料完全相同的試件上，且處于同一溫度場中 c、R1、RB接在電橋的相鄰橋臂上。接在電橋的相鄰橋臂上。B）、被償目的：）、被償目的：如果電橋輸出電壓的分子如果電橋輸出電壓的分子中不含有中不含有Rt，則達到溫度被償目的。，則達到溫度被償目的。C）、被償原理：）、被償原理：D）、補償片法的缺點：）、補償片法的缺點：a、兩個應變片只

33、有一個工作，應變片利用、兩個應變片只有一個工作，應變片利用率只有率只有50；b、要求工作片與補償片處于同一溫度場中，、要求工作片與補償片處于同一溫度場中，感受溫度完全相同，難以做到，因而難以達感受溫度完全相同，難以做到，因而難以達到完全溫度補償?shù)哪康?。到完全溫度補償?shù)哪康摹?為了提高應變片的利用效率，設法使補償片也工作，但要接為了提高應變片的利用效率，設法使補償片也工作，但要接成差動式。如圖成差動式。如圖 3-253-25所示。所示。差動補償法差動補償法A A）、對應變片的要求：）、對應變片的要求： a a、R R1 1、R R2 2為工作片，且互為被償片，二者性能要完全相同；為工作片，且互為

34、被償片，二者性能要完全相同；b b、R R1 1、R R2 2貼在同一試件上，使二者感受互為相反的力；貼在同一試件上，使二者感受互為相反的力；c c、R R1 1、R R2 2接在電橋的相鄰橋臂上接在電橋的相鄰橋臂上B）、被償目的：）、被償目的：如果電橋輸出如果電橋輸出電壓的分子中不含有電壓的分子中不含有Rt，則達到溫，則達到溫度被償目的。度被償目的。 由于由于R R1 1、R R2 2 性能完全相同，又處于同一溫度場中，性能完全相同，又處于同一溫度場中，故故 RR1t1tRR2t2tRRt t R R1 1RR2 2RR則電橋輸出電壓為則電橋輸出電壓為URRURRRURRRRRRRRURRR

35、RRRRRRRRRRRRRURRRRRRRRUtttttttt000000000000043213241021442222 式中：式中：（RRt tR（12） RR 故故 由半導體電阻理論可知：由半導體電阻理論可知： RRL LL LEE 則半導體壓阻材料的應變靈敏系數(shù)則半導體壓阻材料的應變靈敏系數(shù)K為為 K=LE 1、K與下列因素有關與下列因素有關：1）K與半導體材料有關。與半導體材料有關。一般一般P型半導體材料的應變靈型半導體材料的應變靈敏系數(shù)敏系數(shù)K為正，為正，N型半導體材料的應變系數(shù)型半導體材料的應變系數(shù)K為負。為負。 2）K與半導體的晶向有關。與半導體的晶向有關。 經(jīng)查資料得，經(jīng)查資

36、料得，P型材料在型材料在111晶晶向的向的K最大。如圖最大。如圖3-283-28所示所示. . 2、影響壓阻效應、影響壓阻效應L L的因素：的因素：1）壓阻系數(shù)隨擴散雜質(zhì)濃度的增）壓阻系數(shù)隨擴散雜質(zhì)濃度的增加而減小加而減小 ；2）表面雜質(zhì)濃度低時，壓阻系數(shù)）表面雜質(zhì)濃度低時，壓阻系數(shù)隨溫度升高而下降較快。隨溫度升高而下降較快。五、五、半導體應變片的結構與主要特性半導體應變片的結構與主要特性 1、結構：、結構：其敏感柵可做成條形、其敏感柵可做成條形、U形、形、W形，一般柵長形，一般柵長為為110mm。2、主要特性：、主要特性：(1)、應變電阻特性、應變電阻特性 、總的講來，、總的講來，P型硅型硅

37、Si比比N型硅型硅Si的線性要好。的線性要好。 P型硅型硅Si拉伸時拉伸時的線性比壓縮時好，的線性比壓縮時好，N型硅型硅Si壓縮時的線性比拉伸時好。如圖壓縮時的線性比拉伸時好。如圖3-29所示。所示。、摻雜濃、摻雜濃度增加，線度增加，線性變好，但性變好，但靈敏度下降。靈敏度下降。如圖如圖3-30所所示。示。(2)、電阻溫度特性性、電阻溫度特性性 RRb bK Kb b（g gb b）tt 、一般硅和鍺的、一般硅和鍺的（70070010106 60 0C C），比康銅的），比康銅的（202010106 60 0C C）和卡瑪絲等金屬的）和卡瑪絲等金屬的值大很多，且值大很多，且K Kb b比比K

38、Kbgbg大大5050們以們以上，故半導體應變片電阻溫度特性比金屬電阻應變片大得多，上，故半導體應變片電阻溫度特性比金屬電阻應變片大得多，、摻雜濃度增加時，、摻雜濃度增加時，RRR R受受tt影響減小，但靈敏系數(shù)下降。影響減小，但靈敏系數(shù)下降。、半導體應變片靈敏系數(shù)、半導體應變片靈敏系數(shù)K K隨隨溫度升高而降低；溫度升高而降低；、K K受溫度的影響隨雜質(zhì)濃度受溫度的影響隨雜質(zhì)濃度增加而減小。當雜質(zhì)濃度很高增加而減小。當雜質(zhì)濃度很高時，時，K K幾乎不受溫度變化影響。幾乎不受溫度變化影響。(3)(3)、靈敏系數(shù)的溫度特性、靈敏系數(shù)的溫度特性半導體應變片靈敏系數(shù)半導體應變片靈敏系數(shù)K K受溫度影響

39、，這主要是由于壓阻受溫度影響，這主要是由于壓阻系數(shù)系數(shù)L L受溫度影響所致。半導體壓阻系數(shù)受溫度影響所致。半導體壓阻系數(shù)L L與溫度與溫度t t的的關系為關系為L LAtAt，式中，式中A A、是由半導體材料與雜質(zhì)濃度、是由半導體材料與雜質(zhì)濃度所決定的常數(shù)。所決定的常數(shù)。圖圖3-32 示出示出P型硅半導體應型硅半導體應變片的靈敏系數(shù)變片的靈敏系數(shù)溫度特溫度特性。靈敏系數(shù)的溫度系數(shù)隨性。靈敏系數(shù)的溫度系數(shù)隨雜質(zhì)濃度增加而接近于零。雜質(zhì)濃度增加而接近于零。 六、半導體應變片的溫度補償方法六、半導體應變片的溫度補償方法1 1、溫度自補償法：、溫度自補償法：一組件補償法；二組件補償法。一組件補償法；二

40、組件補償法。與金屬應變片自補償法同。與金屬應變片自補償法同。2、靈敏系數(shù)溫度補償法、靈敏系數(shù)溫度補償法應變片未工作時，調(diào)節(jié)調(diào)零器，使應變片未工作時，調(diào)節(jié)調(diào)零器，使U U0 00 0；、應變片工作時，、應變片工作時，U U0 0IRIRIRIRIRKIRK；、溫度變化、溫度變化t后，后，RR0（1t） KK0（1t）則則U0IRKIR0（1t）K0（1t） IR0K01（）tt2因為因為0 0 使得（使得（）t20。使得使得U0IR0K0保持求變，達到溫度補償目的。保持求變，達到溫度補償目的。3.4 電阻式傳感器的應用電阻式傳感器的應用 （一）電阻應變儀（一）電阻應變儀 電阻應變儀是一種可以直接

41、測量試件應變的儀器。它以電阻應變儀是一種可以直接測量試件應變的儀器。它以電橋為基礎，將電橋輸出微小變化，經(jīng)過電壓放大，供電橋為基礎，將電橋輸出微小變化，經(jīng)過電壓放大，供普通電流計指示或供記錄儀紀錄。普通電流計指示或供記錄儀紀錄。 電阻應變儀種類按測量應變變化頻率劃分有以下幾種： 1、靜態(tài)電阻應變儀。 2、靜動態(tài)電阻應變儀。 3、動態(tài)電阻應變儀。 4、超動態(tài)電阻應變儀。 5、遙測應變儀。 （二）（二） 電位器式壓力傳感器電位器式壓力傳感器 圖3-36示出YCD-150型壓力傳感器原理圖，它由一個C形彈簧管和電位器組成。電位器固定在殼體上，電刷與彈簧管的傳動機構相連接。當流體被測壓力P變化時，彈簧

42、管的自由端產(chǎn)生位移，通過傳動機構，一面帶動指針偏轉，一面帶動電刷在線繞電位器上滑動，從而將被測壓力轉換為電阻值變化。 圖3-37為另一種電位器壓力傳感器原理圖， （三）金屬電阻應變式傳感器及應用（三）金屬電阻應變式傳感器及應用1、金屬電阻應變式傳感器由彈性敏感元件、金屬電阻應、金屬電阻應變式傳感器由彈性敏感元件、金屬電阻應變片及外殼等組成的裝置。變片及外殼等組成的裝置。2、特點特點：測試范圍寬，輸出特性線性度好，測量精度高，：測試范圍寬，輸出特性線性度好，測量精度高，性能穩(wěn)定，性能穩(wěn)定， 工作可靠，能適應惡劣環(huán)境條件。工作可靠，能適應惡劣環(huán)境條件。3、用途用途：用于測量力、壓力、加速度等力學量，廣泛用：用于測量力、壓力、加速度等力學量，廣泛用于煤炭、化工、冶金、機械、交通及國防等許多部門。于煤炭、化工、冶金、機械、交通及國防等許多部門。一、工作原理一、