自動檢測精華濃縮版-專1電阻式元件

專題一電阻式檢測元件2.4電阻應變片的測量電路1．平衡條件當RL→∞時，電橋輸出電壓:當電橋平衡時,U0=0，所以:R1R4=

R2R3或

R1/R2=R3/R4(2-25)ERLR2R4R1R3U0圖2-11直流測量電橋2.4.1直流電橋2．電壓靈敏度若R1由應變片替代，當電橋開路時，不平衡電橋輸出的電壓為:(2-26)設橋臂比n=R2/R1,由于ΔR1<<R1,可得:分析(2-28)式：①電橋的靈敏度SV正比于供橋電壓E。②電橋的靈敏度SV

是橋臂比的函數(shù)。當供橋電壓E確定后，由求得n

=1時，SV為最大。即：在當供橋電壓E確定后，當R1=R2、R3=R4

時，電橋的靈敏度最高。結論：當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。此時，可分別將（2-26）式、（2-27）式、（2-28）式簡化為：（1）非線性誤差實際的非線性特性曲線與理想的線性特性曲線的偏差稱為絕對非線性誤差；絕對非線性誤差與理想的線性特性曲線

的比稱為相對非線性誤差，用r表示。3．非線性誤差及其補償方法（2-32）①提高橋臂比從（2-32）式可知，提高橋臂比n可使非線性誤差減小；但電橋電壓靈敏度SV

將降低。為了不降低SV

，必須適當提高供橋電壓E。（2）減小或消除非線性誤差的方法②采用差動電橋a.半橋差動

ERLR2-ΔR2R4R1+ΔR1R3U0圖2-12半橋差動電路如果橋臂電阻R1和鄰邊橋臂電阻R2都由應變片替代，且使一個應變片受拉，另一個受壓，這種接法稱為半橋差動工作電路。結論：U0與ΔR1/R1

成線性關系，差動電橋無非線性誤差；電壓靈敏度SV=E/2

，比使用單只應變片提高了一倍。當電橋開路時，不平衡電橋輸出的電壓為：若，則：b.全橋差動若滿足ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4則輸出電壓為：可見：全橋差動電橋也無非線性誤差；電壓敏度SV=E

是使用單只應變片的4倍，比半橋差動提高了一倍。ERLR2-ΔR2R4+ΔR4R1+ΔR1U0圖2-12全橋差動電路R3-ΔR32.6應變式傳感器應用舉例2.6.1力（荷重）傳感器例2-1.柱式力傳感器

圖2-19柱式力傳感器FF面積S-ε1+ε2-ε2+ε1截面積SF(a)實心圓柱(b)空心圓柱F軸向布置一個或幾個應變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應變片，后者取符號相反的應變，以構成差動對。由于應變片沿圓周方向分布，所以非軸向載荷分量被補償。由材料力學知識，在彈性限度內(nèi):

楊氏模量面積三式聯(lián)立解得:故令則:

彈性元件上應變片的粘貼和電橋連接，應盡可能消除偏心和彎矩的影響，一般將應變片對稱地貼在應力均勻的圓柱表面中部，構成差動對,且處于對臂位置，以減小彎矩的影響。橫向粘貼的應變片具有溫度補償作用。

u0U0R1R3R5R7R6R8R2R4R6R7R8R2R3R4R5圖2-20柱式力傳感器應變片的粘貼與橋路連接R1(a)圓柱面展開圖(b)橋路連接例2-2梁式力傳感器(1)等強度梁(a)等強度懸臂梁FR4R1FhR1、R4lR2、R3一端固定，一端自由，厚度為h,長度l，固定端寬度為b0,力F

作用在三角形頂點。其表面應變?yōu)?/p>

：4只應變片此位置上下兩側分別粘有4只應變片，R1、R4同側；R3、R2同側，這兩側的應變方向剛好相反，且大小相等，可構成全差動電橋。由于是全差動電橋，應有：所以：供橋電壓輸出電壓楊氏模量(2)等截面梁FR1、R4R2、R3hl(b)等截面懸臂梁R1R4b4只應變片一端固定，一端自由，厚度為h,寬度為b,懸臂外端到應變片中心的距離為l。其應變?yōu)?/p>

：FR1、R4R2、R3hl/2l/2(c)雙端固定梁R1R4b4只應變片(3)固定梁懸臂梁是一端固定、一端自由的彈性敏感元件。它的特點是靈敏度比較高。所以多用于較小力的測量。例如，民用電子稱中就多采用懸臂梁。當力F（例如蘋果的重力）以垂直方向作用于電子秤中的鋁質懸臂梁的末端時，梁的上表面產(chǎn)生拉應變，下表面產(chǎn)生壓應變，上下表面的應變大小相等符號相反。粘貼在上下表面的應變片也隨之拉伸和縮短。得到正負相間的電阻值的變化，接入橋路后，就能產(chǎn)生輸出電壓。

雙彎曲梁為傳感器彈性體，四片應變片分別粘貼在梁的上、下兩表面上，組成全橋電路。當載荷F作用時，R1、R2受拉伸，阻值增加；R3、R4受壓縮，阻值減小。電橋失去平衡，產(chǎn)生電壓輸出。（4）雙彎曲梁圖2-22雙彎曲梁R4R3R2R1F若梁的厚度為h，寬度為b，梁端到梁中心的距離為d，梁端到應變片的距離為δ，應變片的基長為a，材料的彈性模量為E，當載荷F作用時，雙彎曲梁的應變?yōu)殡姌蜉敵鲭妷簽椋?.6.2應變式傳感器測量壓力例2-3應變式壓力傳感器DdP薄壁筒上貼有兩片工作應變片，實心部分貼有兩片溫度補償片。實心部分在筒內(nèi)有壓力時不產(chǎn)生形變。當無壓力時，四片應變片組成的全橋平衡；當被測壓力P進入應變筒的腔內(nèi)時，圓筒發(fā)生形變，電橋失衡。圓筒外表面上的環(huán)向應變?yōu)椋孩餐彩綉儔毫鞲衅魅舯谳^薄時，可用下式計算環(huán)向應變:筒式壓力傳感器性能特點：可用于高壓測量。結構特點：圓柱盲孔，環(huán)向應變。2.6.3應變式傳感器測量加速度例2-4應變式加速度傳感器圖2-24應變式加速度傳感器L應變片質量塊m彈簧片外殼基座a2.6.4壓阻式傳感器的應用例2-5壓阻式壓力傳感器高壓腔圖2-25固態(tài)壓力傳感器P硅膜片低壓腔引線圖2-26壓阻式加速度傳感器擴散電阻硅梁質量塊基座例2-6壓阻式加速度傳感器(a)微壓傳感器傳壓桿感壓膜圖2-27應變式傳感器測容器內(nèi)液體重量電阻應變片（反、正兩面共4片）E2R1R3RLR2R4U0R1R3RLR2R42.6.5應變式傳感器應用實例例2-7應變式傳感器測容器內(nèi)液體重量(b)例2-8裂紋探測應變計R裂紋大小圖2-29裂紋探測應變計的電阻變化特性曲線圖2-30測量電路

R1R2E裂紋應變計圖2-28裂紋探測應變計裂紋習題如下圖