傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成

傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成工作原理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)變當外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變彈性元件具有彈性應(yīng)變特性的物體傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成應(yīng)變式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工作原理：

當被測物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過測量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測量的大小。結(jié)構(gòu)：應(yīng)變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)用：廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測量傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成3.1.1應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)即導體或半導體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。

傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為：

傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成

當電阻絲受到拉力F作用時，將伸長Δl，橫截面積相應(yīng)減小ΔA，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了Δρ，從而引起電阻值變化量為：式中：dL/L——長度相對變化量，用應(yīng)變ε表示為

電阻相對變化量：傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成dA/A——圓形電阻絲的截面積相對變化量，設(shè)r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2πrdr，則：材料力學：在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短，軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為：μ為電阻絲材料的泊松比，負號表示應(yīng)變方向相反。

傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成推得：

定義：電阻絲的靈敏系數(shù)（物理意義）：單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量。其表達式為傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成靈敏度系數(shù)K受兩個因素影響一是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化，即1+2μ二是應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化，即（?ρ/ρ）/ε。對金屬材料：1+2μ＞＞(?ρ/ρ)/ε對半導體材料：(?ρ/ρ)/ε＞＞1+2μ大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成3.1.2電阻應(yīng)變片種類常用的電阻應(yīng)變片有兩種：金屬電阻應(yīng)變片半導體應(yīng)變片傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成金屬電阻應(yīng)變片傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成半導體應(yīng)變片傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成分析：當半導體應(yīng)變片受軸向力作用時半導體應(yīng)變片的電阻率相對變化量與所受的應(yīng)變力有關(guān)：式中：π——半導體材料的壓阻系數(shù);

σ——半導體材料的所受應(yīng)變力;

E——半導體材料的彈性模量;

ε——半導體材料的應(yīng)變。傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成因此：實驗證明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半導體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為：傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成

測量原理：在外力作用下，被測對象產(chǎn)生微小機械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化，同時應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當測得應(yīng)變片電阻值變化量為ΔR時，便可得到被測對象的應(yīng)變值，根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，得到應(yīng)力值σ為：σ=E·ε

傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成3.2應(yīng)變片的溫度誤差及補償

3.2.1應(yīng)變片的溫度誤差由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差。產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要因素有下述兩個方面。

1)電阻溫度系數(shù)的影響敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可用下式表示：

Rt=R0(1+α0Δt)

傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成式中:Rt——溫度為t時的電阻值；

R0——溫度為t0時的電阻值；α0——溫度為t0時金屬絲的電阻溫度系數(shù)；Δt——溫度變化值，Δt=t-t0。當溫度變化Δt時，電阻絲電阻的變化值為：

ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt

傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成2)試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響當試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時：環(huán)境溫度變化不會產(chǎn)生附加變形。當試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時：環(huán)境溫度變化，電阻絲會產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻變化。設(shè)電阻絲和試件在溫度為0℃時的長度均為l0,它們的線膨脹系數(shù)分別為βs和βg，若兩者不粘貼，則它們的長度分別為：

ls=l0(1+βsΔt)lg=l0(1+βgΔt)

傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成

當兩者粘貼在一起時，電阻絲產(chǎn)生的附加變形Δl、附加應(yīng)變εβ和附加電阻變化ΔRβ分別為：

傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成由于溫度變化而引起的應(yīng)變片總電阻相對變化量為

結(jié)論：因環(huán)境溫度變化而引起的附加電阻的相對變化量，除了與環(huán)境溫度有關(guān)外，還與應(yīng)變片自身的性能參數(shù)（K0,α0,βs）以及被測試件線膨脹系數(shù)βg有關(guān)。

傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成3.2.2電阻應(yīng)變片的溫度補償方法電阻應(yīng)變片的溫度補償方法通常有線路補償和應(yīng)變片自補償兩大類。

電橋補償是最常用且效果較好的電阻片溫度誤差補償方法。

傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成電橋補償法傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成電路分析g為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。由上式可知，當R3和R4為常數(shù)時，R1和R2對電橋輸出電壓Uo的作用方向相反。利用這一基本關(guān)系可實現(xiàn)對溫度的補償。傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成

測量方法：當被測試件不承受應(yīng)變時：R1和R2又處于同一環(huán)境溫度為t的溫度場中，調(diào)整電橋參數(shù)使之達到平衡，此時有：工程上，一般按R1=R2=R3=R4

選取橋臂電阻。

傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成溫度補償?shù)膶崿F(xiàn)：當溫度升高或降低Δt=t-t0時，兩個應(yīng)變片因溫度而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)，即：

應(yīng)變的測量：被測試件有應(yīng)變ε的作用，則工作應(yīng)變片電阻R1又有新的增量ΔR’1=R1Kε，而補償片因不承受應(yīng)變，故不產(chǎn)生新的增量，此時電橋輸出電壓為：可見：電橋的輸出電壓Uo僅與被測試件的應(yīng)變ε有關(guān)，而與環(huán)境溫度無關(guān)。傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成

注意補償條件：①在應(yīng)變片工作過程中，保證R3=R4。②R1和R2兩個應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)α、線膨脹系數(shù)β、應(yīng)變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值R0。③粘貼補償片的補償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料必須一樣，兩者線膨脹系數(shù)相同。④兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場。

傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成3.3測量電路

3.3.1直流電橋

1.直流電橋平衡條件圖3.5直流電橋

當RL→∞時，電橋輸出電壓為：

傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成當電橋平衡時，Uo=0，則有：

R1R4=R2R3或：

電橋平衡條件：欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，或相對兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。電橋平衡條件傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成2.電壓靈敏度應(yīng)變片工作時：電阻值變化很小，電橋相應(yīng)輸出電壓也很小，一般需要加入放大器進行放大。由于放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多，所以此時仍視電橋為開路情況。

當受應(yīng)變時：若應(yīng)變片電阻變化為ΔR，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo≠0，則電橋不平衡，輸出電壓為傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成

設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于ΔR1<<R1，分母中ΔR1/R1可忽略，并考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3，則上式可寫為：

電橋電壓靈敏度定義為：傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成

分析：①電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越高，電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓的提高受到應(yīng)變片允許功耗的限制，所以要作適當選擇；②電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。？當E值確定后，n取何值時才能使KU最高？傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成分析：思路：dKU/dn=0求KU的最大值

求得n=1時，KU為最大值。即在供橋電壓確定后，當R1=R2=R3=R4時，電橋電壓靈敏度最高，此時有：

結(jié)論：當電源電壓E和電阻相對變化量ΔR1/R1一定時，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂電阻阻值大小無關(guān)。傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成3.非線性誤差及其補償方法

與ΔR1/R1的關(guān)系是非線性的，非線性誤差為

理想情況（略去分母中的ΔR1/R1項）：實際情況（保留分母中的ΔR1/R1項）：傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成如果橋臂比n=1，則：例如：對于一般應(yīng)變片：所受應(yīng)變ε通常在5000μ以下，若取KU=2，則ΔR1/R1=KUε，計算得非線性誤差為0.5%；若KU=130，ε=1000μ時，ΔR1/R1，則得到非線性誤差為6%，故當非線性誤差不能滿足測量要求時，必須予以消除。

傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成圖3.6差動電橋

減小和消除非線性誤差的方法傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成半橋差動：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，接入電橋相鄰橋臂。該電橋輸出電壓為：

若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，則得：

可知：Uo與ΔR1/R1成線性關(guān)系，無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度KU=E/2，是單臂工作時的兩倍。傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成

全橋差動：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，將兩個應(yīng)變符號相同的接入相對橋臂上。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4，則：

結(jié)論：全橋差動電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度為單片工作時的4倍。傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成

3.3.2交流電橋引入原因：由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。由于供橋電源為交流電源，引線分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性，即相當于兩只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個電容。傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成圖3.7交流電橋

傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成式中,C1、C2表示應(yīng)變片引線分布電容。

每一橋臂上復(fù)阻抗分別為：傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成交流電橋輸出：

電橋平衡條件：Uo=0，即：

Z1Z4=Z2Z3

整理可得：

傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成變形為：

交流電橋的平衡條件（實部、虛部分別相等）：傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成交流電橋平衡條件：傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成

如果采用差動結(jié)構(gòu)：當被測應(yīng)力變化引起工作應(yīng)用片阻值變化時，則電橋輸出為：傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成3.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

應(yīng)變片能將應(yīng)變直接轉(zhuǎn)換成電阻的變化其他物理量（力、壓力、加速度等），需先將這些量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變－彈性元件應(yīng)變式傳感器的組成：彈性元件、應(yīng)變片、附件（補償元件、保護罩等）傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成3.4.1應(yīng)變式力傳感器被測物理量：荷重或力。主要用途：作為各種電子稱與材料試驗機的測力元件、發(fā)動機的推力測試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測等。力傳感器的彈性元件：柱式、筒式、環(huán)式、懸臂式等。傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成圖3.9圓柱（筒）式力傳感器（a）柱式；（b）筒式；（c）圓柱面展開圖；（d）橋路連線圖

1.柱（筒）式力傳感器傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成2.環(huán)式力傳感器傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成

對R/h>5的小曲率圓環(huán)：A、B兩點的應(yīng)變。

這樣，測出A、B處的應(yīng)變，即可得到載荷F。