第一章_电阻式应变式传感器

ResistiveStrainGageSensor电阻应变式传感器超声波探头热电偶CCD传感器电涡流传感器气敏电阻光电池热释电传感器应变式传感器应变式传感器电阻元件非电量电阻变化本节内容一、工作原理二、应变片的类型与材料三、应变片的特性四、温度误差与补偿五、信号调节电路六、应变式传感器的应用优点具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下的测量。应变计工作的物理基础——电阻应变效应①精度高，测量范围广；②使用寿命长，性能稳定可靠；③结构简单，体积小，重量轻；④频率响应较好，可用于静态测量又可用于动态测量；⑤价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用缺点§2.1应变式传感器一、工作原理电阻应变效应演示一、工作原理电阻应变式传感器1金属的电阻应变效应定义：轴向应变S=πr2dS/S=2·dr/r径向应变泊松比图1.1金属导体受力变形情况一、工作原理电阻丝的灵敏系数Ks：单位应变所引起的电阻相对变化量。电阻率变化几何尺寸变化Ks=1.8~4.8实验 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 在应变极限内Ks为常数一、工作原理2应变片的基本结构及测量原理2341图1.2电阻应变片结构示意图bl敏感栅1、基底2、覆盖层3、引线4和粘结剂栅长栅宽一、工作原理结构根据应力与应变的关系，得到应力值σ为σ=E·ε弹性模量测量原理σε△R/R一、工作原理应变片测量原理一、工作原理丝式箔式回线式应变片短接式应变片体形薄膜型二、应变片类型图1.3丝式应变片应变片类型图1.4几种箔式应变片厚约0.003－0.01mm二、应变片类型图1.5薄膜应变片厚度0.1以下，是薄膜技术发展的产物二、应变片类型二、应变片类型实物二、应变片材料对敏感栅的材料的要求：①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；③电阻温度系数要小；④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。敏感栅的材料有：康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金、铂、铂钨合金……1灵敏度系数K应变计的灵敏系数导电丝材的灵敏系数K与Ks相同吗？应变片的特性三、应变片的特性2横向效应短接式应变片、箔式应变片如何减小横向效应沿轴向应变为沿横向应变为图1.6丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分bOlεrrdldθθε0ε应变片的特性（3）机械滞后ΔεΔε1机械应变ε卸载加载指示应变εi图1.7应变片的机械滞后（4）应变片的电阻值R应变片在未经安装也不受外力情况下，室温下测得的电阻值习惯上为60、120、200、350、500、1000Ω,其中以120Ω最常用。应变片的特性四、电阻应变式传感器的温度误差及补偿1、温度误差及产生原因由于温度变化引起的应变输出（1）敏感栅电阻值（T）温度误差Rt=R0(1+αΔt)；附加应变特点T；（2）线膨胀系数不匹配温度误差电阻丝被迫拉伸到和试件一样长，△L附加应变附加电阻变化温度误差总附加电阻总附加应变2、温度补偿方法①桥路补偿法R1—工作片RB—补偿片R—平衡电阻图1.8桥路补偿法温度误差补偿图1.9测量梁的弯曲应变R1与RB特性相同接入相邻臂输出电压增加2倍△R1t=△RBt应变状态相反在某些情况下，可以比较巧妙地安装应变片而不需补偿件并兼得灵敏度的提高。温度误差补偿②应变片自补偿法单丝自补偿双丝自补偿温度误差补偿图1.10双金属丝栅法UR2R4R1R3ERtR5图1.11热敏电阻补偿法TUR5—分流电阻温度误差补偿③热敏电阻补偿法Rt测量电路变化电阻应变计电桥电路机械应变U(I)变化电阻应变仪放大、显示例：已知公式：初始电阻R=120灵敏度系数K=2纵向应变=1000=1‰时求：该应变片电阻的绝对变化量R=0.24电阻应变片工作时，通常其电阻变化是很小的，测量电路双臂应变电桥单臂应变电桥全臂应变电桥直流电桥：R交流电桥:R、L、C不平衡桥式：偏差测量法（动态）平衡桥式：零位测量法（静态）半等臂电桥全等臂电桥工作方式桥臂关系电源负载工作臂电压输出桥：功率输出桥：U、I电源端对称输出端对称应变电桥测量电路1平衡电桥当RL→∞时，电桥输出电压为：当电桥平衡时，Uo=0，则有：R1R4=R2R3电桥平衡条件平衡电桥（一）直流电桥ERLR2R4R1R3U0图1.12直流测量电桥由于应变引起阻值变化，电桥不平衡，调节则有：特点：需做两次调节，若应变为动态量，则电阻变化快，平衡电桥不适用。平衡电桥ERLR2R4R1R3U0图1.12直流测量电桥①单臂电桥2不平衡电桥单臂电桥满足电桥平衡：ER2R4R1R3U0图1.13单臂测量电桥+-电桥电压灵敏度定义为分析:(2)电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。当E值确定后，n取何值时才能使KU最高？单臂电桥求得n=1时，电桥电压灵敏度最高，此时有：结论：当电源电压E和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，与各桥臂电阻阻值大小无关。单臂电桥非线性误差及其补偿方法U0与ΔR1/R1的关系是非线性的，非线性误差为理想情况（略去分母中的ΔR1/R1项）：实际情况（保留分母中的ΔR1/R1项）：单臂电桥如果桥臂比n=1，则：例如：对于一般应变片：所受应变ε通常在5000μ以下，若取K=2，则ΔR1/R1=Kε=0.01，计算得非线性误差为0.5%；若K=130，ε=1000μ时，ΔR1/R1=0.130，则得到非线性误差为6%，故当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。单臂电桥差动电桥减小和消除非线性误差的方法图1.14差动电桥②半桥差动为提高电桥电压灵敏度n=1半桥差动ERLR2-ΔR2R4R1+ΔR1R3U0图1.15半桥差动电路+-与单臂相比:电桥电压灵敏度：Uo与ΔR1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。同时还具有温度补偿作用。半桥差动③全桥差动为提高电桥电压灵敏度n=1全桥差动ER1-ΔR1R1+ΔR1U0图1.16全桥差动电路+-R4-ΔR4R4+ΔR4Uo与ΔR1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E，是单臂工作时的四倍。同时还具有温度补偿作用。结论：全桥差动直流电桥优点：电源稳定电路简单，仍是主要测量电路；缺点：直流放大器较复杂，存在零漂工频干扰。交流电桥优点：放大电路简单无零漂，不受干扰，为特定传感器带来方便；缺点：需专用测量仪器或电路不易取得高精度。（二）交流电桥交流电桥电桥平衡条件：Uo=0，即：交流电桥输出：UiZ2Z4Z1Z3U0图1.17交流电桥~交流电桥交流电桥需要满足两个方程式电桥平衡条件设各桥臂阻抗为：交流电桥交流电桥UiZ2Z4Z1Z3U0图1.18交流电桥~考虑单臂单臂情况，R1工作片,交流电桥输出电压交流电桥一般情况下，由于导线寄生电容很小，电源频率也不很高。因此，交流电桥输出电压单臂交流电桥半桥差动电路全桥差动电路交流电桥（三）恒流源电桥USRR2R4R1R3U0图1.19恒流源电桥←I1I2若右图所示的电路输入阻抗较高，则有：I1(R1+R2)=I2(R3+R4)I=I1+I21.电桥输出电压与电阻变化量的关系恒流源电桥解该方程组得:输出电压为:若电桥初始平衡，且R1=R2=R3=R4=R恒流源电桥若满足ΔR<