1、3.1工作原理工作原理3.2电阻应变片特性电阻应变片特性3.3电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路3.4应变式传感器应用应变式传感器应用 第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器器, , 传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。 当被测物理量作用在弹性元件上时当被测物理量作用在弹性元件上时, , 弹性元件的变形引起应变弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化敏感元件的阻值变化, ,
2、通过转换电路将其转变成电量输出通过转换电路将其转变成电量输出, , 电量变电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器是目前测量化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、力、力矩、 压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。 3.1 3.1 工作原理工作原理 2341电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图bl栅长栅长栅宽栅宽 2341电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图bl栅长栅长栅宽栅宽应变计金属应变片金属应变片 2341电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图bl栅长栅长栅宽栅宽 2341电阻应变片结构
3、示意图电阻应变片结构示意图bl栅长栅长栅宽栅宽 2341电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图bl栅长栅长栅宽栅宽 SlRSlRdRdSSRdllRdRSlRSlSRSlR ,2dSldSSldlSdR2dSldSSldlSdR2 dSlrdrSldlSdSlSdSSldlSdSldSSldlSdR 22rdrrrdrrrdSdS22222 dldlrdrldldrdrldlSldSlrdrSldlSRdR /2122RdRdldlSdS dldlrdrldlRdR /21ldlrdrr/dldlRdR21)21()21( dldldRdR 0)/21()/21(KllldldlldRdR
4、ldlrdrr/ ldlrdrr/ 21)/21(0 KlldRdR 0)/21(KlldRdR 210 KRdR)/21 ()/21 (dlldRdRSlR/ddSlRdSSldlSdSldSSRdllRdRdR 2SdSldldlSdSldldlSldSSldlSdSlRdR 2ldldSdSdEdGEdRdR)21 ()/21 (GEdRdR)21 ()/21 (dEGERdR)21 ( 半导体应变片突出优点是灵敏度高半导体应变片突出优点是灵敏度高, , 比金属丝式高比金属丝式高50508080倍倍, , 尺寸小尺寸小, , 横向效应小横向效应小, , 动态响应好。但它有温度系数大动态响
5、应好。但它有温度系数大, , 应变时非应变时非线性比较严重等缺点。线性比较严重等缺点。 3.2 3.2 电阻应变片的特性电阻应变片的特性 21)/21(0 KlldRdR0KRR/210dK 21)/21(0 KlldRdR 二、应变片的温度误差及补偿二、应变片的温度误差及补偿1. 1. 应变片的温度误差应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差, , 称为称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面面: :tRRRRt000tRRt001tll
6、gg10tllss10tRKRKRtlltllllsgsgsgsg000000tKRtRKtRRRRRRsgsgt000000000tKRtRKtRRRRRRsgsgt000000000tKKtKKRRsgsgtt0000000/2. 2. 电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。自补偿两大类。 1) 1) 线路补偿法线路补偿法 电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。下图所电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。下图所示是电桥补偿法的原理图。电桥输出电压示是电桥补偿法的
7、原理图。电桥输出电压U Uo o与桥臂参数的关系与桥臂参数的关系为：为：U Uo o=A=A（R R1 1R R4 4- R- RB BR R3 3） 2143432143214132RRRRRRRRRRRRRRRRREIgg 12143432143214132RRRRRRRRRRRRRRRRRERIUgggg 12143432143214132RRRRRRRRRRRRRRRRRERIUgggg 43214132434212RRRRRRRRERRRRRREUg 电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。下图所示是电电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。下图所示是电桥补偿法的原理图。电桥输出
8、电压桥补偿法的原理图。电桥输出电压U Uo o与桥臂参数的关系为：与桥臂参数的关系为：U Uo o=A=A（R R1 1R R4 4- R- RB BR R3 3） 上式中，上式中，A A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知，当为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知，当R R3 3和和R R4 4为常数时，为常数时，R R1 1和和R RB B对电桥输出电压对电桥输出电压U U0 0的作用相反。利用这一基本关系的作用相反。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。可实现对温度的补偿。U Uo o=A=A（R R1 1R R4 4- R- RB BR R3 3） 测量应变时，工作应变片测
9、量应变时，工作应变片R R1 1粘贴在被测试件表面上，粘贴在被测试件表面上，补偿应变补偿应变片片R RB B粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变承受应变，如上图（，如上图（b b）所示。）所示。 当被测试件不承受应变时，当被测试件不承受应变时，R R1 1和和R RB B又处于同一环境温度为又处于同一环境温度为t t的温的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有：度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有：U U0 0=A(R=A(R1 1R R4 4-R-RB BR R3 3)=0)=0 U U0 0=A(R=A
10、(R1 1R R4 4-R-RB BR R3 3)=0)=0 工程上，一般按工程上，一般按R R1 1=R=RB B=R=R3 3=R=R4 4选取桥臂电阻。选取桥臂电阻。 当温度升高或降低当温度升高或降低t=t-tt=t-t0 0时，两个应变片因温度相同而引起时，两个应变片因温度相同而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态，即：的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态，即：034110RRRRRRAUBtBtKRARU410KRARU410 由上式可知，电桥的输出电压由上式可知，电桥的输出电压U U0 0仅与被测试件的应变仅与被测试件的应变有关，有关，而与环境温度无关。而与环境温度无关。 应当
11、指出，若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下应当指出，若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下4 4个条件：个条件：在应变片工作过程中，保证在应变片工作过程中，保证R R3 3=R=R4 4。R R1 1和和R RB B两个应变片应具有相同的电阻温度系数两个应变片应具有相同的电阻温度系数、线膨胀系数、线膨胀系数、应变灵敏度系数应变灵敏度系数K K和初始电阻值和初始电阻值R R0 0。KRARU410KRARU410粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。两者线膨胀系数相同。两应变片应处于同一温
12、度场。两应变片应处于同一温度场。2) 2) 应变片的自补偿法应变片的自补偿法 这种温度补偿法是利用这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用自身具有温度补偿作用的应变片的应变片（称之为温度自补偿应变片）来补偿的。（称之为温度自补偿应变片）来补偿的。 温度自补偿应变片的工作原理可由下式得出温度自补偿应变片的工作原理可由下式得出, , 要实现温要实现温度自补偿度自补偿, , 必须有：必须有：0 0= -K= -K0 0（g g-s s） 上式表明，当被测试件的线膨胀系数上式表明，当被测试件的线膨胀系数g g已知时已知时, , 如果合如果合理选择敏感栅材料，即其电阻温度系数理选择敏感栅材料，即其电阻温
13、度系数0 0、灵敏系数、灵敏系数K K0 0和线和线膨胀系数膨胀系数s s，使上式成立，则不论温度如何变化，均有，使上式成立，则不论温度如何变化，均有RRt t/ / R R0 0=0=0，从而达到温度自补偿的目的。，从而达到温度自补偿的目的。 tKRtRKtRRRRRRsgsgt000000000第3章 应变式传感器2022-5-15393.3 3.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 由于机械应变一般都很小由于机械应变一般都很小, , 要把微小应变引起的微小电要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来阻变化测量出来, , 同时要把电阻相对变化同时要把电阻相对变化R/RR/R转换为电压或
14、转换为电压或电流的变化。因此电流的变化。因此, , 需要有专用测量电路用于测量应变变化需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路而引起电阻变化的测量电路, , 通常采用直流电桥和交流电桥。通常采用直流电桥和交流电桥。434212RRRRRREVO43212222434342212211/RRRRRRRRRRERRRRRRRREVO2221RRnnEVO222222221/1/nnERRRRnnERRVSOr34221111211nnEnnnnEnnnEnSr0nSr2222432122224322/11/RRRRERRRRRRRRRREVO2222222222222111412
15、114122/RRRRERRRRERRRREVO22222411RRERRnnEVOEnnESr411222222411RRERRnnEVOEnnESr4112222222222222221114141211141RRRRRRERRERRRREVVVrOOO222RRr%5 . 0005. 0105000221216K222RRr%2525. 010500010021216K 半桥差动电桥中含有两个应变半桥差动电桥中含有两个应变片：其中一个应变片受到拉力（片：其中一个应变片受到拉力（R R2 2），一个应变片受到压力（），一个应变片受到压力（R R1 1），），则二者受到的应变符号相反。将两则
16、二者受到的应变符号相反。将两个应变片接入电桥的相邻桥臂上，个应变片接入电桥的相邻桥臂上，称为半桥差动电桥电路。称为半桥差动电桥电路。434221122RRRRRRRRREVO434221122RRRRRRRRREVO2222221212RRERRREVO2241RREVOTTTTTTTTTTORRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRREV222244222434221122全桥差动电桥的四个桥臂中都接入全桥差动电桥的四个桥臂中都接入应变片，其中两个对桥臂应变片受应变片，其中两个对桥臂应变片受到拉力（到拉力（R R2 2，R R3 3），另外两个对桥臂），另外两个对桥臂应变片受到压力（应
17、变片受到压力（R R1 1，R R4 4），构成全），构成全桥差动电桥电路。桥差动电桥电路。443344221122RRRRRRRRRRRREVO443344221122RRRRRRRRRRRREVORRERRRRRRERRRRRREVO22224442222241RREVOTTTTTTTTTTTORRRERRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRRRRREV2222443344221122 其中供桥电流为其中供桥电流为I I0 0，通过各臂，通过各臂的电流为的电流为I I1 1与与I I2 2。 则电路中电流满足下列方程组：则电路中电流满足下列方程组：0432121204321431
18、IRRRRRRIIRRRRRRI输出电压为：输出电压为：0432141324221IRRRRRRRRRIRIV0432141324221IRRRRRRRRRIRIVORRRIRRRRIIRRRRIRRRRRRRRRRVO41141441400004322141322RRRIVO41141022222222211141211141RRRRERRRREVO RIIRRRRRIRRRRRRRRIRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRVtttttttttttttO00022044332211441133224224TTTTTTTTTTTORRRERRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRR
19、RRRRRREV2222443344221122RIVO0 （五）交流电桥（五）交流电桥 根据直流电桥分析可知，由于应变电桥输出电压很小，一般都要加根据直流电桥分析可知，由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。 下图为半桥差动交流电桥的一般形式，下图为半桥差动交流电桥的一般形式， 为交流电压源，由于供桥电为交流电压源，由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相源为交流电源，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于两只应变片各并联了一个
20、电容，则每一桥臂上复阻抗分别为：当于两只应变片各并联了一个电容，则每一桥臂上复阻抗分别为：U11111CjwRRZ22221CjwRRZ33RZ 44RZ 下图为半桥差动交流电桥的一般形式，下图为半桥差动交流电桥的一般形式， 为交流电压源，由于供桥电为交流电压源，由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相源为交流电源，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于两只应变片各并联了一个电容，则每一桥臂上复阻抗分别为：当于两只应变片各并联了一个电容，则每一桥臂上复阻抗分别为：U 式中式中C C1 1、C C2 2表示应变片引线分布电容表示应变片引线分布电容,
21、, 由交流电路分析可得由交流电路分析可得 要满足电桥平衡条件要满足电桥平衡条件, , 即即=0=0, , 则有则有: Z: Z1 1 Z Z4 4 = Z = Z2 2 Z Z3 3)()(43213241ZZZZZZZZUU0U11111CjwRRZ22221CjwRRZ33RZ 44RZ 则有：则有： 3222411111RCjwRRRCjwRR整理上式得：整理上式得：24241313CjwRRRCjwRRR其实部、虚部分别相等其实部、虚部分别相等, , 并整理可得交流电桥的平衡条件为并整理可得交流电桥的平衡条件为: :3412RRRR2134CCRR及及 对这种交流电容电桥对这种交流电容
22、电桥, , 除要满足电阻平衡条件外除要满足电阻平衡条件外, , 还必须满足还必须满足电容平衡条件。电容平衡条件。 当被测应力变化引起当被测应力变化引起Z Z1 1=Z=Z1010+Z, Z+Z, Z2 2=Z=Z2020-Z-Z变化时变化时( (且且Z Z1010=Z=Z2020=Z=Z0 0), ), 则电桥输出为：则电桥输出为：00021)212(ZZUZZZUU 对这种交流电容电桥对这种交流电容电桥, , 除要满足电阻平衡条件外除要满足电阻平衡条件外, , 还必须满足还必须满足电容平衡条件。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平电容平衡条件。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。电桥平衡调节电路如下图所示：衡调节。电桥平衡调节电路如下图所示：R1R2 R4电子天平电子天平第3章 应变式传感器2022-5-1577
