传感器——应变片2.ppt

第三章电阻应变片传感器,一、定义及分类二、敏感元件1、应变效应2、误差因素三、测量电路1、直流电桥2、交流电桥四、思考题,3.2电阻应变片传感器,一、定义及分类二、敏感元件1、应变效应2、误差因素三、测量电路1、直流电桥2、交流电桥四、思考题,电阻应变片传感器是利用导体或半导体材料的应变效应制成的一种测量器件，由应变片和测量电路两部分组成。主要测量力、力矩、加速度等。常用的应变片有两大类：1.金属电阻应变片2.半导体应变片,定义及分类,3.2电阻应变片传感器,一、定义及分类二、敏感元件1、应变效应2、误差因素三、测量电路1、直流电桥2、交流电桥四、思考题,导体或半导体材料在被测量（如压力）作用下，产生机械变形，其阻值将发生变化，这种现象称为“应变效应”。,电阻率,很细的高电阻率的排成栅网状的电阻丝粘贴在绝缘基片上。,电阻丝的电阻：,电阻丝长度,横截面积,应变效应,当沿长度方向（纵向）受力时，电阻变化量为：,相对变化量：,应变效应,设电阻丝直径为a，则：,应变效应,推导：,当沿长度方向（纵向）受力时，电阻变化量为：,相对变化量：,应变效应,注意负号,又有：,泊松比,将2、3两式带入1式中则可得：,应变灵敏系数,应变值,电阻丝的电阻相对变化（电参数）与纵向应变值（长度相对变化）（因受力导致）成正比。,对于金属电阻丝：,对于固定电阻丝，k在测量范围内一定。,应变效应,由于,一般较小，则,3.2电阻应变片传感器,一、定义及分类二、敏感元件1、应变效应2、误差因素三、测量电路1、直流电桥2、交流电桥四、思考题,误差因素1）横向效应,应变片受力不但有纵向变形（如纵向伸长），而且有横向变形（如横向缩短）。,二者总是方向相反，即横向变形抵消纵向变形。结果使所测应变值变小。,弯曲半径越大，横向效应越大。,2）环境温度,温度是造成应变片测量误差的首要因素（电阻值受温度影响）。,原因：,1.电阻丝本身受温度影响,2.电阻丝与被测物材料因温度影响膨胀系数不同引起的,当温度变化时，电阻的增量为：,原阻值,电阻温度系数,应变灵敏系数,被测物材料膨胀系数,电阻丝材料膨胀系数,3）应变片的粘贴,它涉及到被测物表面的变形能否正确地传递给应变片，是应变测量的关键之一。,粘合剂应适合应变片材料和被测物材料，遵循正确的粘贴工艺。,误差因素,3.2电阻应变片传感器,一、定义及分类二、敏感元件1、应变效应2、误差因素三、测量电路1、直流电桥2、交流电桥四、思考题,直流电桥,1.电桥平衡条件(使用初始条件),A、C两点电势相等时电桥平衡（Uo=0）,2.各臂阻值的确定选一臂或多臂作测量臂，将应变片引入电桥中。,记,为拉应变或正应变,为压应变或负应变,单臂时：,性能参数稳定的标准电阻,工作臂,直流电桥,对上式求导，并令,得n=1为驻点，即n=1时，S最大，即相同应变输入时电桥输出最大，灵敏度最高。,为了分析方便，实际中一般取R1=R2=R3=R4=R。,灵敏度,直流电桥,3.单臂桥,直流电桥,只有一个应变片进行测量,视电阻的变化率为电桥输入,直流电桥,引入了非线性,直流电桥,4.半桥（差动电桥）,设,R1、R2需位于相邻臂上,半桥灵敏度是单臂时的两倍，且不引入非线性。,直流电桥,4.全桥（差动电桥）,设,相邻臂上应变片应变方向相反,全桥灵敏度是单臂时的四倍、半桥时的两倍，且也不引入非线性。,直流电桥,5.温度补偿,让补偿片位于工作环境中,温度影响引起电阻值变化：,由于温度变化引起的输出为：,即温度影响被补偿。,半桥、全桥温度影响自然补偿。,直流电桥,6.调平衡电路,由于应变值很小，若桥臂电阻初始值有误差，则对输出有较大的影响，所以必须补偿。,当各桥臂电阻有差异时，能否用串联小电阻的方法使电路平衡？由于有接触电阻，所以串联法不能用。,选择并联法。,直流电桥,7.输出等效电路,将Ui短路，则由戴维南定理：,则U与Uo成正比,很大,3.2电阻应变片传感器,一、定义及分类二、敏感元件1、应变效应2、误差因素三、测量电路1、直流电桥2、交流电桥四、思考题,交流电桥,由于应变电桥的输出电压极小，则一般需加（高输入阻抗）放大器。,但直流放大器容易产生零漂，因此目前常用交流放大器。,相应地，电桥须用交流电源，所以称之为交流电桥。,交流电桥,交流电桥的桥臂也是由应变片和电阻组成，即为纯电阻电桥。,由于用交流法来研究，所以用,1.平衡条件,当输出开路时，电桥输出电压为：,当电桥平衡时，,则平衡条件为,或,交流电桥,设各桥臂阻抗为,由,可得交流电桥平衡条件为,各桥臂复阻抗的模值满足一定的比例关系，相对桥臂的幅角和也相等。,交流电桥,2.输出电压（单臂）,由,可得：,交流电桥,由于电桥采用交流电源供电，则应变片引线电缆的分布（寄生）电容对电桥工作产生影响。,桥臂带有一定的容抗性。,工作臂实际为,引线固定，电容为固定值,电容C1与电阻R1为并联关系。,交流电桥,阻抗,或,有效值,类推可得，半桥：,全桥：,交流电桥,3.调平衡电路,以单臂或半桥时为例,容抗调平衡电路,电阻调平衡电路,3.2电阻应变片传感器,一、定义及分类二、敏感元件1、应变效应2、误差因素三、测量电路1、直流电桥2、交流电桥四、思考题,思考题,1.温度是怎样影响应变片工作的？怎样克服这种影响？假设温度降低时，应变电阻丝阻值也降低Rt，请解析说明温度补偿方法。2.用半桥工作时，相对于单臂工作有什么优点？3.由于电桥输出信号幅值较小，需引入电压放大器以增加输出信号幅值，那么此放大器应具备什么特点？4.画出当使用的电桥为交