检测技术研究—电阻式传感器的基本概况

1、传感器与检测技术传感器与检测技术 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 第3章电阻式传感器 3.1 3.1 工作原理工作原理 3.2 3.2 电阻应变片的温度误差及补偿电阻应变片的温度误差及补偿 3.3 3.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 3.4 3.4 电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.13.1电阻应变传感器工作原理电阻应变传感器工作原理 电阻式应变传感器作为测力与应变的主要传感器，测力范电阻式应变传感器作为测力与应变的主要传感器，测力范 围小到肌肉纤维（围小到肌肉纤维（5 510-5N)10-5N)，大到登月火箭（，大到登月火箭（

2、5 5107N)107N)，精确，精确 度可到度可到 0.010.1%0.010.1%，有，有1010年以上的校准稳定性。可用于应变力、年以上的校准稳定性。可用于应变力、 压力、转矩、位移、加速度。据统计日本力传感器中应变片占压力、转矩、位移、加速度。据统计日本力传感器中应变片占 70%70%，美国占，美国占90%90%。 电阻式传感器是应用最广泛的传感器，传感电阻式传感器是应用最广泛的传感器，传感 器的基本原理是将被测的非电量转换成电阻器的基本原理是将被测的非电量转换成电阻 值的变化，再经转换电路变换成电量输出。值的变化，再经转换电路变换成电量输出。 应变式传感器特征：应变式传感器特征： 主

3、要优点，使用简单、精度高、范围大体积小。主要优点，使用简单、精度高、范围大体积小。 缺点，电阻、半导体会随温度变化。缺点，电阻、半导体会随温度变化。 不同材料类型，金属应变片、半导体应变片；不同材料类型，金属应变片、半导体应变片； 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.13.1电阻应变传感器工作原理电阻应变传感器工作原理 各种电子秤各种电子秤 广泛应用于广泛应用于 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.13.1电阻应变传感器工作原理电阻应变传感器工作原理 高高 精精 度度 电电 子子 汽汽 车车 衡衡 动态电子秤动态电子秤 电子天平电子天平 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.1

4、3.1电阻应变传感器工作原理电阻应变传感器工作原理 机械秤包装机机械秤包装机 吊秤吊秤 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.13.1电阻应变传感器工作原理电阻应变传感器工作原理 上海卢浦大桥通车应变试验上海卢浦大桥通车应变试验 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.13.1电阻应变传感器工作原理电阻应变传感器工作原理 上海国际会议中心模型试验上海国际会议中心模型试验 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.13.1电阻应变传感器工作原理电阻应变传感器工作原理 打桩船吊塔打桩船吊塔 强度试验强度试验 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.1电阻应变传感器工作原理 金属应变片结构：

5、金属应变片结构： 网状敏感栅网状敏感栅高阻金高阻金 属丝、金属箔属丝、金属箔 基片基片绝缘材料绝缘材料 盖片盖片保护层保护层 金属电阻应变片的基本原理基于电阻应变效应即，导体产生机金属电阻应变片的基本原理基于电阻应变效应即，导体产生机 械形变时它的电阻值发生变化械形变时它的电阻值发生变化。 应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变：当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变弹性应变：当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 弹性元件：具有弹性应变特性的物体弹性元件：具有弹性应变特性的物体 应用：广泛用于力、力矩、压力、

6、加速度、重量等参数的测量应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.1 电阻应变传感器工作原理 3.1.1 应变效应应变效应 电阻应变片的工作原理是基于应变效应。即导体或半导体材电阻应变片的工作原理是基于应变效应。即导体或半导体材 料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化， 这种现象称为这种现象称为“应变效应应变效应”。 一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为： A l R 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 当电阻丝受到

7、拉力当电阻丝受到拉力F作用时，作用时， 将伸长将伸长l，横截面积相应减小，横截面积相应减小A， 电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了，从而引起电阻，从而引起电阻 值变化量为值变化量为 ： A dA L dLd R dR 式中：式中：dL/L长度相对变化量，用应变长度相对变化量，用应变表示为表示为 L dL 2 LL dRddLdA AAA 电阻相对变化量：电阻相对变化量： 3.1 3.1 电阻应变传感器工作原理电阻应变传感器工作原理 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.1 电阻应变传感器工作原理 d R dR )21 ( dA/A圆形电阻丝

8、的截面积相对变化量，设圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半为电阻丝的半 径，微分后可得径，微分后可得dA=2r dr，则，则 ： r dr A dA 2 材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长， 沿沿 径向缩短，径向缩短， 轴向应变和径向应变的关系可表示为轴向应变和径向应变的关系可表示为 ： L dL r dr 为电阻丝材料的泊松比，为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。负号表示应变方向相反。 因此由因此由 推得：推得： A dA L dLd R dR 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.1 电阻应变传感器

9、工作原理 定义：电阻丝的灵敏系数为单位应变所引起的电阻相对变化定义：电阻丝的灵敏系数为单位应变所引起的电阻相对变化 量。其表达式为量。其表达式为 d R dR K21 12 R K R 也可以表示为：也可以表示为： 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.1 电阻应变传感器工作原理 灵敏度系数灵敏度系数K受两个因素影响受两个因素影响 一是：应变片受力后材料几何尺寸的变化，一是：应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即即1+2 二是：应变片受力后材料的电阻率发生的变化，二是：应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即（即（/）/。 对金属材料：对金属材料：1+2( /)/ 对半导体材料：对半导体材料

10、：( /)/1+2 大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正 比，即比，即K为常数为常数。 12 R K R 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.1 电阻应变传感器工作原理 3.1.2 电阻应变片种类电阻应变片种类 常用的电阻应变片有两种：常用的电阻应变片有两种： 金属电阻应变片金属电阻应变片 半导体应变片半导体应变片 1、金属电阻应变片、金属电阻应变片 金属丝式金属丝式 0.012-0.050mm金属丝（康铜、镍铬合金、贵金属）做敏感栅金属丝（康铜、镍铬合金、贵金属）做敏感栅 金属箔式金属箔式 用光刻腐蚀工艺、

11、照相制版制作成厚用光刻腐蚀工艺、照相制版制作成厚0.003mm0.010mm的金属的金属 箔栅箔栅 金属箔式应变片散热条件好，可做成任意形状，应用广泛。金属箔式应变片散热条件好，可做成任意形状，应用广泛。 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.1 电阻应变传感器工作原理 12K 21 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.1 电阻应变传感器工作原理 2、半导体电阻应变片、半导体电阻应变片 K 21 半导体电阻应变片的工作原理主要基于半导体材料的压阻效应。半导体电阻应变片的工作原理主要基于半导体材料的压阻效应。 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.1 电阻应变传感器工作原理 E )

12、E(K常数 半导体敏感元件产生压阻效应时其电阻率的相对变化与应变力半导体敏感元件产生压阻效应时其电阻率的相对变化与应变力 间的关系为：间的关系为： 因此对于半导体应变片来说，其灵敏系数为：因此对于半导体应变片来说，其灵敏系数为： 1 2 R K R 式中：式中： 半导体材料的压阻系数半导体材料的压阻系数; 半导体材料的所受应变力半导体材料的所受应变力; E半导体材料的弹性模量半导体材料的弹性模量; 半导体材料的应变。半导体材料的应变。 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片的温度误差及补偿 应变片安装在自由膨胀的试件上，如果环境温度变化，应变片的电应变片安装在自由膨胀的试件上

13、，如果环境温度变化，应变片的电 阻也会变化，这种变化叠加在测量结果中称应变片温度误差。阻也会变化，这种变化叠加在测量结果中称应变片温度误差。 应变片温度误差来源有两个：应变片温度误差来源有两个： 1 1、应变片本身电阻温度系数、应变片本身电阻温度系数0 0影响；影响； 2 2、试件材料的线膨胀系数、试件材料的线膨胀系数g g影响。影响。 1 1、应变片温度误差、应变片温度误差 R Rt t= =R R0 0(1+(1+0 0t t) ) （1 1）电阻丝阻值与温度关系：）电阻丝阻值与温度关系： 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示： 检

14、测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片的温度误差及补偿 式中式中: : R Rt t温度为温度为t t时的电阻值；时的电阻值； R R0 0温度为温度为t t0 0时的电阻值；时的电阻值； 0 0温度为温度为t t0 0时金属丝的电阻温度系数；时金属丝的电阻温度系数； t t温度变化值，温度变化值，t t= =t-tt-t0 0。 当温度变化当温度变化t t时，电阻丝电阻的变化值为：时，电阻丝电阻的变化值为： R=Rt-R0=R00t 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 3.2 电阻应变片的温度误差及补偿电阻应变片的温度误差及补偿 （2 2）试件材料和电阻丝材料的线膨

15、胀系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时：环境温度变化不当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时：环境温度变化不 会产生附加变形。会产生附加变形。 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时：环境温度变化，当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时：环境温度变化， 电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。 设电阻丝和试件在温度为设电阻丝和试件在温度为00时的长度均为时的长度均为l l0 0, , 它们的线膨胀它们的线膨胀 系数分别为系数分别为s s和和g g，若两者不粘贴，则它们的长度分别为：，若两者不粘贴，则它们

16、的长度分别为： ls=l0(1+st) lg=l0(1+gt) 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附 加变形加变形l l、附加应变、附加应变 和附加电阻变化 和附加电阻变化 R R 分别为： 分别为： tRKRKR t l l tllll sg sg sgsg )( )( )( 0000 0 0 3.2 电阻应变片的温度误差及补偿 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 3.2 电阻应变片的温度误差及补偿电阻应变片的温度误差及补偿 由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为

17、 tK tKt R RR R R sg sg t )( )( 00 00 00 结论：结论：因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变 化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能 参数（参数（K K0 0, , 0 0, , s s）以及被测试件线膨胀系数）以及被测试件线膨胀系数g g有关。有关。 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片的温度误差及补偿 2、温度补偿方法、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和应变片自补电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补 偿两

18、大类。偿两大类。 电桥补偿是最常用且效果较好的电阻片温度误差补偿方法。电桥补偿是最常用且效果较好的电阻片温度误差补偿方法。 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 3.2 电阻应变片的温度误差及补偿电阻应变片的温度误差及补偿 131423 0 12341234 ()() ab RRRRR R UUUUUU RRRRRRRR 01423 ()UgR RR R 1234 ()() U g RRRR lg g为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。 l由上式可知，由上式可知， 当当R R3 3和和R R4 4为常数时，为常数时，R R1 1和和R R2 2对电桥输出

19、电对电桥输出电 压压U Uo o的作用方向相反。的作用方向相反。 利用这一基本关系可实现对温度利用这一基本关系可实现对温度 的补偿。的补偿。 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 3.2 电阻应变片的温度误差及补偿电阻应变片的温度误差及补偿 测量方法：测量方法： 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 R2 2又处于同一环境温度为又处于同一环境温度为t t的温度场中，调整电的温度场中，调整电 桥参数使之达到平衡，此时有桥参数使之达到平衡，此时有 ： 工程上，一般按工程上，一般按R R1 1 = = R R2 2 = = R R3 3 = = R R4 4

20、选取桥臂电阻。选取桥臂电阻。 01423 ()0UgR RR R 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 3.2 电阻应变片的温度误差及补偿电阻应变片的温度误差及补偿 温度补偿的实现：当温度升高或降低温度补偿的实现：当温度升高或降低t t= =t-tt-t0 0时，两个应时，两个应 变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡 状态，状态， 即：即： 应变的测量：被测试件有应变应变的测量：被测试件有应变的作用，则工作应变片的作用，则工作应变片 电阻电阻R R1 1又有新的增量又有新的增量RR1 1= =R R1 1KK，而补偿片因不承受

21、应，而补偿片因不承受应 变，故不产生新的增量，变，故不产生新的增量， 此时电桥输出电压为此时电桥输出电压为 ： 可见：电桥的输出电压可见：电桥的输出电压U Uo o仅与被测试件的应变仅与被测试件的应变有关，而有关，而 与环境温度无关。与环境温度无关。 0114223 ()()0UgRR RRRR 0114231414 ()()UgRR RR RgR Rg RKR 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片的温度误差及补偿 注意补偿条件：注意补偿条件： 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 R2 2两个应变片应具有相同

22、的电阻温度系两个应变片应具有相同的电阻温度系 数数、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和初始和初始 电阻值电阻值R R0 0。 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被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。测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。 两应变片应处于同一温度场。两应变片应处于同一温度场。 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.3 电阻应变片测量电路 一、直流电桥一、直流电桥 43 3 21 1 RR R RR R EUo 图图3.5 3.5 直流电桥直流电桥 当当RL时，电桥输出电压为：时，电桥输出电压为： 1.

23、 1. 直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件 R1R2 R4 R3 A C B E D Io RLUo 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片测量电路 当电桥平衡时，当电桥平衡时，Uo=0，则有：，则有： R1R4=R2R3 或：或： 4 3 2 1 R R R R 电桥平衡条件：欲使电桥平衡，电桥平衡条件：欲使电桥平衡， 其相邻两臂电阻的比值应相等，其相邻两臂电阻的比值应相等， 或相对两臂电阻的乘积应相等。或相对两臂电阻的乘积应相等。 电桥平衡条件电桥平衡条件 R1R2 R4 R3 A C B E D Io RLUo 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片测量

24、电路 3 4 1 2 1 1 1 1 3 4 43211 41 43 3 211 11 11 )( R R R R R R R R R R E RRRRR RR RR R RRR RR EU o 应变片工作时：电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，应变片工作时：电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小， 一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出 阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。 当受应变时：若应变片电阻变化为当受应变时：若应变片电阻变化为R R，其它桥臂固定不变，其它桥臂

25、固定不变， 电桥输出电压电桥输出电压U Uo o00，则电桥不平衡，输出电压为，则电桥不平衡，输出电压为 2 2、电压灵敏度、电压灵敏度 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片测量电路 设桥臂比设桥臂比n=R2/R1，由于，由于R1R1，分母中，分母中R1/R1可忽略，可忽略， 并考并考 虑到平衡条件虑到平衡条件R2/R1=R4/R3， 则上式可写为：则上式可写为： E R R n n Uo 1 1 2 )1 ( 3 4 1 2 1 1 1 1 3 4 43211 41 43 3 211 11 11 )( R R R R R R R R R R E RRRRR RR RR R

26、 RRR RR EU o 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片测量电路 电桥电压灵敏度定义为电桥电压灵敏度定义为 ： E n n R R U K o U 2 1 1)1( 分析：分析： 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压， 供电电压越高，供电电压越高， 电桥电电桥电 压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要 作适当选择；作适当选择； 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比的函数，恰当地选择桥臂比n 的值，保证电桥具有

27、较高的电压灵敏度。的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。 ？当当E E值确定后，值确定后，n n取何值时才能使取何值时才能使KUKU最高？最高？ 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片测量电路 分析：思路：分析：思路：dKU/dn = 0求求KU的最大值的最大值 2 4 1 0 (1) U dKn dnn 求得求得n=1时，时，KU为最大值。即在供桥电压确定后，当为最大值。即在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，时， 电桥电压灵敏度最高，此时有：电桥电压灵敏度最高，此时有： 4 4 1 1 E K R RE U U o 结论：当电源电压结论：当电源电压E和电阻相对变化量

28、和电阻相对变化量R1/R1一定时，一定时， 电桥的输出电电桥的输出电 压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。 注意：单臂电桥 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片测量电路 3、非线性误差、非线性误差 )1 (1 1 1 1 1 n R R n R R n EUo 与与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为的关系是非线性的，非线性误差为 o U 1 1 1 1 1 R R n R R U UU o oo L E R R n n Uo 1 1 2 )1 ( 理想情况（略去分母中的理想情况（略去分母中的R1/R1项）

29、：项）： 实际情况（保留分母中的实际情况（保留分母中的R1/R1项）：项）： 3 4 1 2 1 1 1 1 3 4 43211 41 43 3 211 11 11 )( R R R R R R R R R R E RRRRR RR RR R RRR RR EU o 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片测量电路 如果桥臂比如果桥臂比n=1， 则则 ： 1 1 1 1 2 L R R R R 例如：例如： 对于一般应变片：所受应变对于一般应变片：所受应变通常在通常在5000以下，若取以下，若取KU=2， 则则R1/R1=KU=0.01，计算得非线性误差为，计算得非线性误差为0

30、.5%；若；若KU=130， =1000时，时，R1/R1=0.130，则得到非线性误差为，则得到非线性误差为6%，故当非线性，故当非线性 误差不能满足测量要求时，必须予以消除。误差不能满足测量要求时，必须予以消除。 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片测量电路 4、减小和消除非线性误差的方法、减小和消除非线性误差的方法 R1 R1 R4 R3 A C B E D R2 R2 Uo (a) R1 R1 AC B E D R2 R2 Uo (b) R3 R3 R4 R4 半桥电路半桥电路全桥电路全桥电路 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片测量电路 半桥差

31、动：在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受半桥差动：在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受 压应变，压应变， 接入电桥相邻桥臂。接入电桥相邻桥臂。 该电桥输出电压为：该电桥输出电压为： 43 3 2211 11 RR R RRRR RR EU o 若若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得：，则得： 1 1 2R RE U o 可知：可知：Uo与与R1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏 度度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。，是单臂工作时的两倍。检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片测量电路 全桥差

32、动：电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，两个受全桥差动：电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，两个受 压 应 变 ， 将 两 个 应 变 符 号 相 同 的 接 入 相 对 桥 臂 上 。 若压 应 变 ， 将 两 个 应 变 符 号 相 同 的 接 入 相 对 桥 臂 上 。 若 R1=R2=R3=R4，且，且R1=R2=R3=R4，则，则 ： EK R R EU U o 1 1 结论：全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为结论：全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为 单片工作时的单片工作时的4倍。倍。 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片测量电

33、路 引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大引入原因：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，因此应变电桥很多采用交流电器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥很多采用交流电 桥。桥。 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，即相当于两只应变片各并联了一个电容。现复阻抗特性，即相当于两只应变片各并联了一个电容。 2、交流电桥、交流电桥 Z1 U o U (a) Z2 Z3Z4 R1 R2 R4 R3 o U C1 C2 U (b) 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况

34、 3.2 电阻应变片测量电路 44 31 22 2 2 11 1 1 1 1 RZ RZ CRj R Z CRj R Z 式中式中, C1、C2表示应变片引线分布电容。表示应变片引线分布电容。 每一桥臂上复阻抗分别为：每一桥臂上复阻抗分别为： 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片测量电路 交流电桥输出：交流电桥输出： )( 4321 3241 ZZZZ ZZZZ UUo 电桥平衡条件：电桥平衡条件：Uo=0，即：，即： Z1Z4=Z2Z3 整理可得：整理可得： 3 22 2 4 11 1 11 R CRj R R CRj R 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电

35、阻应变片测量电路 变形为：变形为： 24 2 4 13 1 3 CRj R R CRj R R 交流电桥的平衡条件（实部、虚部分别相等）：交流电桥的平衡条件（实部、虚部分别相等）： 3 4 1 2 R R R R 2 1 1 2 C C R R 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片测量电路 例例1：图示为等强度梁测力系统，：图示为等强度梁测力系统，R1为电阻应变片，其灵敏系数为电阻应变片，其灵敏系数K = 2.05，未受应变时，未受应变时R1=100。当梁受力时。当梁受力时F，应变片承受的平均，应变片承受的平均 应变应变= 1000 m/m ，求，求 （1）应变片电阻变化量

36、）应变片电阻变化量R1和电阻相对变化量和电阻相对变化量R1 / R1。 （2）将电阻应变片）将电阻应变片R1置于直流电桥的一个桥臂，若电桥供电电压置于直流电桥的一个桥臂，若电桥供电电压 为为3V，求电桥的输出电压。，求电桥的输出电压。 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片测量电路 解：解： （1） R1 / R1=K =2.05*1000*10-6=2.05*10-3 R1= R1 K =100 2.05*10-3=0.205 （2） U0=E/4 R1 / R1=0.75 2.05*10-3V 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.3 应变式传感器的应用 应变片能将应

37、变直接转换成电阻的变化应变片能将应变直接转换成电阻的变化 其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应 变弹性元件变弹性元件 应变式传感器的组成：弹性元件、应变片、附件（补偿元件、保应变式传感器的组成：弹性元件、应变片、附件（补偿元件、保 护罩等）护罩等） 被测物理量：荷重或力。被测物理量：荷重或力。 主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、 发动发动 机的推力测试、机的推力测试、 水坝坝体承载状况监测等。水坝坝体承载状况监测等。 力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式

38、等。力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等。 一、一、 应变式力传感器应变式力传感器 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片测量电路 图图3.9 圆柱（筒）式力传感器圆柱（筒）式力传感器 （a） 柱式；（柱式；（b） 筒式；（筒式；（c） 圆柱面展开图；（圆柱面展开图；（d） 桥路连线图桥路连线图 1. 柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片测量电路 2、 环式力传感器环式力传感器 0 () () 0 U RR UfK fF RR R UF R 测量 这样，这样， 测出测出A A、 B B处的应变，处的应变， 即

39、可得到载荷即可得到载荷F F。 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片测量电路 二、二、 应变式压力传感器应变式压力传感器 主要用来测量流动介质的动态或静态压力。主要用来测量流动介质的动态或静态压力。 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片测量电路 图图3.13 应变片液体重量传感器应变片液体重量传感器 三、电阻式液体重量传感器三、电阻式液体重量传感器 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 3.2 电阻应变片测量电路 感压膜感受上面液体的压力。感压膜感受上面液体的压

40、力。 当容器中溶液增多时，当容器中溶液增多时， 感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器R Rt t的电桥接的电桥接 成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为 ： A Q gh 结论：电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的结论：电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的 重量成线性关系，因此可以测量容器内储存的溶液重量。重量成线性关系，因此可以测量容器内储存的溶液重量。 0 US h g 0 S Q U A 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 习题习题 一、单项选择题一、单项选择题 1 1、为减小或消除非线性误差的方

41、法可采用（、为减小或消除非线性误差的方法可采用（ ）。）。 A. A. 提高供电电压提高供电电压 B. B. 提高桥臂比提高桥臂比 C. C. 提高桥臂电阻值提高桥臂电阻值 D. D. 提高电压灵敏度提高电压灵敏度 2 2、全桥差动电路的电压灵敏度是单臂工作时的（、全桥差动电路的电压灵敏度是单臂工作时的（ ）。）。 不变不变 B. 2B. 2倍倍 C. 4C. 4倍倍 D. 6D. 6倍倍 3 3、通常用应变式传感器测量、通常用应变式传感器测量( )( )。 A. A. 温度温度 B B密度密度 C C加速度加速度 D D电阻电阻 4 4、影响金属导电材料应变灵敏系数、影响金属导电材料应变灵敏

42、系数K K的主要因素是（的主要因素是（ ）。）。 A A导电材料电阻率的变化导电材料电阻率的变化 B B导电材料几何尺寸的变化导电材料几何尺寸的变化 C C导电材料物理性质的变化导电材料物理性质的变化 D D导电材料化学性质的变化导电材料化学性质的变化 5 5、产生应变片温度误差的主要原因有（、产生应变片温度误差的主要原因有（ ）。）。 A A电阻丝有温度系数电阻丝有温度系数 B B试件与电阻丝的线膨胀系数相同试件与电阻丝的线膨胀系数相同 C C电阻丝承受应力方向不同电阻丝承受应力方向不同 D D电阻丝与试件材料不同电阻丝与试件材料不同 B B C C C C B B A A 检测技术研究电阻

43、式传感器的基本 概况 习题习题 6 6、电阻应变片的线路温度补偿方法有（、电阻应变片的线路温度补偿方法有（ ）。）。 A A差动电桥补偿法差动电桥补偿法 B B补偿块粘贴补偿应变片电桥补偿法补偿块粘贴补偿应变片电桥补偿法 C C补偿线圈补偿法补偿线圈补偿法 D D恒流源温度补偿电路法恒流源温度补偿电路法 7 7、利用相邻双臂桥检测的应变式传感器，为使其灵敏度高、非线性误差小、利用相邻双臂桥检测的应变式传感器，为使其灵敏度高、非线性误差小 （ ）。）。 A A两个桥臂都应当用大电阻值工作应变片两个桥臂都应当用大电阻值工作应变片 B B两个桥臂都应当用两个工作应变片串联两个桥臂都应当用两个工作应变

44、片串联 C C两个桥臂应当分别用应变量变化相反的工作应变片两个桥臂应当分别用应变量变化相反的工作应变片 8 8、关于电阻应变片，下列说法中正确的是（、关于电阻应变片，下列说法中正确的是（ ） A A应变片的轴向应变小于径向应变应变片的轴向应变小于径向应变 B B金属电阻应变片以压阻效应为主金属电阻应变片以压阻效应为主 C C半导体应变片以应变效应为主半导体应变片以应变效应为主 D D金属应变片的灵敏度主要取决于受力后材料几何尺寸的变化金属应变片的灵敏度主要取决于受力后材料几何尺寸的变化 9 9、金属丝的电阻随着它所受的机械变形、金属丝的电阻随着它所受的机械变形( (拉伸或压缩拉伸或压缩) )的

45、大小而发生相应的变化的大小而发生相应的变化 的现象称为金属的（的现象称为金属的（ ）。）。 A.A.电阻形变效应电阻形变效应 B.B.电阻应变效应电阻应变效应 C.C.压电效应压电效应 D.D.压阻效应压阻效应 B B C C D D B B 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 习题习题 1010、（、（ ）是采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成）是采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成 一层各种形式敏感栅而形成应变片。这种应变片灵敏系数高，易实现工业化生一层各种形式敏感栅而形成应变片。这种应变片灵敏系数高，易实现工业化生 产，是一种很有前途的新型应变片。产，是

46、一种很有前途的新型应变片。 A.A.箔式应变片箔式应变片 B.B.半导体应变片半导体应变片 C.C.沉积膜应变片沉积膜应变片 D.D.薄膜应变片薄膜应变片 1111、由、由( )( )和应变片以及一些附件和应变片以及一些附件( (补偿元件、保护罩等补偿元件、保护罩等) )组成的装置称组成的装置称 为应变式传感器。为应变式传感器。 A.A.弹性元件弹性元件 B.B.调理电路调理电路 C.C.信号采集电路信号采集电路 D.D.敏感元件敏感元件 1212、直流电桥平衡的条件是（、直流电桥平衡的条件是（ ）。）。 A A 相临两臂电阻的比值相等相临两臂电阻的比值相等 B B 相对两臂电阻的比值相等相对

47、两臂电阻的比值相等 C C相临两臂电阻的比值不相等相临两臂电阻的比值不相等 D D 所有电阻都相等所有电阻都相等 1313、直流电桥的平衡条件为（、直流电桥的平衡条件为（ ） A A相邻桥臂阻值乘积相等相邻桥臂阻值乘积相等 B B相对桥臂阻值乘积相等相对桥臂阻值乘积相等 C C相对桥臂阻值比值相等相对桥臂阻值比值相等 D D相邻桥臂阻值之和相等相邻桥臂阻值之和相等 D D A A A A B B 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 习题习题 二、填空题二、填空题 1 1、单位应变引起的、单位应变引起的称为电阻丝的灵敏度系数。称为电阻丝的灵敏度系数。 2 2、产生电阻应变片温度误差的主要因素有

48、、产生电阻应变片温度误差的主要因素有 的影的影 响和响和 的影响。的影响。 3 3、直流电桥平衡条件是、直流电桥平衡条件是 。 4 4、直流电桥的电压灵敏度与电桥的供电电压的关系是、直流电桥的电压灵敏度与电桥的供电电压的关系是 关系。关系。 5 5、电阻应变片的温度补偿中，若采用电桥补偿法测量应变时，、电阻应变片的温度补偿中，若采用电桥补偿法测量应变时， 粘贴在被测试件表面上，补偿应变片粘贴在与被测试件完全粘贴在被测试件表面上，补偿应变片粘贴在与被测试件完全 相同的相同的 上，且补偿应变片上，且补偿应变片 。 6 6、半导体应变片工作原理是基于、半导体应变片工作原理是基于 效应，它的灵敏系数比

49、效应，它的灵敏系数比 金属应变片的灵敏系数金属应变片的灵敏系数 。 7 7、电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时，不仅可以消除、电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时，不仅可以消除 同时还能起到同时还能起到 的作用。的作用。 8 8、电阻应变式传感器的核心元件是、电阻应变式传感器的核心元件是 ，其工作原理，其工作原理 是基于是基于 。 电阻值变化量电阻值变化量 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数 相邻两臂电阻的比值相等相邻两臂电阻的比值相等 正比正比 工作应变片工作应变片 补偿块补偿块不承受应变不承受应变 压阻压阻 大大 非线性误差非线性误差提高灵敏度提高灵敏度

50、 电阻应变片电阻应变片 应变效应应变效应 电阻温度系数电阻温度系数 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 习题习题 9 9、应变式传感器中的测量电路是式将应变片的、应变式传感器中的测量电路是式将应变片的 转换成转换成 的变化，以便方便地显示被测非电量的大小。的变化，以便方便地显示被测非电量的大小。 1010、电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时，不仅可以消除、电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时，不仅可以消除 ， 同时还能起到同时还能起到 的作用。的作用。 1111、应变式传感器是由、应变式传感器是由 和电阻应变片及一些附件组成的。和电阻应变片及一些附件组成的。 1212、金属丝在外力作用

51、下发生机械形变时它的电阻值将发生变化，这种现象称、金属丝在外力作用下发生机械形变时它的电阻值将发生变化，这种现象称 效应；固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种效应；固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种 现象称现象称 效应。效应。 1313、应变片可以把应变的变化转换为电阻的变化，为显示与记录应变的大小，、应变片可以把应变的变化转换为电阻的变化，为显示与记录应变的大小， 还要把电阻的变化再转换为电压或电流的变化，完成上述作用的电路称为电阻还要把电阻的变化再转换为电压或电流的变化，完成上述作用的电路称为电阻 应变式传感器的应变式传感器的_ _ _ _ _，一般采用测量电桥。，一般采用测量电桥。

52、 1414、电阻应变片的温度误差是由、电阻应变片的温度误差是由 的改变给测量带来的附加误差，其的改变给测量带来的附加误差，其 产生的原因有产生的原因有 的影响和的影响和 的的 影响。影响。 1515、要把微小应变引起的微小电阻变化精确的测量出来，需采用特别设计的测、要把微小应变引起的微小电阻变化精确的测量出来，需采用特别设计的测 量电路，通常采用量电路，通常采用 或或 。 1616、减小或消除非线性误差的方法有、减小或消除非线性误差的方法有 和采用差动电桥。其中差和采用差动电桥。其中差 动电桥可分为动电桥可分为 和和 两种方式。两种方式。 电阻变化量电阻变化量 电量电量 非线性误差非线性误差温

53、度补偿温度补偿 弹性元件弹性元件 应变应变 压阻压阻 信号调节电路信号调节电路 环境温度环境温度 电阻温度系数电阻温度系数试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数 直流电桥直流电桥交流电桥交流电桥 提高桥臂比提高桥臂比 半桥差动半桥差动全桥差动全桥差动 检测技术研究电阻式传感器的基本 概况 习题习题 三、简答题三、简答题 1 1、什么叫应变效应？、什么叫应变效应？ 利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。 2 2、试简要说明电阻应变式传感器的温度误差产生的原因。、试简要说明电阻应变式传感器的温度误差产生的原因。 3 3、什么是直流电桥？若按桥臂工作方式不同，可分为哪几种？各自的输出电压、什么是直流电桥？若按桥臂工作方式不同，可分为哪几种？各自的输出电压 如何计算？如何计算？ 4 4、简述电阻应变计产生热输出、简述电阻应变计产生热输出( (温度误差温度误差) )的原因及其补偿方法。的原因及其补偿方法。 5 5、试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措