应变式传感器-测量技术基础-04

1、北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制测量技术基础测量技术基础第四章第四章 电阻式传感器电阻式传感器本章内容：本章内容：l 概述概述l 变阻器式（电位器式）变阻器式（电位器式）l 应变式传感器应变式传感器l 压阻式传感器压阻式传感器北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制分类分类 变阻器式变阻器式 电阻应变式电阻应变式 压阻式传感器压阻式传感器 热电阻式传感器（温度传感器处介绍）热电阻式传感器（温度传感器处介绍） AlR 应变式传感器是把被测量转换为电阻变化的应变式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器一种传

2、感器4.1 概述概述 工作原理工作原理北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制4.1 概述概述 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制工作原理工作原理分类分类直线位移型、角位移型和非线性型直线位移型、角位移型和非线性型4.2 变阻器式（电位器式）变阻器式（电位器式） 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 特点特点 (1) 结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定； (2) 受环境因素受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等

3、如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；影响小； (3) 可以实现输出可以实现输出输入间任意函数关系；输入间任意函数关系； (4) 输出信号大，一般不需放大；输出信号大，一般不需放大； (5) 电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，需要较大的输入能量；电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，需要较大的输入能量； (6) 分辨力较低；分辨力较低； (7) 动态响应较差，适合于缓慢量的测量。动态响应较差，适合于缓慢量的测量。4.2 变阻器式（电位器式）变阻器式（电位器式） 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制应用应用 测量测量“位移位移”、“压力压力”、“加速度加速度”等参量。等

4、参量。4.2 变阻器式（电位器式）变阻器式（电位器式） 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制案例：重量的自动检测案例：重量的自动检测-配料设备配料设备 比较重量设定重量设定原材料原材料原理：弹簧原理：弹簧-力力-位移位移 -电位器电位器-电阻电阻4.2 变阻器式（电位器式）变阻器式（电位器式） 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制案例：煤气包储量检测案例：煤气包储量检测煤气包煤气包钢丝钢丝原理：钢丝原理：钢丝-收线圈数收线圈数 -电位器电位器-电阻电阻4.2 变阻器式（电位器式）变阻器式（电位器式） 北京工

5、业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制案例：玩具机器人案例：玩具机器人4.2 变阻器式（电位器式）变阻器式（电位器式） 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制案例：玩具机器人案例：玩具机器人4.2 变阻器式（电位器式）变阻器式（电位器式） 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制案例：玩具机器人案例：玩具机器人4.2 变阻器式（电位器式）变阻器式（电位器式） 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制案例：玩具机器人案例：玩具机器人原理：电

6、机原理：电机-转角转角 -电位器电位器 -电阻电阻4.2 变阻器式（电位器式）变阻器式（电位器式） 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制M 精度高，测量范围广；精度高，测量范围广；M 频率响应特性好；频率响应特性好；M 结构简单，尺寸小，重量轻；结构简单，尺寸小，重量轻；M 可在高低温、高速、高压等恶劣环境下工作；可在高低温、高速、高压等恶劣环境下工作；M 易于实现小型化，固态化；易于实现小型化，固态化；M 价格低廉，品种多样，便

7、于选择；价格低廉，品种多样，便于选择；M 但在大应变状态具有明显非线性；但在大应变状态具有明显非线性；M 由于输出信号微弱，抗干扰能力差；由于输出信号微弱，抗干扰能力差；M 只能测出为应变片区域的平均应变。只能测出为应变片区域的平均应变。一、特点一、特点4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制二、工作原理二、工作原理电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时其电阻值将发生变化形时其电阻值将发生变化dAldAAldlAdR2F l、A 、 RAlR4.3 电阻应变式

8、传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制电阻的相对变化：电阻的相对变化：AAllRR对于半径为对于半径为r的圆导体，的圆导体，A=r2，A/A=2r/r又又由材料力学可知，在弹性范围内：由材料力学可知，在弹性范围内： Errll/,/,/)21 (ERR导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量电阻丝材料的泊松比，一般金属电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.30.5；压阻系数，与材质有关；压阻系数，与材质有关；应力值；应力值；E材料的弹性模量材料的弹性模量4.3 电阻应变式传感器电阻

9、应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制/210RRk金属材料：金属材料：k0以前者为主，则以前者为主，则k01+2=1.73.6半半 导导 体：体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定值主要是由电阻率相对变化所决定0kRR电阻的灵敏系数电阻的灵敏系数21/0k材料电阻率材料电阻率随应变引起（压阻效应）随应变引起（压阻效应）材料的几何尺寸变化引起材料的几何尺寸变化引起4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制金属应变片的类型和材料金属应变片的类型和材料 金属丝式金

10、属丝式 金属箔式金属箔式 金属薄膜式金属薄膜式回线式回线式短接式短接式 金金 属属 半导体半导体材料材料 位移、力、力矩位移、力、力矩加速度、压力加速度、压力弹性敏弹性敏感元件感元件 应变应变 4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制应变片应变片外力作用外力作用被测对象表面产生微小机械变形被测对象表面产生微小机械变形电阻值发生相应变化电阻值发生相应变化应变片敏感栅随同变形应变片敏感栅随同变形4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制

11、敏感栅敏感栅 电阻丝电阻丝金属应变式金属应变式 基基 底底 绝缘绝缘 覆盖层覆盖层 保护保护三、金属应变片的基本结构与种类三、金属应变片的基本结构与种类 丝式丝式敏感栅敏感栅 箔式箔式 薄膜式薄膜式4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制金属箔式应变片金属箔式应变片 在绝缘基底上，将厚度为在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。各种需要的形状。4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大

12、学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制（1 1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求（2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 （3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。）与被测试件接触面积大，粘结性能好。 散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。（4）横向效应可以忽略。）横向效应可以忽略。（5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。 电阻值的分散性大电阻值的分散性大优点：优点：缺点：缺点：4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京

13、工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在上形成厚度在1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产。加上保护层，易实现工业化批量生产。 优点：优点： 应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产。易实现工业化生产。 问题：问题： 难控制电阻与温度、时间的变化关系。难控制电阻与温度、时间的变化关系。金属薄膜应变片金属薄膜应变片 4.3 电阻应变式传感器

14、电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制1、应变片的电阻值、应变片的电阻值 应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值测得的电阻值 电阻系列：电阻系列：60、120、200、350、600、1000 四、金属应变片的主要特性参数四、金属应变片的主要特性参数可以加大应变片承受电压可以加大应变片承受电压 输出信号大输出信号大敏感栅尺寸也增大敏感栅尺寸也增大电阻值大电阻值大R4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥

15、永刚制2、应变片的几何参数、应变片的几何参数四、金属应变片的主要特性参数四、金属应变片的主要特性参数几何参数：标距几何参数：标距 和丝栅宽度和丝栅宽度 ，制造厂常用，制造厂常用 表示表示LbbL4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制3、灵敏系数、灵敏系数RRK/“标称灵敏系数标称灵敏系数”：在泊松系数：在泊松系数=0.285的钢试件受轴向单向力的钢试件受轴向单向力（拉或压）时，在一批产品中抽样（拉或压）时，在一批产品中抽样5的产品来测定，取平均值的产品来测定，取平均值及允许公差值。及允许公差值。电阻应变片的灵敏

16、系数电阻应变片的灵敏系数k 电阻丝的灵敏系数电阻丝的灵敏系数k0 粘结层传递变形失真粘结层传递变形失真存在横向效应存在横向效应原因原因灵敏系数为应变计变换性能的重要参数灵敏系数为应变计变换性能的重要参数四、金属应变片的主要特性参数四、金属应变片的主要特性参数4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段：沿轴向拉应变直线段：沿轴向拉应变 ，电阻，电阻圆弧段：沿轴向压应度圆弧段：沿轴向压应度 ，电阻电阻 xK (箔式应变片箔式应变片)y四、金属应变片的

17、主要特性参数四、金属应变片的主要特性参数yxy4、横向效应、横向效应4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制5、温度误差及其补偿、温度误差及其补偿 1、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化变化t 时，敏感栅材料电阻温度系数为时，敏感栅材料电阻温度系数为 ，则引起的，则引起的电阻相对变化为电阻相对变化为2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t 时，时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将因试件材料和敏感

18、栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化 温度温度误差误差 tKRKRRsgtt)(0000tRRRRtt00s应变丝的线膨胀系数；应变丝的线膨胀系数；g试件的线膨胀系数试件的线膨胀系数4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制相应的虚假应变输出相应的虚假应变输出tKtKRRsgtt)(/000由温度变化引起的总电阻变化为由温度变化引起的总电阻变化为tKRtRRRRsgttt)(000 单丝自补偿法单丝自补偿法 自补偿法自补偿法 组合式自补

19、偿法组合式自补偿法 线路补偿法线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻电桥补偿法、热敏电阻温度补偿温度补偿 5、温度误差及其补偿、温度误差及其补偿 4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 U0R1R4R3URbFFR1RbR1 +RRb -RU0R1RR4R3URbR常用的最好的补偿方法。常用的最好的补偿方法。 4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 优点：优点： 简单、方便，在常温下补偿效果较好简单、方便，在常温下补偿效果较好 缺点：缺

20、点： 在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。偿效果。 4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制应变片主要性能指标举例应变片主要性能指标举例4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制五、电阻应变片的选择、粘贴技术五、电阻应变片的选择、粘贴技术 1. 检测电阻应变片有无折痕、断丝等缺陷，有缺陷的检测电阻

21、应变片有无折痕、断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。应变片不能粘贴。2. 用精密电阻箱测量应变片电阻值大小。同一电桥中用精密电阻箱测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片阻值相差不得大于各应变片阻值相差不得大于0.5欧姆。欧姆。3. 试件表面处理：贴片处置用细砂纸打磨干净，用酒试件表面处理：贴片处置用细砂纸打磨干净，用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4. 应变片粘贴：在应变片基底上挤一小滴应变片粘贴：在应变片基底上挤一小滴502胶水，胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。4.3 电阻应变式传感器电阻应变式

22、传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制5. 焊线：用电烙铁将应变片的引线焊接到导引焊线：用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。线上。6. 用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于应大于500M欧。欧。7. 应变片保护：用应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。防止受潮。五、电阻应变片的选择、粘贴技术五、电阻应变片的选择、粘贴技术 4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制六、电阻应变片的测量

23、电路六、电阻应变片的测量电路 4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 电桥是将电桥是将电阻、电感、电容电阻、电感、电容等电参量的变等电参量的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。其化转换为电压或电流输出的一种测量电路。其输出既可用指示仪表直接测量，也可以送入放输出既可用指示仪表直接测量，也可以送入放大器放大。由于电桥测量电路简单，具有较高大器放大。由于电桥测量电路简单，具有较高的精确度和灵敏度，能预调平衡，易消除温度的精确度和灵敏度，能预调平衡，易消除温度及环境的影响，因此在测量系统中被广泛采用。及环境的影响，因此在测量系统中被广泛采用。北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚

24、胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制六、电阻应变片的测量电路六、电阻应变片的测量电路 1、电桥分类、电桥分类直流电桥直流电桥交流电桥交流电桥平衡电桥平衡电桥不平衡电桥不平衡电桥单臂电桥单臂电桥半桥半桥全桥全桥4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制2. 直流电桥直流电桥六、电阻应变片的测量电路六、电阻应变片的测量电路 4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 当电桥输出端接入输入阻抗当电桥输出端接入输入阻抗较大的仪表或放大器时，可视为较大的仪表或放大器时，可视为开路，输出电流为零，输出电压开路，输出电流为零，输出电压为为

25、 。此时桥路电流。此时桥路电流:RReIx211RReIx432eRRRRRRRReRRRRRRUUexxadab432142314342110输出电压输出电压欲使输出电压为零，即电桥平衡，应满足欲使输出电压为零，即电桥平衡，应满足RRRR4231oe北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 直流电桥主要的优点是所需的高稳定度直流电源直流电桥主要的优点是所需的高稳定度直流电源较易获得；电桥输出是直流量，可以用直流仪表测量，较易获得；电桥输出是直流量，可以用直流仪表测量，精度较高；对传感器至测量仪表的连接导线要求较低；精度较高；对传感器至测量仪表的连接导线

26、要求较低；电桥的预调平衡电路简单，仅需对纯电阻加以调整即电桥的预调平衡电路简单，仅需对纯电阻加以调整即可。其缺点是直流放大器比较复杂，易受零漂和接地可。其缺点是直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。电位的影响。RRRReeRx432104对于最常用的全等臂电桥对于最常用的全等臂电桥4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 2. 直流电桥直流电桥六、电阻应变片的测量电路六、电阻应变片的测量电路 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 时，电桥的输出电压与应变成线性关系。时，电桥的输出电压与应变成线性关系。 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变

27、或压若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。变极性不同，则输出电压为两者之和。 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。和；反之则为两者之差。2. 直流电桥直流电桥六、电阻应变片的测量电路六、电阻应变片的测量电路 RRi4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制2. 直流电桥直流电桥六、电阻应变片的测量电路六、电阻应变片的

28、测量电路 电桥供电电压电桥供电电压 越高，输出电压越高，输出电压 越大。但是，越大。但是，当当 大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。现蠕变和零漂。 增大电阻应变片的灵敏系数增大电阻应变片的灵敏系数 ，可提高电桥的输，可提高电桥的输出电压。出电压。iUoUiUK4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制R1桥臂变化桥臂变化R，理想的线性关系理想的线性关系 RRUU4i0

29、3. 单臂电桥非线性误差及其补偿单臂电桥非线性误差及其补偿六、电阻应变片的测量电路六、电阻应变片的测量电路 4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制六、电阻应变片的测量电路六、电阻应变片的测量电路 实际输出电压实际输出电压 RRRRURRRUU211424ii0电桥的相对非线性误差为电桥的相对非线性误差为 KRRRRRRUU21211211121111003. 单臂电桥非线性误差及其补偿单臂电桥非线性误差及其补偿4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永

30、刚刚胥永刚制胥永刚制补偿方法之一：半桥差动电桥补偿方法之一：半桥差动电桥 R1R2FRRUU20R1R2，R3R4，R1R2=R严格的线性关系严格的线性关系电桥灵敏度比单臂时提高一倍电桥灵敏度比单臂时提高一倍温度补偿作用温度补偿作用U0R1R1R4R3UR2R23. 单臂电桥非线性误差及其补偿单臂电桥非线性误差及其补偿4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制输出电压为：输出电压为：110RRUU如果四个桥臂电阻都由应变片替代，且使两个应变片受拉，如果四个桥臂电阻都由应变片替代，且使两个应变片受拉，另两个受压，并将

31、应变符号相同的应变片接到相对的桥臂另两个受压，并将应变符号相同的应变片接到相对的桥臂上，这种接法称为全桥差动工作电路。上，这种接法称为全桥差动工作电路。条件：条件：R1R2R3R4且且R1R2=R3R4优点：没有非线性误差；电压优点：没有非线性误差；电压灵敏度是使用单只应变灵敏度是使用单只应变片的片的4倍，能温度补偿倍，能温度补偿U0R1R1UR2R2R4R4R3R3补偿方法之二：全桥差动电路补偿方法之二：全桥差动电路 3. 单臂电桥非线性误差及其补偿单臂电桥非线性误差及其补偿4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永

32、刚制4 交流电桥交流电桥传感器传感器传感器传感器平衡条件平衡条件4231ZZZZLLLL0URR0e1C2C4R1R2R3R0U1U4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 交流电桥平衡必须满足两个条件：相对两臂阻抗之交流电桥平衡必须满足两个条件：相对两臂阻抗之模的乘积应相等，并且它们的阻抗角之和也必须相等，模的乘积应相等，并且它们的阻抗角之和也必须相等，前者称为交流电桥模的平衡条件，后者称为相位平衡条前者称为交流电桥模的平衡条件，后者称为相位平衡条件。件。 电容电桥电容电桥 电感电桥电感电桥 4.3 电阻应变式

33、传感器电阻应变式传感器 4 交流电桥交流电桥北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制电阻应变仪电阻应变仪静动态应变仪技术指标：静动态应变仪技术指标：量程：量程：110000频率范围：频率范围：0-150kHz 平衡方式：手动平衡方式：手动 精度：精度：0.3% 零点漂移：零点漂移：- /：0.1- /24小时：小时：0.5灵敏度变化：灵敏度变化：- /：0.05%- /24小时：小时：0.3% 信噪比：信噪比：52dB( (参考东方振动和噪声技术研究所资料参考东方振动和噪声技术研究所资料) )4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院

34、北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：用可分为两大类： 第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一

35、般为桥路；性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路； 第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。七、应变效应的应用七、应变效应的应用4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制各种悬臂梁各种悬

36、臂梁4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制应变式力传感器应变式力传感器 FFFF4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。向变短，径向变长。4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制汽车衡称重系统汽车衡称重系统4

37、.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制材料应变的测量材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试斜拉桥上的斜拉绳应变测试 4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制案例：振动式地音入侵探测器案例：振动式地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时

38、发现。洞、爆破等破坏行为均可及时发现。4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制ERR 利用半导体材料的压阻效应和微电子技术制成的，利用半导体材料的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的物性型传感器。是一种新的物性型传感器。 压阻效应：指当半导体材料在某一轴向受外力作压阻效应：指当半导体材料在某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。用时，其电阻率发生变化的现象。为半导体材料的压阻系数为半导体材料的压阻系数4.4 压阻式传感器压阻式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制

39、胥永刚制优点：灵敏度高，比金属丝式高优点：灵敏度高，比金属丝式高5080倍、尺寸倍、尺寸小，横向效应小，动态响应好、精度高、小，横向效应小，动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。易于微型化和集成化等。缺点：温度系数大，应变时非线性比较严重，稳缺点：温度系数大，应变时非线性比较严重，稳定性和可重复性不如金属应变片。定性和可重复性不如金属应变片。4.4 压阻式传感器压阻式传感器 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 将半导体电阻做成粘贴式应将半导体电阻做成粘贴式应变片在半导体基片上选择一定的变片在半导体基片上选择一定的晶向位置，利用集成电路工艺制成扩散电阻，作