应变式压力传感器及其应用电路设计

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1、应变式压力传感器及其应用电路设计32《计量与测试技术》2007年第34卷第12期StrainTypeP佗ssureSensorandDesignofltsApplicationCircuit李艳李新娥裴东兴（中北大学动态测试与智能仪器教育部重点实验室川I西太原030051）摘要:电阻应变式传感器在实际工程中应用较广。本文重点介绍了电阻应变片，应变式压力传感器的工作原理以及相关应用电路。关键词:应变式压力传感器;电阻应变片;测量电桥1引言）,）=-2o将式⑸代入⑷，且当ARV在工程应变测量技术中，发一直是一个热门话题八加速度、力、力矩、。2电

2、阻■应变效应考察一段圆截面的导线（金属丝），图「设其长为L,截面积为A（直径为D）,原始电阻为RR=AR时，可得ARR

3、i)+c(l-2n)]E=Ke=[(l+2(6)u)+c(l-2u)为金属丝材料的应式中,k=(l+2变灵敏系数。上式表明，金属材料电阻的相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。3电阻应变片的基本结构(1)电阻应变片主耍由四部分组成。如图2所示,电阻丝是应变片敏感元件;基片、覆盖片起定位和保护电阻丝的作用,并使电阻丝和被测试件之间绝缘;引出线用以连接测量导线。式中'P为金属丝的电阻率。图1金属丝拉伸后的电阻

4、变化当金属丝受到轴向力F而被拉伸(或压缩)产生形变,其电阻值会随之变化，通过对⑴式两边収对数后再収全微分得：⑵・+RLAp式中二£为材料轴向线应变，且二2。根LAD图2电阻应变片的基本结构4温度补偿电路电阻片是金属材料制成的，它的阻值随温度的变化也要产生变化。另外由于试件和电阻片材料的线膨胀系数不同，从而也会使电阻片的阻值发生变化。温度变化引起的电阻值变化是客观存在的,但不希望在测量结果中反映出来。利用电桥的加减特性來消除由温度变化引起的电阻变化。在电桥的AB臂接入感受机械应变的电阻片，即工作片;电阻片电阻变化中包含两个部分,一部分是由于应

5、变引起的电阻变化ARe，另一部分是由于温度变化引起的电阻变化ARt,如图3所示。设电阻片的起始电阻为R,当它感受应变并伴随有温度变化据材料力学，在金属丝单向受力状态下，有=-DL(3)式中U为导体材料的泊松比。因此，有U)+=(1+2pLp(4)试验发现，金属材料电阻率的相对变化与其体积的相对变化间的关系为(5)=cpV33连接'取3根导线长度相等'易保ilE:Rwl=Rw2=Rw3/记作Rw。又Rgl=Rg2记作R目所以Rgl+Rwl=Rg2+Rw2o通过调整Rt2,保证R3R4时，它的电阻R由变为R+AR€+ARtRwl+RglRw2+

6、Rg2达到调零的0的’同时使得电桥电压灵敏度最高。假定应变片在试件上的粘贴方式如图5所示。试件单方向受力,工作片Rgl由于应变引起的阻值变化为aRgb记作aRg,相应地，补偿片Rg2的阻值变化ARg2=-PARg,po图3温度补偿电路在电桥的BC臂接入一个同样的电阻片,英起始阻值也为R,将此电阻片贴在与构件同样的材料上，但它不感受应变。要求第2的环境温度屮,ARt,度补偿片。AReARe+ARtAR(7)Uo==A-RRR图5应变片布置位置为了消除非线性误差，修正导线电阻引起的误差，提高测量精度,重新推导应变计算公式如下：试件未受力，电阻片

7、电阻变化之前,电桥输出电压为零。当工作应变片的电阻Rgl变为Rgl+ARgl,#ARg时，电偿应变片的电阻Rg2变为Rg2+ARg2=Rg-u桥的输出电压变为UO=UBD式中A为比例常数，只与供桥电压和桥臂比有关。这样,电桥的输出电压仅与应变引起的电阻变化ARt率成正比,与温度变化引起的电阻变化率无关，起RARR+R-piARglRwl+Rgl+ZRgl+Rw2+Rg2-[iRR3+RUIN到了温度补偿的作用。应变片与测量电路Z间需要用导线连接,由于导线本身存在一定的电阻，而且它和电阻片是串联在测量电路的桥臂上，所以导线的电阻也是桥臂电阻

8、的一部分/旦它本身不参加变形。若不考虑导线电阻的影响，测量结果存在一定的误差。为了提高测量精度,冇必要对导线电阻引起的误差进行修正。根据以上分析，采用直流电桥，运用三线制电阻应变测量技术,设计应变测量电路如图4所示。(8)将Rwl=Rw2=Rw,Rgl=Rg2=Rg,ARgl=ARg2代入上式'并解得4U0ARgRGUIN(1+U)+2U0UINi(n-i)RwR(9)在一定范围内，应变片阻值相对变化量ARg/RgARge，式中K为应与试件应变量成线性关系，即二K?Rg变片的灵敏度系数。因此试件的应变ARge=KRg4U0=-UK(l+U卜

9、图4桥式测量电路原理图2U0UINl(ki-l)RwR(lO)其中,UIN为供桥电压;R3,R4为固定桥臂电阻;Rgl为工作应变片;Rg2为补偿应变片;Rw：L,Rw2,Rw3为