电阻应变片式传感器

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1、第三章电阻应变式传感器本章学习要求：1.了解传感器的分类2.掌握金属应变片传感器的机构原理及特性3.对电阻应变片测量电桥的分析,掌握电桥的结构、形式、特点及相关的计算。机电工程测量第三章、电阻应变片式传感器3.1概述1.传感器定义传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。物理量电量目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。2.传感器的构成传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大

2、、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。3.1概述dV3.传感器的分类3.1概述1)按被测物理量分类常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩3.1概述机械式,电气式,光学式,流体式等.2)按工作的物理基础分类:3.1概述能量转换型和能量控制型.3)按信号变换特征:能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变

3、化.例如:电阻应变片.3.1概述4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.电阻应变式传感器--应变片电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。3.2电阻应变式传感器1)工作原理(电阻应变效应)上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数3.2电阻应变式传感器金属应变片的电阻R为代入3.2电阻应变式传感

4、器有：金属丝：金属丝体积不变：3.2电阻应变式传感器有：对金属材料，导电率不变：金属丝应变片：应变计3.2电阻应变式传感器金属应变计3.2电阻应变式传感器半导体应变计简化为：优点：灵敏度大;体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。3)应变片的主要参数4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。3.2电阻应变式传感器1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L表示。2）电阻值：应变计的原始电阻值。3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。1.直流电桥平衡条件E为电源电压，R1、R2、

5、R3及R4为桥臂电阻，RL为负载电阻当RL→∞时，电桥输出电压为当电桥平衡时，Uo=0，则有或R1R4=R2R33)应变片测量电路3.2电阻应变式传感器为电桥平衡条件2.电压灵敏度应变片工作时，其电阻值变化很小，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ΔR，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo≠0，则电桥不平衡，输出电压为3.2电阻应变式传感器3.2电阻应变式传感器设桥臂比n=R2/R1，由于ΔR1<

6、，并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3，则上式可写为电桥电压灵敏度定义为从上式分析发现：①电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，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，所以要作适当选择；②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n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。当E值确定后，n取何值时才能使KU最高。3.2电阻应变式传感器由dKU/dn=0求KU的最大值，得求得n=1时，KU为最大值。这就是说，在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有从上述可知，当电源

7、电压E和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时，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。金属丝应变片：3.2电阻应变式传感器3.非线性误差及其补偿方法式是略去分母中的ΔR1/R1项，电桥输出电压与电阻相对变化成正比的理想情况下得到的，实际情况则应按下式计算，即与ΔR1/R1的关系是非线性的，非线性误差为3.2电阻应变式传感器如果是四等臂电桥，R1=R2=R3=R4，即n=1，则对于一般应变片来说，所受应变ε通常在5000μ以下，若取KU=2，则ΔR1/R1=KUε=0.01，代入式计算得非线性误差为0.5%；若KU=130，

8、ε=1000μ时，ΔR1/R1=0.130，则得到非线性误差为6%，故当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。3.2电阻应变式传感器为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥