传感器原理与检测技术教学课件作者童敏明第3章节：电阻应变传感器课件

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1、第一节电阻应变片第二节基本测量电路——电桥电路第三节电阻应变片传感器的应用第四章电阻应变式传感器学习要求1、掌握电阻应变片的工作原理2、掌握电阻应变式传感器的检测方法3、熟悉不同种类直流电桥的输出特点4、熟悉电阻应变式传感器的典型应用5、学习和掌握电阻应变传感器的创新应用电阻应变式传感器是将被测量的应力（压力、荷重、扭力等）通过所产生的金属弹性形变转换成电阻变化的检测元件。它由电阻应变片和测量线路两部分组成。目前应用最广泛的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片。LFF第一节电阻应变片各种金属应变片花1.1应变电阻效应导体产生机械变形时，电阻值发生变化的

2、现象称为“应变电阻效应”。金属丝受力拉长，截面积S变小，由知，R将增大。∴即径向应变∵测量相对误差：金属导线在受应力拉长或缩短的时候,不仅长度要变,面积也要发生变化。其电阻的变化如何计算？由材料力学知：横向应变与纵向应变的关系可以用泊松系数来描述：∴应变灵敏系数要制成电阻应变片，用单一金属丝难以实现，所以用金属丝绕制。如用直径为0.015～0.05mm的细金属丝绕成栅网状，并粘贴在绝缘的基片上，两侧由引线接出，线栅上再覆盖一层绝缘保护膜。一般线栅面积为310mm2,阻值为60～150对于大多数金属材料，泊松系数所以ks的数值在1.4～4.8之间，一般取k

3、s为2（应变片的灵敏度）左右。利用这种效应制成传感器，即为电阻应变片。结构及材料金属丝电阻应变片的典型结构见图。它主要由粘合层1、3，基底2、盖片4，敏感栅5，引出线6构成。1.2环境温度对测量的影响造成应变片测量误差的因素很多，测量时要加以考虑。其中环境温度的影响是首要的误差。而当应变金属丝受环境温度影响时，有：RT＝RT0[1+T（T－T0）]温度系数T＝4.28×10-3/℃温度变化1℃时，RT＝RT0（1+T），即，R/R＝(RT－RT0)/RT0=2×2140比较R/R＝ksl=2l（假设KS＝2）环境温度变化1℃相当于引起2140

4、的应变，必须解决。一般l应变单位为几百～几千(1×10-6)1.3温度补偿措施1应变片补偿法将两个特性相同的应变片，用同样的方法粘贴在同样材质的两个器件上，置于相同的温度中，承受应力的为工作片，不受应力的为补偿片。测量时，如温度变化两个应变片引起的电阻增量不但符号相同，而且数量相同，根据电桥平衡条件R1R4＝R2R3，电桥必然保持平衡。应变片R1—测量元件应变片R2—温度补偿元件R1R2R3R4U02应变片自补偿使用特殊的应变片，使其温度变化的电阻增量等于零或相互抵消，从而不产生测量误差。这是利用某些电阻材料的温度系数有正负特性，将这两种不同的电阻丝串联成

5、一个应变片来实现的温度补偿，其条件是这两段电阻丝栅随温度变化而产生的电阻增量大小相等，方向相反。即或，这种温度补偿方法给应变片的应用带来了方便，但不易达到理想的效果，而且成本较高。3热敏电阻补偿法将热敏电阻Rt置于应变片相同的温度下，可以进行温度补偿，有下列多种方式：UBTR1RtU0不变TR1RtU0不变R1R2R3R4RtU0R1R2RtR3U0B2.1电桥概述1〉电桥工作原理平衡条件：R1R2R3R4USU0第二节基本测量电路——电桥电路2〉电桥分类按输入电源分：直流电桥、交流电桥、恒压源电桥、恒流源电桥按被测电阻的接入方式分：—四个桥臂中只有一个桥臂是

6、敏感元件，其它均为电阻；—四个桥臂中有两个敏感元件是相邻桥臂，这两个敏感元件在测量对象中，阻值变化大小相等，方向相反；—四个桥臂中两个敏感元件是相对桥臂，变化大小相对，方向相同。单臂电桥差动电桥相对臂电桥双差动电桥--四个敏感元件，分成大小相等、方向相反的两对。按桥臂电阻的配备方式分：串联对称电桥(第一类对称电桥)并联对称电桥(第二类对称电桥)等臂电桥按电桥的工作方式分：平衡电桥不平衡电桥R1R2R3R4USU0a)对称电桥R1＝R2,R3＝R4R1＝R3，R2＝R4R1＝R2＝R3＝R4b)不对称电桥不满足上述条件的电桥满足R1R4＝R2R3又称“全对称电桥

7、2.2不平衡单臂电桥的工作特性单臂R1为敏感元件变化的电桥输出为：对串联对称电桥：由R1=R2,R3=R4,得由(Q是微小量)可展成泰勒级数：所以得：忽略后一项2/8，得理想输出电桥电压灵敏度：非线性度：可见，输入量变化越大，非线性误差越大。若要求电桥误差小于0.03，即f≤3％则允许最大值为0.06（最大的测量范围）其结论同全对称电桥。2.3差动电桥的工作特性设：且则灵敏度比单臂电桥高一倍线性度R1和R2为敏感元件2.4双差动电桥的工作特性灵敏度比差动电桥高一倍线性度设：均为敏感元件R1＝R2＝R3＝R4且2.4相对臂电桥的工作特性设得灵敏度较高，但

8、非线性误差较大，常用于极性显示。2.5