1、第2章 電阻應變式傳感器及其應用第第2章章 電阻應變式傳感器及應用電阻應變式傳感器及應用 提問提問1：電子秤中用到的傳感器是什么結構？收費站稱電子秤中用到的傳感器是什么結構？收費站稱重收費過程中是如何稱重的？重收費過程中是如何稱重的？提問提問2：你還了解哪些測量力、壓力、位移、加速度等物你還了解哪些測量力、壓力、位移、加速度等物理量的傳感器？這些傳感器在日常生活中都有何用途？理量的傳感器？這些傳感器在日常生活中都有何用途？第2章 電阻應變式傳感器及其應用第2章 電阻應變式傳感器及其應用掌握重點：掌握重點：u工作原理工作原理:被測量被測量應變應變( ) 電阻變化電阻變化( R)u電阻應變片的特性

2、電阻應變片的特性u測量電路測量電路u典型應用典型應用內容安排內容安排金屬金屬: :半導體半導體: :按材料分按材料分應變式傳感器應變式傳感器壓阻式傳感器壓阻式傳感器2.1 應變式傳感器應變式傳感器2.1.1 金屬電阻應變片工作原理金屬電阻應變片工作原理基于金屬的應變應變效應：金屬絲的電阻隨著它所受的機械形變(拉伸或壓縮) 而發生相應的變化的現象稱為金屬的電阻應變效應。 長為l、 截面積為A、 電阻率為的金屬或半導體絲, 電阻 若導電絲在軸向受到應力的作用軸向受到應力的作用, 其長度變化l, 截面積變化A, 電阻率變化, 而引起電阻變化R, 則lRARlARlA一、一、 金屬電阻應變效應金屬電阻

3、應變效應FFL+dLd第2章 電阻應變式傳感器及其應用ddAA2/d dl l 0(12 )RllkRll式中0/12/R Rp pkl ll l 為單根導電絲的靈敏系數單根導電絲的靈敏系數, 表示當發生應變時, 其電阻變化率與其應變的比值。24dA（材料的泊松系數） 第2章 電阻應變式傳感器及其應用0/12/R Rkl ll l 導電絲的幾何導電絲的幾何尺寸的改變尺寸的改變材料的電阻率材料的電阻率發生變化發生變化對金屬對金屬： E很小, 可忽略不計, =0.250.5, 故 k0=1+21.52；對半導體對半導體： E比1+2大得多, 壓阻系數=(40-50)10-11m2/N, 楊氏模量E

4、=1.671011Pa, 則E50100, 故（1+2）可以忽略不計。可見, 半導體靈敏度要比金屬大50100倍。 0/12R RkE 表示壓阻系數表示壓阻系數第2章 電阻應變式傳感器及其應用二、應變計的結構與分類二、應變計的結構與分類 LAa結構圖柵寬柵寬低阻鍍錫銅絲作為引線u應變計：將應變轉換為電阻變化的傳感元件應變計：將應變轉換為電阻變化的傳感元件u結構：結構：電阻應變片種類繁多，但基本構造大體相同圖示為其構造簡圖：排列成網狀的高阻金屬絲、柵狀金屬箔或半導體片構成的敏感柵敏感柵, 用粘合劑貼在絕緣的基片基片上。敏感柵上貼有蓋片蓋片（即保護片）。核心部件：核心部件：敏感柵第2章 電阻應變式

5、傳感器及其應用u 應變計的分類應變計的分類對金屬：u金屬絲式應變片：u金屬箔式應變片：u薄膜應變片：v按尺寸分：v按結構形式分：單片、雙片及各種特殊形狀的圖案v按使用環境分：高低溫、核輻射、高雅、磁場的等v按安裝形式分：粘貼、非粘貼、焊接、火焰噴涂v按材料分：金屬式、半導體式對半導體：u體型應變片：u擴散型應變片：u薄膜型應變片：u外延型應變片：uPN結及其它第2章 電阻應變式傳感器及其應用(a)(b)(c) 圖 2.3金屬絲式應變片：有金屬絲式應變片：有U型、型、V型、型、H型型 金屬絲彎曲部分成圓金屬絲彎曲部分成圓弧（弧（U）形）形,是最早常是最早常用的一種形式，制作用的一種形式，制作簡單

6、但橫向效應較大簡單但橫向效應較大金屬絲彎曲部分成直角金屬絲彎曲部分成直角（H）形）形,兩端用較粗的鍍兩端用較粗的鍍銀銅線焊接，橫向效應較銀銅線焊接，橫向效應較小，制作工藝復雜小，制作工藝復雜(將逐漸將逐漸被橫向效應小、性能更優被橫向效應小、性能更優越的箔式應變計所代替越的箔式應變計所代替) 第2章 電阻應變式傳感器及其應用圖2.4 幾種箔式應變計(a)(b)(c)(d)(e)(f)金屬箔式應變片：箔式應變計的線柵是通箔式應變計的線柵是通過光刻、腐蝕等工藝制過光刻、腐蝕等工藝制成很薄的金屬薄柵（厚成很薄的金屬薄柵（厚度一般在度一般在0.0030.01mm） 第2章 電阻應變式傳感器及其應用第2章

7、 電阻應變式傳感器及其應用薄膜應變片：薄膜應變片：薄膜式應變計是采用真空濺射或真空沉積技術，在薄的絕薄膜式應變計是采用真空濺射或真空沉積技術，在薄的絕緣基片上蒸鍍金屬電阻薄膜（厚度在納米量級），再加上緣基片上蒸鍍金屬電阻薄膜（厚度在納米量級），再加上保護層制成保護層制成優點：靈敏度高；允許通過的優點：靈敏度高；允許通過的電流密度大；工作溫度范圍廣電流密度大；工作溫度范圍廣（可工作于（可工作于-197317），也），也可用于核輻射等特殊情況下。可用于核輻射等特殊情況下。敏感元件常用的材料：敏感元件常用的材料：康銅（銅鎳合金）、鎳康銅（銅鎳合金）、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合

8、金等，常溫下鐵鎳鉻合金等，常溫下使用的應變計多由康銅使用的應變計多由康銅制成。制成。 第2章 電阻應變式傳感器及其應用2.1.2 金屬電阻應變片主要特性金屬電阻應變片主要特性一、應變計的特點一、應變計的特點靈敏度和精確度高：能測靈敏度和精確度高：能測12微應變，誤差一般小于微應變，誤差一般小于1%；測量范圍大：從彈性變形一直可測至塑性變形；測量范圍大：從彈性變形一直可測至塑性變形；尺寸小，重量輕，對試件工作狀態和應力分布影響很小；尺寸小，重量輕，對試件工作狀態和應力分布影響很小；具有良好的動態響應；具有良好的動態響應；能適應高溫、高壓、強磁場以及輻射等惡劣環境；能適應高溫、高壓、強磁場以及輻射

9、等惡劣環境； 價格低廉、品種多樣，便于選擇和大量使用。價格低廉、品種多樣，便于選擇和大量使用。 u優點：優點：第2章 電阻應變式傳感器及其應用在大應變下具有較大的非線性；在大應變下具有較大的非線性； 輸出信號較微弱，抗干擾能力較差；輸出信號較微弱，抗干擾能力較差；應變式傳感器的性能在很大程度上取決于應變計的性能。應變式傳感器的性能在很大程度上取決于應變計的性能。一、應變計的特點一、應變計的特點u缺點：缺點：第2章 電阻應變式傳感器及其應用二、應變計的靈敏度系數二、應變計的靈敏度系數金屬電阻絲金屬電阻絲0RKR應變計應變計RKR電阻應變計的電阻應變計的靈敏度系數靈敏度系數 應變絲的靈敏應變絲的靈

10、敏度系數度系數 0kK原因：原因：基底傳遞衰減；基底傳遞衰減；存在橫向效應；存在橫向效應；第2章 電阻應變式傳感器及其應用三、應變計的橫向效應三、應變計的橫向效應 lxy敏感柵由許多直線及圓角組成，拉伸被敏感柵由許多直線及圓角組成，拉伸被測試件時，粘貼在試件上的應變計沿長測試件時，粘貼在試件上的應變計沿長度方向拉伸，產生縱向拉伸應變度方向拉伸，產生縱向拉伸應變x，應，應變計直線段電阻增加；變計直線段電阻增加；在垂直方向產生壓應在垂直方向產生壓應變變-y，該微段電阻，該微段電阻減少，在圓弧的其他減少，在圓弧的其他各微段，感受的應變各微段，感受的應變由由+x變化到變化到 y，圓弧段的電阻變化將圓弧

11、段的電阻變化將小于同樣長度沿小于同樣長度沿x方方向的直線段的電阻變向的直線段的電阻變化化總結：總結：將同樣長的金屬線材做成敏感柵后，對同樣應變，應變將同樣長的金屬線材做成敏感柵后，對同樣應變，應變計敏感柵的電阻變化變小，靈敏度降低，這種現象稱為應變計計敏感柵的電阻變化變小，靈敏度降低，這種現象稱為應變計的橫向效應。的橫向效應。xxyyRkkR軸向靈敏系數橫向靈敏系數第2章 電阻應變式傳感器及其應用四、應變計的動態特性四、應變計的動態特性 u應變波的傳播過程機械應變以相同于聲波速度的應變波應變波形式在材料材料中傳播。應力波從試件通過膠層、基片傳到敏感柵需要一定時間，應力波從試件通過膠層、基片傳到

12、敏感柵需要一定時間，沿應變計長度方向經過敏感柵需要更長一些的時間，敏沿應變計長度方向經過敏感柵需要更長一些的時間，敏感柵電阻的變化是對某一瞬時作用于其上應力的平均值感柵電阻的變化是對某一瞬時作用于其上應力的平均值的反應；的反應；膠層和基片的總厚度約為膠層和基片的總厚度約為0.05mm，由試件經過膠層和，由試件經過膠層和基片傳到敏感柵的時間約為基片傳到敏感柵的時間約為510-8s，可以忽略不計；，可以忽略不計；應變波沿敏感柵長度方向傳播的時間應加以考慮應變波沿敏感柵長度方向傳播的時間應加以考慮 鋼材聲速為鋼材聲速為5000m/s，膠，膠層聲速為層聲速為1000m/s。第2章 電阻應變式傳感器及其

13、應用階躍波沿敏感柵軸向傳播，由于應變波通過階躍波沿敏感柵軸向傳播，由于應變波通過敏感柵需要時間敏感柵需要時間L/V，當階躍波的躍起部分，當階躍波的躍起部分通過通過敏感柵全部長度敏感柵全部長度后，電阻變化才達到最后，電阻變化才達到最大值大值 (理論相應特性曲線理論相應特性曲線)應變計粘合層對應變計粘合層對應變中高次諧波應變中高次諧波的衰減作用的衰減作用 （實（實際曲線）際曲線）vLtk8 . 0u階躍應變波：第2章 電阻應變式傳感器及其應用u可測頻率可測頻率 ：vLtk8 . 00.350.350.440.8kvvftLL例如:應變計基長L=20mm，波速v=5000m/s，則tk=3.210-

14、6s，f=110 kHz。 第2章 電阻應變式傳感器及其應用當測量按正弦規律變化的應變波時，由于應變計反映的應當測量按正弦規律變化的應變波時，由于應變計反映的應變波形，是應變計線柵長度內所感受應變量的平均值，因變波形，是應變計線柵長度內所感受應變量的平均值，因此應變計反應的波幅將低于真實應變波，從而帶來一定誤此應變計反應的波幅將低于真實應變波，從而帶來一定誤差：差：誤差將隨應變計基長的增加而加大，當基片一定時將誤差將隨應變計基長的增加而加大，當基片一定時將隨頻率的增加而加大隨頻率的增加而加大 u正弦應變波：應變計正處于應變波應變計正處于應變波達到最大值時的瞬時達到最大值時的瞬時情況：應變波的波

15、長情況：應變波的波長為為，應變計的基長為，應變計的基長為L，兩端點的坐標為，兩端點的坐標為x1和和x2，而，而x1=/4-L/2，x2=/4+L/2 ，此時應，此時應變計在其基長變計在其基長L內測內測得的平均應變達到最得的平均應變達到最大值。大值。 第2章 電阻應變式傳感器及其應用五、應變計的其他特性參數五、應變計的其他特性參數 u線性度線性度試件的應變試件的應變和電阻的相對變化和電阻的相對變化R/R，在理論上呈線性關，在理論上呈線性關系。但實際上，在大應變時，會出現非線性關系。應變系。但實際上，在大應變時，會出現非線性關系。應變計的非線性度一般要求在計的非線性度一般要求在0.05%或或1%以

16、內。以內。 第2章 電阻應變式傳感器及其應用u 應變極限應變極限 粘貼在試件上的應變計所能測量的最大應變值稱為應變極限。粘貼在試件上的應變計所能測量的最大應變值稱為應變極限。在一定的溫度在一定的溫度 (室溫或極限使用溫度室溫或極限使用溫度) 下，對試件緩慢地施加均下，對試件緩慢地施加均勻的拉伸載荷，當應變計的指示應變值對真實應變值的相對誤勻的拉伸載荷，當應變計的指示應變值對真實應變值的相對誤差大于差大于10%時，就認為應變計已達到破壞狀態，此時的真實應時，就認為應變計已達到破壞狀態，此時的真實應變值就作為該批應變計的應變極限。變值就作為該批應變計的應變極限。 u機械滯后和熱滯后機械滯后和熱滯后

17、貼有應變計的試件進行加載和卸載時，其貼有應變計的試件進行加載和卸載時，其R/R-特性曲線不重特性曲線不重合，把加載和卸載特性曲線的最大差值合，把加載和卸載特性曲線的最大差值，稱為應變計的機械，稱為應變計的機械滯后值。滯后值。 第2章 電阻應變式傳感器及其應用u零漂和蠕變零漂和蠕變恒定溫度下，粘貼在試件上的應變計，在不承受載荷的條件下，恒定溫度下，粘貼在試件上的應變計，在不承受載荷的條件下，電阻隨時間變化的特性稱為應變計的零漂。零漂的主要原因是，電阻隨時間變化的特性稱為應變計的零漂。零漂的主要原因是，敏感柵通過工作電流后的溫度效應，應變計的內應力逐漸變化，敏感柵通過工作電流后的溫度效應，應變計的

18、內應力逐漸變化，粘接劑固化不充分等。粘接劑固化不充分等。 u 疲勞壽命疲勞壽命 已安裝的應變計，在恒定幅值的交變應力作用下，可以連續工已安裝的應變計，在恒定幅值的交變應力作用下，可以連續工作而不產生作而不產生疲勞損壞疲勞損壞的循環次數。疲勞壽命反映應變計對動態的循環次數。疲勞壽命反映應變計對動態應變的適應能力。應變計的疲勞壽命的循環次數一般可達應變的適應能力。應變計的疲勞壽命的循環次數一般可達106次。次。 指應變計指示應變的變化指應變計指示應變的變化超過規定誤差，或者應變超過規定誤差，或者應變計的輸出波形上出現毛刺，計的輸出波形上出現毛刺，或者應變計完全損壞而無或者應變計完全損壞而無法工作。

19、法工作。第2章 電阻應變式傳感器及其應用u最大工作電流最大工作電流允許通過應變計而不影響其工作的最大電流值，工作電流大，允許通過應變計而不影響其工作的最大電流值，工作電流大，應變計輸出信號就大，因而靈敏度高。應變計輸出信號就大，因而靈敏度高。R1R2R3R4USCUsr過大的工作電流使應過大的工作電流使應變計過熱，靈敏系數變計過熱，靈敏系數變化，零漂、蠕變增變化，零漂、蠕變增加，甚至燒壞應變計加，甚至燒壞應變計工作電流選取：散熱條件；敏感柵的工作電流選取：散熱條件；敏感柵的幾何尺寸；截面的形狀和大小；基底幾何尺寸；截面的形狀和大小；基底的尺寸和材料；粘合劑的材料和厚度；的尺寸和材料；粘合劑的材

20、料和厚度；試件的散熱性能。試件的散熱性能。通常靜態測量時約取通常靜態測量時約取25 mA左右，動左右，動態測量時可高一些，箔式應變計可取態測量時可高一些，箔式應變計可取更大些。更大些。第2章 電阻應變式傳感器及其應用u 絕緣電阻絕緣電阻指應變計的引線與被測試件之間的電阻值，一般以兆歐計。絕指應變計的引線與被測試件之間的電阻值，一般以兆歐計。絕緣電阻過低，會造成應變計與試件之間漏電而產生測量誤差。緣電阻過低，會造成應變計與試件之間漏電而產生測量誤差。 u 應變計標稱電阻值應變計標稱電阻值R應變計在未安裝也不受外力的情況下，于室溫時測得的電阻值。應變計在未安裝也不受外力的情況下，于室溫時測得的電阻

21、值。這是使用應變計時必須知道的一個參數。國內應變計系列習慣這是使用應變計時必須知道的一個參數。國內應變計系列習慣上選用上選用120、175、350、500、1000、1500。 u 幾何尺寸幾何尺寸圓弧敏感柵應變計敏感柵基長圓弧敏感柵應變計敏感柵基長L從圓弧頂部算起，箔式應變計從圓弧頂部算起，箔式應變計則從橫向粗線的內沿算起。通常應變計則從橫向粗線的內沿算起。通常應變計L 約為約為230mm，箔式，箔式應變計最小可達應變計最小可達0.2mm，長的達，長的達100mm或更長或更長 第2章 電阻應變式傳感器及其應用2.1.3 溫度誤差及其補償溫度誤差及其補償一、溫度誤差產生的原因一、溫度誤差產生的

22、原因 環境溫度變化，應變計的環境溫度變化，應變計的電阻也將發生變化，這種電阻也將發生變化，這種變化疊加在測量結果中將變化疊加在測量結果中將產生很大誤差，稱為應變產生很大誤差，稱為應變計的溫度誤差。計的溫度誤差。電阻溫度系數的影響電阻溫度系數的影響 00(1)ttRR應變片阻值隨溫度的關系： 溫度為溫度為t時時的電阻值的電阻值 溫度為溫度為t0時的電阻值時的電阻值 0ttt 電阻溫電阻溫度系數度系數 000tttRRRR溫度變化t，電阻的變化值 ： 第2章 電阻應變式傳感器及其應用2.1.3 溫度誤差及其補償溫度誤差及其補償一、溫度誤差產生的原因一、溫度誤差產生的原因 試件材料與應變絲材料線試件

23、材料與應變絲材料線膨脹系數不一致，使應變膨脹系數不一致，使應變絲產生附加變形，造成電絲產生附加變形，造成電阻額外變化阻額外變化 試件材料與應變絲材料線膨脹系數不一致試件材料與應變絲材料線膨脹系數不一致試件與電阻絲材料的線膨脹系數相同，環境溫度試件與電阻絲材料的線膨脹系數相同，環境溫度變化，不會產生附加變形；變化，不會產生附加變形；試件與電阻絲材料的線膨脹系數不同，環境溫度試件與電阻絲材料的線膨脹系數不同，環境溫度變化，電阻絲會產生附加變形，從而產生附加電變化，電阻絲會產生附加變形，從而產生附加電阻。阻。第2章 電阻應變式傳感器及其應用2.1.3 溫度誤差及其補償溫度誤差及其補償二、溫度補償方法

24、二、溫度補償方法 u電橋補償法電橋補償法 工作應變片貼在試件上，補償片貼在補償件上，補償件不受力，并接入電橋相鄰臂。溫度變化使工作片與補償片產生的電溫度變化使工作片與補償片產生的電阻變化阻變化R1t的電阻變化的電阻變化RBt相等，電相等，電橋輸出橋輸出Usc與溫度無關，從而補償了與溫度無關，從而補償了應變計的溫度誤差應變計的溫度誤差 第2章 電阻應變式傳感器及其應用 工作片、補償片貼在同一試件上，但補償片不受力作用。工作片、補償片貼在同一試件上，但兩者感受的應變符號相反。構件作純彎曲形變時，上部構件作純彎曲形變時，上部的應變為拉應變，下部為壓的應變為拉應變，下部為壓應變，兩者絕對值相等符號應變

25、，兩者絕對值相等符號相反，相反，RB與與R1的變化值大小的變化值大小相等符號相反，電橋的輸出相等符號相反，電橋的輸出電壓增加一倍。此時電壓增加一倍。此時RB既起既起到了溫度補償作用，又提高到了溫度補償作用，又提高了靈敏度，而且可補償非線了靈敏度，而且可補償非線性誤差。性誤差。 第2章 電阻應變式傳感器及其應用u輔助測溫元件微型計算機補償法輔助測溫元件微型計算機補償法 方法：在傳感器內靠近敏感測量元件處安裝一個測溫元件，方法：在傳感器內靠近敏感測量元件處安裝一個測溫元件， 用以檢測傳感器所在環境的溫度。常用的測溫元件有半導用以檢測傳感器所在環境的溫度。常用的測溫元件有半導體熱敏電阻以及體熱敏電阻

26、以及PN結二極管等。測溫元件的輸出經放大及結二極管等。測溫元件的輸出經放大及A/D轉換送到計算機。轉換送到計算機。 計算機在處理傳感器數據時，把測溫元件測量的溫度變化對計算機在處理傳感器數據時，把測溫元件測量的溫度變化對傳感器的影響加以補償，以達到提高測量精度的目的。傳感器的影響加以補償，以達到提高測量精度的目的。第2章 電阻應變式傳感器及其應用u 應變計自補償法應變計自補償法 方法：采用一種特殊的自補償應變計，當溫度變化時，產方法：采用一種特殊的自補償應變計，當溫度變化時，產生的附加應變為零或相互抵消。用自補償應變計進行溫度生的附加應變為零或相互抵消。用自補償應變計進行溫度補償的方法叫應變計

27、自補償法。采用比較多的是以下兩種補償的方法叫應變計自補償法。采用比較多的是以下兩種自補償應變計自補償應變計 ： 溫度自補償應變計 適用于某一種試件材料的自補償應變片：要使：R=0 則：求得：特點：制作簡單、成本低缺點：只能在某種材料得試件上才能得到補償效果。：隨溫度變化為非線性時，引起輸出非線性。00gstkt 0gsk 被測試件的線膨脹系數 選擇合適的敏感柵材料滿足該式，則不論溫度如何變化，均有 00tR R第2章 電阻應變式傳感器及其應用u 應變計自補償法應變計自補償法 雙金屬敏感柵自補償片（組合式自補償應變片） 利用兩種電阻絲材料的電阻溫度系數符號不同利用兩種電阻絲材料的電阻溫度系數符號

28、不同(一個為正，一個為正，一個為負一個為負)的特性，將二者串聯繞制成敏感柵的特性，將二者串聯繞制成敏感柵 R1和和R2由于溫度變化由于溫度變化而產生的電阻變化為而產生的電阻變化為R1t和和R2t，大小相，大小相等而符號相反，就可等而符號相反，就可以實現溫度補償。以實現溫度補償。 補償效果較前者好，在工作溫度范圍內通常可達到補償效果較前者好，在工作溫度范圍內通常可達到0.14 0C第2章 電阻應變式傳感器及其應用2.1.4 電阻應變式傳感器測量電路電阻應變式傳感器測量電路U/IR R待測物理量？第2章 電阻應變式傳感器及其應用2.1.4 電阻應變式傳感器測量電路電阻應變式傳感器測量電路一、直流電

29、橋的特性方程及平衡條件一、直流電橋的特性方程及平衡條件14231234() ()ababRRR RUUUURRRR圖為由橋臂R1、 R2 、 R3 、 R4組成的直流電橋。直流電橋的特性方程是指電橋對角端負載電流If與各橋臂參數和電源電壓的關系式。利用等效電源定理, ab兩端的開路電壓為平衡時有R1R4-R2R3=03124RRRR或：或：上式稱為直流電橋平衡條件上式稱為直流電橋平衡條件, 說明欲使電橋達到平衡說明欲使電橋達到平衡, 其相鄰兩其相鄰兩臂的比值應相等。臂的比值應相等。 第2章 電阻應變式傳感器及其應用2.1.4 電阻應變式傳感器測量電路電阻應變式傳感器測量電路二、直流電橋的電壓靈

30、敏度二、直流電橋的電壓靈敏度 電阻應變計工作時, 電阻變化很微小(如1片k=2, 初始電阻120的應變計, 受到1000微應變時, 其電阻變化僅0.24),引起的不平衡電壓極小, 不能用它來直接推動指示儀表, 故需加以放大。 R1 R1R3R4R2bUcda放大器Usc第2章 電阻應變式傳感器及其應用R1 R1R3R4R2bUcda放大器Usc設R1為電橋工作臂, 受應變時, 其電阻變化為R1, R2、 R3 、 R4均為固定橋臂。一般放大器的輸入阻抗較電橋的內阻要高得多, 可認為電橋輸出端處于開路狀態。在起始時在起始時, 電橋處于平衡狀態電橋處于平衡狀態, 此時此時Usc=0。第2章 電阻應

31、變式傳感器及其應用R1 R1R3R4R2bUcda放大器Usc當有R1時, 電橋輸出電壓為4131124113(1)(1)scRRRRUURRRRRR 設n= , 考慮到起始平衡條件 , 并略去分母中的 項, 得21/RR3412RRRR11/RR第2章 電阻應變式傳感器及其應用121(1)scRnUUnR211)1 (nnURRUKscu Ku稱為電橋的電壓靈敏度。 Ku愈大, 說明應變計電阻相對變化相同的情況下, 電橋輸出電壓愈大, 電橋愈靈敏。提高提高Ku途徑：途徑：提高電源電壓（受應變計允許功耗的限制）；選擇適當的橋臂比n。 第2章 電阻應變式傳感器及其應用電橋電壓電橋電壓U一定時一定

32、時, n 應取何值應取何值, 電橋靈敏度最高？電橋靈敏度最高？ 令d Ku /dn=0 即：211)1 (nnURRUKscu0)1 ()1 (42nnnR1= R2, R3 = R4, 電橋的電壓靈敏度最高(電橋的第一種對稱形式第一種對稱形式)nR1 = R3, R2 = R4, 線性較好,(電橋的第二種對稱形式第二種對稱形式)即即n=1 時時, Ku 為最大。為最大。第2章 電阻應變式傳感器及其應用等臂電橋是其中的一個特例等臂電橋是其中的一個特例, 這時有：1111114(1)2scRUURRR114scRUURUKu41電源電壓及電阻相對變化一定時電源電壓及電阻相對變化一定時, 電橋的輸

33、出電壓及其電電橋的輸出電壓及其電壓靈敏度將與各橋臂阻值的大小無關。壓靈敏度將與各橋臂阻值的大小無關。 第2章 電阻應變式傳感器及其應用應變式傳感器常采用的為全等臂電橋，根據橋臂上應變片布應變式傳感器常采用的為全等臂電橋，根據橋臂上應變片布置情況置情況 全等臂直流電橋又分為單臂、雙臂、全橋情況：全等臂直流電橋又分為單臂、雙臂、全橋情況：(1) 單臂電橋單臂電橋R1=R2=R3=R4=R，R=R1，單臂工作時，只有一臂工，單臂工作時，只有一臂工作，即作，即R+R1，可得：，可得： 4SCURUR第2章 電阻應變式傳感器及其應用(2) 雙臂電橋雙臂電橋相鄰臂工作：相鄰臂工作： 相對臂工作：相對臂工作

34、： 2scURUR2scURUR第2章 電阻應變式傳感器及其應用(3) 全臂電橋全臂電橋scRUUR靈敏度比較：靈敏度比較：全橋靈敏度最高，雙臂工作的差動電橋靈敏度次之，單臂電橋靈敏度最低 應變片粘貼特點：應變片粘貼特點：電橋輸出：電橋輸出：第2章 電阻應變式傳感器及其應用三、交流電橋的平衡條件和電壓輸出三、交流電橋的平衡條件和電壓輸出 當采用交流供橋載波放大時，應變電橋也需交流電源供電，當采用交流供橋載波放大時，應變電橋也需交流電源供電，這時需要考慮分布電容的影響，如圖這時需要考慮分布電容的影響，如圖 2.19 (a)示。示。交流電橋的一般形式如圖交流電橋的一般形式如圖2.19 (b)所示所

35、示圖圖 2.19Z1，Z2，Z3，Z4為復阻抗，為復阻抗，電源電壓、輸電源電壓、輸出電壓均應用出電壓均應用復數表示。復數表示。第2章 電阻應變式傳感器及其應用輸出電壓的特性方程為：輸出電壓的特性方程為：14231234()()scZ ZZ ZUUZZZZ 平衡條件平衡條件：03241ZZZZ4321ZZZZ12341111222233334444jjjjZrjXz eZrjXz eZrjXz eZrjXz e 或設電橋臂阻抗為交流平衡條件可以寫為： 31241423zzzz模滿足一定的比模滿足一定的比例關系，且相對例關系，且相對橋臂的幅角和必橋臂的幅角和必須相等須相等第2章 電阻應變式傳感器及

36、其應用考慮到電橋的起始平衡條件并略去分母中含Z1項， 得11111111211141(1)scZUUZRZj RCRZj RC第2章 電阻應變式傳感器及其應用2.2 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 壓阻式傳感器壓阻式傳感器:指利用單晶硅材料的壓阻效應制成的傳感器指利用單晶硅材料的壓阻效應制成的傳感器(單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發生變化，通過測單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發生變化，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出)。應用：應用：壓力、拉力、壓力差和可以轉變為力的變化的其他壓力、拉力、壓力差和可以轉變為力的變化的其他物理量（如液位、加速度、

37、重量、應變、流量、真空度）物理量（如液位、加速度、重量、應變、流量、真空度）的測量和控制。的測量和控制。第2章 電阻應變式傳感器及其應用2.2.1 2.2.1 半導體的壓阻效應半導體的壓阻效應 固體受到作用力后，電阻率就要發生變化，這種效應稱為壓阻效應 （半導體材料的壓阻效應特別強）。 金屬材料 半導體材料 )1 (ERRl)1(RR半導體材料半導體材料的壓阻系數的壓阻系數彈性彈性模量模量第2章 電阻應變式傳感器及其應用對半導體材料而言，l E (1+)，故(1+)項可以忽略llERR半導體材料的電阻變化主要原因：電阻率變化（應變引起）半導體材料的電阻變化主要原因：電阻率變化（應變引起） 半導

38、體單晶的應變靈敏系數可表示 ERRKl/上一頁返 回下一頁第2章 電阻應變式傳感器及其應用上一頁返 回下一頁2.2.2 2.2.2 半導體電阻應變片半導體電阻應變片 1. 結構型式及特點 半導體應變計應用較普遍的有體型、薄膜型、擴半導體應變計應用較普遍的有體型、薄膜型、擴散型、外延型等散型、外延型等 第2章 電阻應變式傳感器及其應用1. 體型應變片結構型式及特點體型應變片結構型式及特點 優點優點：靈敏系數大；橫向效應和機械滯后極小；缺點：缺點：溫度穩定性和線性度差 上一頁返 回下一頁第2章 電阻應變式傳感器及其應用2. 測量電路測量電路 恒壓源 恒流源)/(0tRRRUURIU0電橋輸出電壓與

39、R / R成正比，輸出電壓受環境溫度的影響。電橋輸出電壓與R成正比，環境溫度的變化對其沒有影響。第2章 電阻應變式傳感器及其應用2.3 應變式傳感器應用應變式傳感器應用 電阻應變絲、應變片，可以直接用來測定試件的應變和電阻應變絲、應變片，可以直接用來測定試件的應變和應力，應力，其他物理量（力、壓力、加速度等），需先將這些量轉換成應變（彈性元件）還廣泛用作傳感元研制成還廣泛用作傳感元研制成各種應變式傳感器，用來測定其他物理量，如力、壓力、各種應變式傳感器，用來測定其他物理量，如力、壓力、扭矩、加速度等。扭矩、加速度等。 待測物理量（應變）R/R （） USC第2章 電阻應變式傳感器及其應用2.3

40、.1、應變式測力與稱重傳感器、應變式測力與稱重傳感器被測物理量：被測物理量：荷重或力主要用途：主要用途：作為各種電子稱與材料試驗機的測力元件、 發動機的推力測試、 水壩壩體承載狀況監測等。 力傳感器的彈性元件：力傳感器的彈性元件：柱式、筒式、環式、懸臂式等第2章 電阻應變式傳感器及其應用一、一、柱（筒）式力傳感器柱（筒）式力傳感器柱式傳感器是稱重(或測力)傳感器應用較普遍的一種形式。它分為圓筒形和柱形兩種 ，如圖，如圖圓筒或圓柱在外力F作用下產生的應變為： F其結構是在圓筒或圓柱上按一定方式貼上應變計測量出應變即可得到F的大小！測量應變FLFLEEA第2章 電阻應變式傳感器及其應用一般將應變計

41、對稱地一般將應變計對稱地貼在應力均勻的圓柱貼在應力均勻的圓柱表面的中間部分表面的中間部分如何粘貼應變計？如何粘貼應變計？應變片橋路連接方法及信號輸出應變片橋路連接方法及信號輸出:12341423(1)2scRRRRRRRRRRRRUUR 第2章 電阻應變式傳感器及其應用溫度補償溫度補償提高靈敏度提高靈敏度 橫向粘貼的應變計作用：橫向粘貼的應變計作用：柱式的不足:截面積隨載荷改變所導致的非線性(可以進行補償)。筒式結構可使分散在端面的載荷集中到筒的表面上來,改善了應力線分布;在筒壁上還能開孔,如圖2.25(c)所示,形成許多條應力線,從而與載荷在端面的分布無關,并可減少偏心載荷、非均布載荷的影響

42、,使引起的誤差更小。第2章 電阻應變式傳感器及其應用二、二、 懸臂梁式傳感器懸臂梁式傳感器 懸臂梁式傳感器是一種性能優越的稱重測力傳感器，分為等截面和等強度懸臂梁：在懸臂梁上按一定方式貼上應變計測量出應變即可得到F的大小！F測量應變 等截面懸臂梁:26FlEbh E 等強度懸臂梁:bh26FlEbh E第2章 電阻應變式傳感器及其應用如何粘貼應變計？如何粘貼應變計？應變片橋路連接方法應變片橋路連接方法: 等截面懸臂梁: 等強度懸臂梁:(a)等截面梁; (b)等強度梁 圖2.30 幾種梁式傳感器外形 第2章 電阻應變式傳感器及其應用應變片橋路連接方法及信號輸出應變片橋路連接方法及信號輸出:scR

43、UUUkR這樣， 測出應變， 即可得到載荷F。 ()()scRRUfKUf FRRscRUFR 測量第2章 電阻應變式傳感器及其應用 懸臂梁式傳感器一般可測0.5kg以下的載荷,最小可測幾十克重。懸臂梁式傳感器也可達到很大的量程,如鋼制工字懸臂梁結構傳感器量程為0.230t,精度可達0.02%FS。懸臂梁式傳感器具有結構簡單、應變計容易粘貼,靈敏度高等特點。第2章 電阻應變式傳感器及其應用手提式數字電子稱手提式數字電子稱: 手提數字電子稱測量電路如圖所示手提數字電子稱測量電路如圖所示 （a)小數點顯示電路 (b)手提電子秤電路圖第2章 電阻應變式傳感器及其應用三三.環式傳感器環式傳感器 圓環式

44、傳感器彈性元件的結構,如圖2.28所示。a)為拉力環,(b)為壓力環。環式常用于測幾十千克以上的大載荷,與柱式相比,它的特點是應力分布變化大,且有正有負,便于接成差動電橋。R1R2R3R4R1R2R3R4(a)(b)第2章 電阻應變式傳感器及其應用表2.1 幾種應變式測力與稱重傳感器的性能 第2章 電阻應變式傳感器及其應用2.3.2、應變式壓力傳感器、應變式壓力傳感器 應變式壓力傳感器由電阻應變計、彈性元件、外殼及補償電阻組成。一般用于測量較大的壓力。它廣泛用于測量管道內部壓力,內燃機燃氣的壓力,壓差和噴射壓力,發動機和導彈試驗中的脈動壓力,以及各種領域中的流體壓力等。第2章 電阻應變式傳感器

45、及其應用2.3.2、應變式壓力傳感器、應變式壓力傳感器 一一.筒式壓力傳感器筒式壓力傳感器 筒式壓力傳感器的彈性元件如圖2.29所示,一端肓孔,另一端有法蘭與被測系統連接。當應變管內腔與被測壓力相通時,圓筒部分周向應變為22(2)(1)pDEd式中,p為被測壓力,D為圓筒外徑,d為圓筒內徑。在薄壁筒上貼有兩片應變計作為工作片,實心部分貼有兩片應變計作為溫度補償片。 第2章 電阻應變式傳感器及其應用R1R2R3R4r00.58r0(a)(b)prt二二.膜片式壓力傳感器膜片式壓力傳感器 該類傳感器的彈性敏感元件為一周邊固定的圓形金屬平膜片。當膜片一面受壓力p作用時,膜片的另一面(應變計粘貼面)上的徑向應變r和切向應變t為圖2.33 膜片受力時的應變分布和應變計粘貼第2章 電阻應變式傳感器及其應用222222223(1)(3)83(1)()8rtpRxEhpRxEh 式中,R為平膜片工作部分半徑，h為平膜片厚度，E為膜片的彈性模量，為膜片的泊松系數，x為任意點離圓心的徑向距離。 第2章 電阻應變式傳感器及其應用 在膜片中心即x=0處,r和t均達到正的最大值,即22maxmax23 (1)8rtpREh而在膜片邊緣