应变式传感器ppt.ppt

传感器原理及工程应用 第第3章章 应变式传感器应变式传感器1.1.电阻应变片原理电阻应变片原理2.2.应变片的种类、材料及粘贴应变片的种类、材料及粘贴3.3.金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性 4.4.应变片测量电路应变片测量电路 5.5.应变式传感器的应用应变式传感器的应用 本章重点：掌握金属应变片式传感器构成原理本章重点：掌握金属应变片式传感器构成原理及特性，通过对电阻应变片测量桥路的分析，及特性，通过对电阻应变片测量桥路的分析，掌握测量电路的结构、形式、特点及相关测量掌握测量电路的结构、形式、特点及相关测量计算。计算。.第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器概述：概述：各种电子秤各种电子秤广泛应用于广泛应用于.第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器概述概述 高高 精精 度度 电电 子子 汽汽 车车 衡衡 动态电子秤动态电子秤电子天平电子天平.第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器概述概述 机械秤包装机机械秤包装机吊秤吊秤.第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器概述概述 应变式传感器作为测力的主要传感器，测力应变式传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到 0.010.010.1%0.1%。特点特点:结构简单、精度高、测量范围广、体积小、特结构简单、精度高、测量范围广、体积小、特性好。性好。是目前测量力、力矩、压力、加速度等物理量是目前测量力、力矩、压力、加速度等物理量应用最广泛的传感器之一。应用最广泛的传感器之一。.第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器3.1 3.1 电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理 （1 1 1 1）应变效应）应变效应）应变效应）应变效应导体和半导体材料在受到外界力（拉力或压导体和半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械变形，机械变形导致力）作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为化的现象称为“应变效应应变效应”.下面以金属丝应变片为例，介绍它的应变效下面以金属丝应变片为例，介绍它的应变效应。一根金属丝长度为应。一根金属丝长度为 L，截面积为，截面积为A，电阻，电阻率为率为 其电阻其电阻R为：为：.对对 式进行全微分可得：式进行全微分可得：电阻的相对变化量：电阻的相对变化量：若电阻丝是圆形的则截面积：若电阻丝是圆形的则截面积：对对 微分：微分：3.1 电阻应变片原理电阻应变片原理（1 1）应变效应）应变效应.上式表示：电阻的相对变化量。它是与电阻率的相对变化上式表示：电阻的相对变化量。它是与电阻率的相对变化上式表示：电阻的相对变化量。它是与电阻率的相对变化上式表示：电阻的相对变化量。它是与电阻率的相对变化量、长度的相对变化量、及半径的相对变化量有关的一个量、长度的相对变化量、及半径的相对变化量有关的一个量、长度的相对变化量、及半径的相对变化量有关的一个量、长度的相对变化量、及半径的相对变化量有关的一个量，它是所有参数变化量的量，它是所有参数变化量的量，它是所有参数变化量的量，它是所有参数变化量的代数和代数和代数和代数和。由材料力学知识可得：。由材料力学知识可得：。由材料力学知识可得：。由材料力学知识可得：（金属丝的轴向应变量金属丝的轴向应变量金属丝的轴向应变量金属丝的轴向应变量）（金属丝的径向应变量金属丝的径向应变量金属丝的径向应变量金属丝的径向应变量）在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短。轴向和径向应变的关系可表示为：短。轴向和径向应变的关系可表示为：短。轴向和径向应变的关系可表示为：短。轴向和径向应变的关系可表示为：金属材料的泊松系数：金属材料的泊松系数：金属材料的泊松系数：金属材料的泊松系数.称为金属丝的应变灵敏系数。其物理意义是称为金属丝的应变灵敏系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化单位应变所引起的电阻相对变化，灵敏系数受两，灵敏系数受两个因素的影响，一个是受力后材料几何尺寸的变个因素的影响，一个是受力后材料几何尺寸的变化（化（）；另一个是，受力后材料的电阻率）；另一个是，受力后材料的电阻率发生的变化发生的变化()。对于确定的材料，。对于确定的材料，()项项是常数，其数值在是常数，其数值在 12 之间，实验证明之间，实验证明 也是也是个常数个常数。.3.1 电阻应变片原理电阻应变片原理（1）应变效应）应变效应n ndR/R=K:表示金属电阻丝在产生应变效应表示金属电阻丝在产生应变效应时时,应变应变与电阻变化率是成线性关系与电阻变化率是成线性关系。金属材料：金属材料：金属材料：金属材料：K K以前者为主，则以前者为主，则以前者为主，则以前者为主，则k k1+21+2=1212半半半半 导导导导 体：体：体：体：K K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1=110-6 应变是表征物体受外力作用时产生相对变形大、应变是表征物体受外力作用时产生相对变形大、小的无量纲物理量。设物体原长为小的无量纲物理量。设物体原长为L受力后产生受力后产生L的形变，相应的应变为的形变，相应的应变为。.第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器3.1 3.1 电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理电阻应变片原理 （2 2 2 2）压阻效应和压阻式传感器）压阻效应和压阻式传感器）压阻效应和压阻式传感器）压阻效应和压阻式传感器 v 半导体应变片又称压阻式传感器半导体应变片又称压阻式传感器 优点：灵敏度高、耗电少、有正负两种应力效应。优点：灵敏度高、耗电少、有正负两种应力效应。缺点：受温度影响较大。缺点：受温度影响较大。l 半导体材料的灵敏系数主要由压阻效应引起的电阻半导体材料的灵敏系数主要由压阻效应引起的电阻 率率的变化；灵敏系数远大于金属应变片的灵敏系数的变化；灵敏系数远大于金属应变片的灵敏系数。对半导体对半导体 已知受力引起的电阻变化为：已知受力引起的电阻变化为：.3.1 电阻应变片原理电阻应变片原理（3）应力）应力 用用用用应应应应变变变变片片片片测测测测量量量量应应应应变变变变或或或或应应应应力力力力时时时时,根根根根据据据据上上上上述述述述特特特特点点点点,在在在在外外外外力力力力作作作作用用用用下下下下,被被被被测测测测对对对对象象象象产产产产生生生生微微微微小小小小机机机机械械械械变变变变形形形形,应应应应变变变变片片片片随随随随着着着着发发发发生生生生相相相相同同同同的的的的变变变变化化化化,当当当当测测测测得得得得应应应应变变变变片片片片电电电电阻阻阻阻值值值值变变变变化化化化量量量量RR时时时时,便便便便可可可可得得得得到到到到被被被被测测测测对对对对象的应变值。根据应力与应变的关系象的应变值。根据应力与应变的关系象的应变值。根据应力与应变的关系象的应变值。根据应力与应变的关系,得到应力值得到应力值得到应力值得到应力值 为为为为 =E =E 式中式中式中式中 :试件的应力试件的应力试件的应力试件的应力;试件的应变试件的应变试件的应变试件的应变;E E试件材料的弹性模量。试件材料的弹性模量。试件材料的弹性模量。试件材料的弹性模量。横截面积为横截面积为A的物体（金属丝）受到外力的物体（金属丝）受到外力F的作用，的作用，并处于平衡状态时，物体在单位面积上引起的内力称为并处于平衡状态时，物体在单位面积上引起的内力称为应力应力。则。则=F/A。.3.1 电阻应变片原理电阻应变片原理 由此可知由此可知由此可知由此可知,应力值应力值应力值应力值 正比于应变正比于应变正比于应变正比于应变,而试件应变而试件应变而试件应变而试件应变 正比于电正比于电正比于电正比于电阻值的变化阻值的变化阻值的变化阻值的变化,所以应力所以应力所以应力所以应力 正比于电阻值的变化正比于电阻值的变化正比于电阻值的变化正比于电阻值的变化,这就是利这就是利这就是利这就是利用应变片测量应变的基本原理用应变片测量应变的基本原理用应变片测量应变的基本原理用应变片测量应变的基本原理。弹性敏感弹性敏感弹性敏感弹性敏感元件元件元件元件 应变应变应变应变 位移、力、力矩、加速度、压力位移、力、力矩、加速度、压力位移、力、力矩、加速度、压力位移、力、力矩、加速度、压力.金属应变片结构金属应变片结构：敏感栅敏感栅高阻金属丝、金属箔高阻金属丝、金属箔 基片基片绝缘材料绝缘材料 盖片盖片保护层保护层第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.2 3.2 应变片的种类、材料及粘贴应变片的种类、材料及粘贴.n n主要有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。主要有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。金属电阻应变片：丝式、箔式两种。金属电阻应变片：丝式、箔式两种。n n 丝式应变片如图所示，它是将金属丝按图示丝式应变片如图所示，它是将金属丝按图示形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成,电阻丝两电阻丝两端有引出线，使用时只要将应变片贴于弹性体上端有引出线，使用时只要将应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器。就可构成应变式传感器。第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.2 应变片的种类、材料及粘贴应变片的种类、材料及粘贴a a）丝式）丝式）丝式）丝式c c）半导体）半导体）半导体）半导体b b）箔式）箔式）箔式）箔式.第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.2 应变片的种类、材料及粘贴应变片的种类、材料及粘贴 对敏感栅的材料的要求：对敏感栅的材料的要求：应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；数；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片电阻温度系数要小；电阻温度系数要小；易于焊接，对引线材料的热电势小；易于焊接，对引线材料的热电势小；加工性能良好加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；易于拉制成丝或轧压成箔材；.第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.2 应变片的种类、材料及粘贴应变片的种类、材料及粘贴n n粘贴剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片粘贴剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。递给应变计的基底和敏感栅。n n常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。硼酸盐等。.（1 1 1 1）应变片的灵敏系数）应变片的灵敏系数）应变片的灵敏系数）应变片的灵敏系数 金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝不同；实验证明，应变片灵敏系数不同；实验证明，应变片灵敏系数不同；实验证明，应变片灵敏系数不同；实验证明，应变片灵敏系数K KK KK KK K0 0 0 0电阻丝灵敏电阻丝灵敏电阻丝灵敏电阻丝灵敏系数，产品的灵敏系数称系数，产品的灵敏系数称系数，产品的灵敏系数称系数，产品的灵敏系数称“标称灵敏系数标称灵敏系数标称灵敏系数标称灵敏系数”。第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.3电阻应变片的特性电阻应变片的特性（2 2）横向效应）横向效应）横向效应）横向效应.直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，园弧部分使灵敏系数但应变不同，园弧部分使灵敏系数但应变不同，园弧部分使灵敏系数但应变不同，园弧部分使灵敏系数KKKK下降，这下降，这下降，这下降，这种现象称为种现象称为种现象称为种现象称为横向效应横向效应横向效应横向效应。.(3).(3).应变计电阻值应变计电阻值应变计电阻值应变计电阻值R R 应变计在未安装也不受外力的情况下应变计在未安装也不受外力的情况下应变计在未安装也不受外力的情况下应变计在未安装也不受外力的情况下,于室温时于室温时于室温时于室温时测得的电阻值。这是使用应变计时应知道的一个参测得的电阻值。这是使用应变计时应知道的一个参测得的电阻值。这是使用应变计时应知道的一个参测得的电阻值。这是使用应变计时应知道的一个参数。国内应变计系列习惯上选用数。国内应变计系列习惯上选用数。国内应变计系列习惯上选用数。国内应变计系列习惯上选用6060、120120、175175、350350、500500、10001000、15001500。第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.3电阻应变片的特性电阻应变片的特性可以加大应变片承受电压可以加大应变片承受电压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敏感栅尺寸也增大敏感栅尺寸也增大电阻值大电阻值大电阻值大电阻值大.第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.3电阻应变片的特性电阻应变片的特性.第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.3电阻应变片的特性电阻应变片的特性n n由温度变化而引起应变片电阻的变化为：由温度变化而引起应变片电阻的变化为：由温度变化而引起应变片电阻的变化为：由温度变化而引起应变片电阻的变化为：（3 3 3 3）应变片的温度误差及补偿）应变片的温度误差及补偿）应变片的温度误差及补偿）应变片的温度误差及补偿 n n折合成附加应变为：折合成附加应变为：折合成附加应变为：折合成附加应变为：.第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.3电阻应变片的特性电阻应变片的特性n n应变片安装在自由膨胀的试件上，如果环境温应变片安装在自由膨胀的试件上，如果环境温 度变化，应变片的电阻也会变化，这种变化叠度变化，应变片的电阻也会变化，这种变化叠加在测量结果中称加在测量结果中称应变片温度误差。应变片温度误差。应变片温应变片温度误差来源有下面几个因素：度误差来源有下面几个因素：n n 0 应变片本身电阻温度系数影响；应变片本身电阻温度系数影响；n n g S试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同所产生的影响不同所产生的影响 n n 因环境温度的变化因环境温度的变化t n n 应变片本身的性能参数应变片本身的性能参数K0（3 3 3 3）应变片的温度误差及补偿）应变片的温度误差及补偿）应变片的温度误差及补偿）应变片的温度误差及补偿 .（3 3 3 3）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿 温温度度补补偿偿方方法法有有：电电桥桥线线路路补补偿偿、自自补补偿偿、辅辅助测量补偿、热敏电阻补偿、计算机补偿等。助测量补偿、热敏电阻补偿、计算机补偿等。线路补偿：线路补偿：第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.3电阻应变片的特性电阻应变片的特性.n n若要实现完全补偿，必须满足以下条件：若要实现完全补偿，必须满足以下条件：1）在应变片工作过程中，保证）在应变片工作过程中，保证R3=R22）R1和和RB具有相同的温度系数、线膨胀系和具有相同的温度系数、线膨胀系和初始电阻值初始电阻值3）粘贴补偿片的补偿块和被测试）粘贴补偿片的补偿块和被测试件材料必须一样，线膨胀系数相同件材料必须一样，线膨胀系数相同4）两应变片处于同一温度场）两应变片处于同一温度场第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.3电阻应变片的特性电阻应变片的特性（3 3 3 3）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿 .n n优点：优点：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n n缺点：缺点：缺点：缺点：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。偿效果。偿效果。.（3 3 3 3）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿 自补偿方法自补偿方法自补偿方法自补偿方法 第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.3电阻应变片的特性电阻应变片的特性这这种种温温度度补补偿偿法法是是利利用用自自身身具具有有温温度度补补偿偿作作用用的的应变片应变片,称之为温度自补偿应变片。称之为温度自补偿应变片。温度自补偿应变片的工作原理可由温度自补偿应变片的工作原理可由t折合成附加折合成附加应变公式得出应变公式得出,要实现温度自补偿要实现温度自补偿,必须满足：必须满足：0=-K0（g-s）.应变片主要性能指标举例应变片主要性能指标举例应变片主要性能指标举例应变片主要性能指标举例.辅助测温元件微型计算机补偿法辅助测温元件微型计算机补偿法辅助测温元件微型计算机补偿法辅助测温元件微型计算机补偿法第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.3电阻应变片的特性电阻应变片的特性（3 3 3 3）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿）应变片温度误差及补偿 基本思想是在传感器内靠近敏感测量元件处安装一个测温基本思想是在传感器内靠近敏感测量元件处安装一个测温基本思想是在传感器内靠近敏感测量元件处安装一个测温基本思想是在传感器内靠近敏感测量元件处安装一个测温元件元件元件元件,用以检测传感器所在环境的温度。常用的测温元件用以检测传感器所在环境的温度。常用的测温元件用以检测传感器所在环境的温度。常用的测温元件用以检测传感器所在环境的温度。常用的测温元件有半导体热敏电阻以及有半导体热敏电阻以及有半导体热敏电阻以及有半导体热敏电阻以及PNPN结二极管等等。测温元件的输结二极管等等。测温元件的输结二极管等等。测温元件的输结二极管等等。测温元件的输出经放大及出经放大及出经放大及出经放大及A/DA/D转换送到计算机转换送到计算机转换送到计算机转换送到计算机,.第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路.如某传感器弹性元件在额定载荷下产生应变如某传感器弹性元件在额定载荷下产生应变1000，应变片的电阻值为，应变片的电阻值为120，灵敏度，灵敏度系数系数K=2，则电阻的相对变化量为，则电阻的相对变化量为：电阻变化率只有电阻变化率只有0.2%。这样小的电阻变化，用一这样小的电阻变化，用一般测量电阻的仪表很难直接测出来，必须把电阻的般测量电阻的仪表很难直接测出来，必须把电阻的变化转换为电压或电流的变化。完成这个作用的电变化转换为电压或电流的变化。完成这个作用的电路称为路称为测量电路测量电路，最常用的电路为电桥电路，最常用的电路为电桥电路.1.1.1.1.直流电桥直流电桥直流电桥直流电桥 直流电桥的平衡条件直流电桥的平衡条件 负载负载R RL L（开路）（开路）电桥平衡时电桥平衡时U U0 0=0=0 相对臂阻值乘积相等相对臂阻值乘积相等 相邻臂阻值比相等相邻臂阻值比相等 第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路.电压灵敏度：电压灵敏度：电压灵敏度：电压灵敏度：电阻应变片接入电桥电路通常有以下几种接法：电阻应变片接入电桥电路通常有以下几种接法：电阻应变片接入电桥电路通常有以下几种接法：电阻应变片接入电桥电路通常有以下几种接法：如果电桥一个臂接入应变片，其它三个臂采用固定电如果电桥一个臂接入应变片，其它三个臂采用固定电如果电桥一个臂接入应变片，其它三个臂采用固定电如果电桥一个臂接入应变片，其它三个臂采用固定电阻，称为单臂工作电桥；阻，称为单臂工作电桥；阻，称为单臂工作电桥；阻，称为单臂工作电桥；如果电桥两个臂接入应变片称为双臂工作电桥如果电桥两个臂接入应变片称为双臂工作电桥如果电桥两个臂接入应变片称为双臂工作电桥如果电桥两个臂接入应变片称为双臂工作电桥,又称为又称为又称为又称为半桥形式；半桥形式；半桥形式；半桥形式；如果四个臂都接入应变片称为全桥形式。如果四个臂都接入应变片称为全桥形式。如果四个臂都接入应变片称为全桥形式。如果四个臂都接入应变片称为全桥形式。以第一桥臂以第一桥臂以第一桥臂以第一桥臂R1R1由应变片来代替，由应变片来代替，由应变片来代替，由应变片来代替，组成的单臂工作电桥为例进行分析。组成的单臂工作电桥为例进行分析。组成的单臂工作电桥为例进行分析。组成的单臂工作电桥为例进行分析。初始平衡初始平衡初始平衡初始平衡 ：平衡条件：平衡条件：平衡条件：平衡条件：第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路.不考虑环境温度的影响则有不考虑环境温度的影响则有:当工作应变片当工作应变片R 1 产生一个产生一个R1 则则：第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路电压灵敏度：电压灵敏度：.因为因为 忽略分母中的忽略分母中的 ，设桥臂比，设桥臂比并考虑到起始平衡条件，从上面并考虑到起始平衡条件，从上面 U0 公式可得下式公式可得下式 电桥电压灵敏度定义为电桥电压灵敏度定义为：电桥的灵敏度电桥的灵敏度电桥的灵敏度电桥的灵敏度K Ku u 正比于供桥电压正比于供桥电压正比于供桥电压正比于供桥电压E E。电桥的灵敏度电桥的灵敏度电桥的灵敏度电桥的灵敏度K Ku u 是桥臂比的函数。是桥臂比的函数。是桥臂比的函数。是桥臂比的函数。.第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路电压灵敏度：电压灵敏度：当供桥电压当供桥电压当供桥电压当供桥电压E E E E 确定后，由确定后，由确定后，由确定后，由 求求求求得得得得n=1n=1n=1n=1时时时时，KuKuKuKu为为为为最最最最大大大大。即即即即：在在在在当当当当供供供供桥桥桥桥电电电电压压压压E E E E确确确确定定定定后后后后，当当当当R R R R1 1 1 1=R=R=R=R2 2 2 2、R R R R3 3 3 3=R=R=R=R4 4 4 4 时，电桥的灵敏度最高。时，电桥的灵敏度最高。时，电桥的灵敏度最高。时，电桥的灵敏度最高。.将将将将n=1 n=1 代入代入代入代入 公式得：公式得：公式得：公式得：由上面分析可知：当电源电压和电阻相对变化由上面分析可知：当电源电压和电阻相对变化由上面分析可知：当电源电压和电阻相对变化由上面分析可知：当电源电压和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及灵敏度也是定值，且与一定时，电桥的输出电压及灵敏度也是定值，且与一定时，电桥的输出电压及灵敏度也是定值，且与一定时，电桥的输出电压及灵敏度也是定值，且与各各各各桥臂阻值大小无关桥臂阻值大小无关桥臂阻值大小无关桥臂阻值大小无关。差动形式的半桥和全桥线路的电压灵敏度：差动形式的半桥和全桥线路的电压灵敏度：差动形式的半桥和全桥线路的电压灵敏度：差动形式的半桥和全桥线路的电压灵敏度：差动半桥电路差动半桥电路差动半桥电路差动半桥电路使一个应变片受拉、一个应变片受使一个应变片受拉、一个应变片受使一个应变片受拉、一个应变片受使一个应变片受拉、一个应变片受压，则应变符号相反；将这两个应变片接入电桥的相邻臂压，则应变符号相反；将这两个应变片接入电桥的相邻臂压，则应变符号相反；将这两个应变片接入电桥的相邻臂压，则应变符号相反；将这两个应变片接入电桥的相邻臂上，作为电桥的工作臂，另两个桥臂为固定电阻。以等臂上，作为电桥的工作臂，另两个桥臂为固定电阻。以等臂上，作为电桥的工作臂，另两个桥臂为固定电阻。以等臂上，作为电桥的工作臂，另两个桥臂为固定电阻。以等臂桥为例，且初始状态和单臂桥相同。桥为例，且初始状态和单臂桥相同。桥为例，且初始状态和单臂桥相同。桥为例，且初始状态和单臂桥相同。.差动半桥输出电压差动半桥输出电压差动半桥输出电压差动半桥输出电压U U0 0 为：为：为：为：如果：如果：如果：如果：则：则：则：则：由上式可知，由上式可知，由上式可知，由上式可知，U U0 0 与与与与 成线性关系，差动电桥无非成线性关系，差动电桥无非成线性关系，差动电桥无非成线性关系，差动电桥无非线性误差。而且电压灵敏度比使用一只应变片提高线性误差。而且电压灵敏度比使用一只应变片提高线性误差。而且电压灵敏度比使用一只应变片提高线性误差。而且电压灵敏度比使用一只应变片提高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用。了一倍，同时可以起到温度补偿的作用。了一倍，同时可以起到温度补偿的作用。了一倍，同时可以起到温度补偿的作用。第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路电压灵敏度：电压灵敏度：电压灵敏度：电压灵敏度：.若将电桥四臂接入四片应变片如若将电桥四臂接入四片应变片如若将电桥四臂接入四片应变片如若将电桥四臂接入四片应变片如图所示，两个受拉，两个受压，将图所示，两个受拉，两个受压，将图所示，两个受拉，两个受压，将图所示，两个受拉，两个受压，将两个应变符号相同的接入相对臂上，两个应变符号相同的接入相对臂上，两个应变符号相同的接入相对臂上，两个应变符号相同的接入相对臂上，则构成全桥差动电路。则构成全桥差动电路。则构成全桥差动电路。则构成全桥差动电路。若：若：若：若：则：则：则：则：电压灵敏度比单臂提高了四倍，比半桥差动电路提电压灵敏度比单臂提高了四倍，比半桥差动电路提电压灵敏度比单臂提高了四倍，比半桥差动电路提电压灵敏度比单臂提高了四倍，比半桥差动电路提高了一倍。高了一倍。高了一倍。高了一倍。第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路电压灵敏度电压灵敏度电压灵敏度电压灵敏度：.非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法 设桥路输出电压为设桥路输出电压为设桥路输出电压为设桥路输出电压为 U U,0 0 ，忽略分母中，忽略分母中，忽略分母中，忽略分母中 项的输出项的输出项的输出项的输出电压为电压为电压为电压为 ，则：，则：，则：，则：则非线性误差为则非线性误差为则非线性误差为则非线性误差为（R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4）第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路.对于一般应变片来说，所受的应变经常在对于一般应变片来说，所受的应变经常在对于一般应变片来说，所受的应变经常在对于一般应变片来说，所受的应变经常在 以下。以下。以下。以下。若取灵敏度系数若取灵敏度系数若取灵敏度系数若取灵敏度系数K=2K=2，则，则，则，则:代入代入代入代入r rL L式中：式中：式中：式中：r rL L=0.01/(1+0.01+1)=0.01/2.010.005=0.01/(1+0.01+1)=0.01/2.010.005即即即即r rL L=0.5%=0.5%如半导体应变片如半导体应变片如半导体应变片如半导体应变片 当承受当承受当承受当承受 时，代入到时，代入到时，代入到时，代入到r rL L公式，则公式，则公式，则公式，则r r L L=6%(=6%(误差过大误差过大误差过大误差过大).).所以对半导体应变片的测量电路要作特殊处理，才能所以对半导体应变片的测量电路要作特殊处理，才能所以对半导体应变片的测量电路要作特殊处理，才能所以对半导体应变片的测量电路要作特殊处理，才能减小非线性误差。减小非线性误差。减小非线性误差。减小非线性误差。.非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法为了减小或消除非线性误差可采用下列措施为了减小或消除非线性误差可采用下列措施1)提高桥臂比：提高桥臂比：n=R2/R1 n增大增大 rL 误差减小，误差减小，但是桥路电压灵敏度下降；为了保证桥路电压但是桥路电压灵敏度下降；为了保证桥路电压灵敏度不下降。可以适当提高供桥电源电压。灵敏度不下降。可以适当提高供桥电源电压。2)采用差动测量采用差动测量.时，单臂电桥的输出电压与应变成线性关系。时，单臂电桥的输出电压与应变成线性关系。时，单臂电桥的输出电压与应变成线性关系。时，单臂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，即同为拉应变或压应变时，若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，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；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输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。出电压为两者之和。出电压为两者之和。出电压为两者之和。若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反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。则为两者之差。则为两者之差。则为两者之差。说明：说明：说明：说明：电桥供电电压电桥供电电压电桥供电电压电桥供电电压E E越高，输出电压越高，输出电压越高，输出电压越高，输出电压U U U U0 0 0 0越大。但是，当越大。但是，当越大。但是，当越大。但是，当E E大时，电大时，电大时，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，传感器就会出现蠕变和零漂。最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。.第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 根根根根据据据据直直直直流流流流电电电电桥桥桥桥分分分分析析析析可可可可知知知知,由由由由于于于于应应应应变变变变电电电电桥桥桥桥输输输输出出出出电电电电压压压压很很很很小小小小,一一一一般般般般都都都都要要要要加加加加放放放放大大大大器器器器,而而而而直直直直流流流流放放放放大大大大器器器器易易易易于于于于产产产产生生生生零零零零漂漂漂漂,因因因因此应变电桥多采用此应变电桥多采用此应变电桥多采用此应变电桥多采用交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥。2.2.2.2.交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥 图图图图 为交流电桥为交流电桥为交流电桥为交流电桥,为交流电压源为交流电压源为交流电压源为交流电压源,开开开开路输出电压为路输出电压为路输出电压为路输出电压为 由于供桥电源为交流由于供桥电源为交流由于供桥电源为交流由于供桥电源为交流电源电源电源电源,引线分布电容使得二桥臂应变片引线分布电容使得二桥臂应变片引线分布电容使得二桥臂应变片引线分布电容使得二桥臂应变片呈现呈现呈现呈现复阻抗特性复阻抗特性复阻抗特性复阻抗特性,即相当于二只应变片即相当于二只应变片即相当于二只应变片即相当于二只应变片各并联了一个电容各并联了一个电容各并联了一个电容各并联了一个电容,则每一桥臂上复阻则每一桥臂上复阻则每一桥臂上复阻则每一桥臂上复阻抗分别为：抗分别为：抗分别为：抗分别为：.第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路2.2.2.2.交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥 交流电桥输出特征方程：交流电桥输出特征方程：交流电桥输出特征方程：交流电桥输出特征方程：.第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路2.2.2.2.交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥 交流电桥的不平衡状态交流电桥的不平衡状态交流电桥的不平衡状态交流电桥的不平衡状态 单臂交流电桥单臂交流电桥单臂交流电桥单臂交流电桥 半桥差动电路半桥差动电路半桥差动电路半桥差动电路 全桥差动电路全桥差动电路全桥差动电路全桥差动电路 .第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路交流电桥平衡调节交流电桥平衡调节交流电桥平衡调节交流电桥平衡调节电阻调平桥路：电阻调平桥路：a）串联法）串联法b）并联法）并联法电容调平桥中；电容调平桥中；c）差动法）差动法d）阻容法）阻容法.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、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。电阻应变片的应用弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用弯矩、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：可分为两大类：可分为两大类：可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到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变式测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式测量转换电路，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性体，传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，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，测量转换电路一般为桥路；传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；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，然后将其接到应第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应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。变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.5 应变式传感器的应用应变式传感器的应用.第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器3.5 3.5 应变式传感器的应用应变式传感器的应用.斜拉桥上的斜拉绳应变测试斜拉桥上的斜拉绳应变测试 材料应变的测量材料应变的测量.第第3章章 应变式传感器应变式传感器3.5 应变式传感器的应用应变式传感器的应用 2）如果要测量其它物理量，如力、位移、加速如果要测量其它物理量，如力、位移、加速度等参数。就需要先将这些物理量转换成应变度等参数。就需要先将这些物理量转换成应变量，然后再用应变片的工作原理进行测量。比量，然后再用应变片的工作原理进行测量。比直接测量时多了一个转换过程，完成这种转换直接测量时多了一个转换过程，完成这种转换的元件通常称为弹性的元件通常称为弹性 元件。弹性元件将被元件。弹性元件将被 测物理量转