傳感檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用 第4章

1、2021年6月24日 2021年6月24日2 因?yàn)樵谙嚓P(guān)課程中，如因?yàn)樵谙嚓P(guān)課程中，如工程測(cè)工程測(cè) 試技術(shù)試技術(shù)，學(xué)習(xí)過(guò)各種傳感器的基本，學(xué)習(xí)過(guò)各種傳感器的基本 原理，所以，在本課程中對(duì)各種典原理，所以，在本課程中對(duì)各種典 型傳感器只作簡(jiǎn)要介紹，重點(diǎn)在于型傳感器只作簡(jiǎn)要介紹，重點(diǎn)在于 學(xué)習(xí)他們的信號(hào)處理電路和應(yīng)用。學(xué)習(xí)他們的信號(hào)處理電路和應(yīng)用。 各種典型傳感器的學(xué)習(xí)內(nèi)容各種典型傳感器的學(xué)習(xí)內(nèi)容 2021年6月24日3 一、電阻式傳感器及分類(lèi)一、電阻式傳感器及分類(lèi) 1.1.電阻式傳感器電阻式傳感器 電阻式電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種 傳感器。傳感

2、器。 2.2.電阻式傳感器分類(lèi)電阻式傳感器分類(lèi) 電阻式傳感器主要有電阻式傳感器主要有變阻器式變阻器式、電阻應(yīng)變式電阻應(yīng)變式和和固固 態(tài)壓阻式態(tài)壓阻式傳感器。傳感器。 二、變阻器式電阻式傳感器二、變阻器式電阻式傳感器 2021年6月24日4 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定； 受環(huán)境因素受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場(chǎng)干擾等如溫度、濕度、電磁場(chǎng)干擾等)影響?。挥绊懶。?可以實(shí)現(xiàn)輸出可以實(shí)現(xiàn)輸出輸入間任意函數(shù)關(guān)系；輸入間任意函數(shù)關(guān)系； 輸出信號(hào)大，一般不需放大。輸出信號(hào)大，一般不需放大。 2021年6月24日5 缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 因

3、為存在電刷與線(xiàn)圈或電阻膜之間摩擦，因此因?yàn)榇嬖陔娝⑴c線(xiàn)圈或電阻膜之間摩擦，因此 需要較大的輸入能量；需要較大的輸入能量； 由于磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而由于磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而 且會(huì)降低測(cè)量精度，所以分辨力較低；且會(huì)降低測(cè)量精度，所以分辨力較低； 動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，適合于測(cè)量變化較緩慢的量。動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，適合于測(cè)量變化較緩慢的量。 三、應(yīng)變，應(yīng)力，泊松比及應(yīng)變片三、應(yīng)變，應(yīng)力，泊松比及應(yīng)變片 各種結(jié)構(gòu)（如機(jī)械結(jié)構(gòu)、土木結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)各種結(jié)構(gòu)（如機(jī)械結(jié)構(gòu)、土木結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié) 構(gòu)等）在外力作用下會(huì)產(chǎn)生變形，從而在其內(nèi)部構(gòu)等）在外力作用下會(huì)產(chǎn)生變形，從而在其內(nèi)部 產(chǎn)生應(yīng)力。應(yīng)力

4、是確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全的重要因產(chǎn)生應(yīng)力。應(yīng)力是確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全的重要因 素。素。 2021年6月24日6 目前，還沒(méi)有直接測(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)力、強(qiáng)度和安全目前，還沒(méi)有直接測(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)力、強(qiáng)度和安全 性的傳感器。但是可以根據(jù)應(yīng)變計(jì)算出其應(yīng)力，進(jìn)性的傳感器。但是可以根據(jù)應(yīng)變計(jì)算出其應(yīng)力，進(jìn) 而可以判斷其強(qiáng)度和安全性。而可以判斷其強(qiáng)度和安全性。 金屬材料在外力作用下，其伸長(zhǎng)（壓縮）量與金屬材料在外力作用下，其伸長(zhǎng)（壓縮）量與 其原長(zhǎng)之比率稱(chēng)為拉（壓）應(yīng)變。其原長(zhǎng)之比率稱(chēng)為拉（壓）應(yīng)變。 應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系是：應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系是：=E。其中。其中是應(yīng)是應(yīng) 變，變，E是楊氏模量，是楊氏模量，是應(yīng)力。是應(yīng)力。

5、 橫行應(yīng)變和縱向應(yīng)變比率的絕對(duì)值稱(chēng)為泊松比。橫行應(yīng)變和縱向應(yīng)變比率的絕對(duì)值稱(chēng)為泊松比。 ，其中，其中2 是橫向應(yīng)變，是橫向應(yīng)變，1是縱向應(yīng)變。是縱向應(yīng)變。 剪切模量與楊氏模量和泊松比關(guān)系是：剪切模量與楊氏模量和泊松比關(guān)系是： 2 1 = E G= 2(1+ ) 2021年6月24日7 電阻應(yīng)變片可用于各種應(yīng)變的測(cè)量，靜態(tài)測(cè)電阻應(yīng)變片可用于各種應(yīng)變的測(cè)量，靜態(tài)測(cè) 量、動(dòng)態(tài)測(cè)量（頻率高于量、動(dòng)態(tài)測(cè)量（頻率高于100kHz）、沖擊應(yīng)變）、沖擊應(yīng)變 。 2021年6月24日8 四、金屬電阻應(yīng)變式電阻傳感器四、金屬電阻應(yīng)變式電阻傳感器 金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于

6、金屬導(dǎo)體 的的電阻電阻-應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā) 生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形( 伸長(zhǎng)或縮短伸長(zhǎng)或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。 電阻應(yīng)變片可用于實(shí)驗(yàn)、研究、工業(yè)測(cè)量和電阻應(yīng)變片可用于實(shí)驗(yàn)、研究、工業(yè)測(cè)量和 控制等?？蓱?yīng)用在很多領(lǐng)域：如機(jī)械工程、電氣控制等?？蓱?yīng)用在很多領(lǐng)域：如機(jī)械工程、電氣 工程、土木工程、建筑工程、化學(xué)工程、制約工工程、土木工程、建筑工程、化學(xué)工程、制約工 程等。此外，應(yīng)變片作為敏感元件用于測(cè)量載荷程等。此外，應(yīng)變片作為敏感元件用于測(cè)量載荷 、壓力、加速度

7、、位移、力矩等。、壓力、加速度、位移、力矩等。 2021年6月24日9 1.1.分類(lèi)及結(jié)構(gòu)分類(lèi)及結(jié)構(gòu) 金屬金屬電阻應(yīng)變片分為金屬絲式、箔式和膜式等。電阻應(yīng)變片分為金屬絲式、箔式和膜式等。 （1 1）電阻絲應(yīng)變片電阻絲應(yīng)變片 金屬絲式應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)：將一根高電阻率金屬絲式應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)：將一根高電阻率 金屬絲（康銅、鎳鉻、卡瑪合金等，直徑金屬絲（康銅、鎳鉻、卡瑪合金等，直徑 0.0250.025mmmm 左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間， 由引出導(dǎo)線(xiàn)接于電路中。由引出導(dǎo)線(xiàn)接于電路中。 2021年6月24日10 （2 2）箔式應(yīng)變片）箔

8、式應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片由厚度為箔式應(yīng)變片由厚度為 110 m 的康銅箔或鎳鉻的康銅箔或鎳鉻 箔經(jīng)光刻，腐蝕工藝制成的柵狀箔片。箔經(jīng)光刻，腐蝕工藝制成的柵狀箔片。 箔式應(yīng)變片適于大批量生產(chǎn)，可制成多種復(fù)雜箔式應(yīng)變片適于大批量生產(chǎn)，可制成多種復(fù)雜 形狀；線(xiàn)條均勻，敏感柵尺寸準(zhǔn)確，柵長(zhǎng)最小可到形狀；線(xiàn)條均勻，敏感柵尺寸準(zhǔn)確，柵長(zhǎng)最小可到 0.2mm ；散熱好，允許電流大；橫向效應(yīng)、蠕變和；散熱好，允許電流大；橫向效應(yīng)、蠕變和 機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)；柔性好（可貼于形狀復(fù)機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)；柔性好（可貼于形狀復(fù) 雜的表面），傳遞試件應(yīng)變性能好。雜的表面），傳遞試件應(yīng)變性能好。 目前目前使用的應(yīng)變片大

9、多是金屬箔式應(yīng)變片。使用的應(yīng)變片大多是金屬箔式應(yīng)變片。 2021年6月24日11 2021年6月24日12 （1）單軸式 （2）0/90雙軸式（3）0/90/45三軸式（4）0/90雙軸式 （5）0/90雙軸測(cè)扭矩 （6）0/120/240三軸式（7）0/30/90/150四軸式 （8）單軸多單元（9）單軸多單元 2021年6月24日13 （3 3）膜式應(yīng)變片膜式應(yīng)變片 膜式應(yīng)變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，膜式應(yīng)變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法， 在薄的絕緣基片上形成厚度在在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1mm0.1mm以下的金屬電以下的金屬電 阻材料薄膜的敏感柵。它的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變靈敏系數(shù)大，

10、阻材料薄膜的敏感柵。它的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變靈敏系數(shù)大， 允許電流密度大，工作范圍廣，可達(dá)允許電流密度大，工作范圍廣，可達(dá)197197317317。 2.2.工作原理（電阻應(yīng)變效應(yīng)）工作原理（電阻應(yīng)變效應(yīng)） 電阻應(yīng)變效應(yīng)是指金屬電阻絲的電阻隨著它電阻應(yīng)變效應(yīng)是指金屬電阻絲的電阻隨著它 所承受機(jī)械變形（伸長(zhǎng)或縮短）的大小而發(fā)生改變所承受機(jī)械變形（伸長(zhǎng)或縮短）的大小而發(fā)生改變 的一種物理現(xiàn)象。的一種物理現(xiàn)象。 2021年6月24日14 設(shè)有一根圓截面金設(shè)有一根圓截面金 屬電阻絲，其電阻為屬電阻絲，其電阻為 A l R 金屬電阻絲受拉變形金屬電阻絲受拉變形 (m). /4A),(m A ; ;m 22 金屬絲

11、直徑金屬絲直徑 ；截面積截面積 ）長(zhǎng)度（長(zhǎng)度（ ）電阻率（電阻率（式中式中 D D ml 當(dāng)受到軸向力當(dāng)受到軸向力F F被拉伸時(shí)，其電阻變化為被拉伸時(shí)，其電阻變化為 A dA l dld R dR 2021年6月24日15 l dl D dD D dD A dA 由材料力學(xué)知由材料力學(xué)知式中式中, 2 ldl向應(yīng)變向應(yīng)變?yōu)椴牧系牟此上禂?shù)，軸為材料的泊松系數(shù)，軸 d R dR dd R dR )21( )21(2 或或 則則 0 0 21 k R dR k 變化，則有變化，則有 略電阻絲電阻率的略電阻絲電阻率的金屬絲的靈敏系數(shù)，忽金屬絲的靈敏系數(shù)，忽 上式即為電阻應(yīng)變效應(yīng)表達(dá)式。上式即為電阻應(yīng)變

12、效應(yīng)表達(dá)式。 2021年6月24日16 對(duì)于電阻應(yīng)變片，其電阻變化率與應(yīng)變的關(guān)系為對(duì)于電阻應(yīng)變片，其電阻變化率與應(yīng)變的關(guān)系為 k R dR 3.3.電阻應(yīng)變片的主要特性電阻應(yīng)變片的主要特性 （1 1）應(yīng)變計(jì)的電阻值應(yīng)變計(jì)的電阻值R R 應(yīng)變計(jì)在沒(méi)有粘貼及未參與變形有前，在室溫應(yīng)變計(jì)在沒(méi)有粘貼及未參與變形有前，在室溫 下測(cè)定的電阻值。下測(cè)定的電阻值。 （2 2）靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)k k R dR k 應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)由其材料及結(jié)構(gòu)決定，由應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)由其材料及結(jié)構(gòu)決定，由 實(shí)驗(yàn)獲得。實(shí)驗(yàn)獲得。 2021年6月24日17 （3 3）機(jī)械滯后機(jī)械滯后 試件上加載、卸載過(guò)程中，對(duì)同一機(jī)械應(yīng)變

13、，試件上加載、卸載過(guò)程中，對(duì)同一機(jī)械應(yīng)變， 應(yīng)變片指示應(yīng)變值發(fā)生變化，其差值稱(chēng)之機(jī)械滯后。應(yīng)變片指示應(yīng)變值發(fā)生變化，其差值稱(chēng)之機(jī)械滯后。 其滯后大小與應(yīng)變片承受的應(yīng)變量大小有關(guān)，造成其滯后大小與應(yīng)變片承受的應(yīng)變量大小有關(guān)，造成 原因主要是敏感柵、基底粘合劑在承受機(jī)械應(yīng)變后原因主要是敏感柵、基底粘合劑在承受機(jī)械應(yīng)變后 所留下的機(jī)械變形。所留下的機(jī)械變形。 2021年6月24日18 （4 4）橫向效應(yīng)與橫向效應(yīng)系數(shù)橫向效應(yīng)與橫向效應(yīng)系數(shù) 應(yīng)變片在感受被測(cè)試件的應(yīng)變時(shí)，橫向應(yīng)變將應(yīng)變片在感受被測(cè)試件的應(yīng)變時(shí)，橫向應(yīng)變將 使電阻變化率減小，從而降低靈敏度系數(shù)的現(xiàn)象，使電阻變化率減小，從而降低靈敏度系數(shù)

14、的現(xiàn)象， 稱(chēng)為應(yīng)變片的稱(chēng)為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)。 在同一單向應(yīng)力作用下，垂直于單向應(yīng)變方向在同一單向應(yīng)力作用下，垂直于單向應(yīng)變方向 安裝的應(yīng)變計(jì)的指示應(yīng)變與平行于單向應(yīng)變方向安安裝的應(yīng)變計(jì)的指示應(yīng)變與平行于單向應(yīng)變方向安 裝的同批應(yīng)變計(jì)的指示應(yīng)變之比，稱(chēng)為裝的同批應(yīng)變計(jì)的指示應(yīng)變之比，稱(chēng)為橫向應(yīng)變系橫向應(yīng)變系 數(shù)數(shù)。 所以，為了減小橫向效應(yīng)的影響，應(yīng)變片都做所以，為了減小橫向效應(yīng)的影響，應(yīng)變片都做 成窄長(zhǎng)的形狀。成窄長(zhǎng)的形狀。 （5 5）零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移 指試件空載（不受應(yīng)力作用）、溫度恒定的條指試件空載（不受應(yīng)力作用）、溫度恒定的條 件下，指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化值。件下，指示應(yīng)變隨時(shí)間的變

15、化值。 2021年6月24日19 （6 6）蠕變?nèi)渥?粘貼粘貼在試件上的應(yīng)變片，在恒溫恒載條件下，在試件上的應(yīng)變片，在恒溫恒載條件下， 指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化數(shù)值稱(chēng)為指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化數(shù)值稱(chēng)為蠕變?nèi)渥儭?（7 7）應(yīng)變極限應(yīng)變極限 對(duì)于已安裝的應(yīng)變計(jì)，對(duì)于已安裝的應(yīng)變計(jì)， 在溫度恒定時(shí)，指示應(yīng)變?cè)跍囟群愣〞r(shí)，指示應(yīng)變 和真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)誤差不和真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)誤差不 超過(guò)規(guī)定數(shù)值的真實(shí)應(yīng)變超過(guò)規(guī)定數(shù)值的真實(shí)應(yīng)變 值，稱(chēng)為值，稱(chēng)為應(yīng)變極限應(yīng)變極限。如圖。如圖 所示。所示。 2021年6月24日20 （8 8）疲勞壽命疲勞壽命 在恒定幅值交變應(yīng)力作用下，連續(xù)工作到產(chǎn)生在恒定幅值交變應(yīng)力作用下，連續(xù)工作

16、到產(chǎn)生 疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)，稱(chēng)為應(yīng)變片的疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)，稱(chēng)為應(yīng)變片的疲勞壽命疲勞壽命。 （9 9）溫度效應(yīng)及熱輸出溫度效應(yīng)及熱輸出 由于環(huán)境溫度變化的影響，將使應(yīng)變片的電阻由于環(huán)境溫度變化的影響，將使應(yīng)變片的電阻 發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變計(jì)的發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變計(jì)的溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)。而由。而由 于于 溫度變化引起的應(yīng)變輸出稱(chēng)為溫度變化引起的應(yīng)變輸出稱(chēng)為熱輸出熱輸出。熱輸出定義。熱輸出定義 為為 ：當(dāng)應(yīng)變片安裝在某一線(xiàn)性膨脹系數(shù)的試件上，試：當(dāng)應(yīng)變片安裝在某一線(xiàn)性膨脹系數(shù)的試件上，試 件件 可以自由膨脹，在緩慢升（或降）溫的均勻溫度場(chǎng)可以自由膨脹，在緩慢升（或降）溫的均勻溫度場(chǎng) 內(nèi)內(nèi)

17、 ，由溫度變化引起的指示應(yīng)變。，由溫度變化引起的指示應(yīng)變。 t k k R R fs t t t 2021年6月24日21 溫度變化。溫度變化。 ；數(shù)數(shù)敏感柵材料的線(xiàn)膨脹系敏感柵材料的線(xiàn)膨脹系 ；試件材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)試件材料的線(xiàn)膨脹系數(shù) 阻溫度系數(shù)；阻溫度系數(shù)；應(yīng)變片敏感柵材料的電應(yīng)變片敏感柵材料的電 應(yīng)變片的靈敏系數(shù)；應(yīng)變片的靈敏系數(shù)； 熱輸出；熱輸出； 變化；變化；溫度引起的應(yīng)變片電阻溫度引起的應(yīng)變片電阻式中式中 t k RR f s t t t C)(1/ C)(1/ )( 從上面可知，影響熱輸出因素主要有三個(gè)：溫度變從上面可知，影響熱輸出因素主要有三個(gè)：溫度變 化；應(yīng)變片敏感柵材料電阻

18、溫度系數(shù)；試件材料和化；應(yīng)變片敏感柵材料電阻溫度系數(shù)；試件材料和 敏感柵材料線(xiàn)性膨脹系數(shù)不等。敏感柵材料線(xiàn)性膨脹系數(shù)不等。 2021年6月24日22 （1010）應(yīng)變計(jì)的最大工作電流應(yīng)變計(jì)的最大工作電流 應(yīng)變片正常工作允許通過(guò)的最大電流。通常靜應(yīng)變片正常工作允許通過(guò)的最大電流。通常靜 態(tài)測(cè)量時(shí)為態(tài)測(cè)量時(shí)為25mA25mA，動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)為，動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)為 7575100mA100mA。工作。工作 電流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片過(guò)熱、靈敏度變化、零漂和電流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片過(guò)熱、靈敏度變化、零漂和 蠕變?cè)黾?，甚至燒毀。蠕變?cè)黾樱踔翢龤А?（1111）絕緣電阻絕緣電阻 已安裝的應(yīng)變計(jì)的敏感柵及引線(xiàn)與被測(cè)試件之已安

19、裝的應(yīng)變計(jì)的敏感柵及引線(xiàn)與被測(cè)試件之 間的電阻值。是檢查應(yīng)變計(jì)的粘貼質(zhì)量與粘合劑是間的電阻值。是檢查應(yīng)變計(jì)的粘貼質(zhì)量與粘合劑是 否干燥或固化的重要指標(biāo)。絕緣電阻越高越好，在否干燥或固化的重要指標(biāo)。絕緣電阻越高越好，在 室溫下，一般為室溫下，一般為5005005000M5000M之間。之間。 （1212）應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)特性應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)特性 應(yīng)變片在測(cè)量變化頻率較高的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)，應(yīng)應(yīng)變片在測(cè)量變化頻率較高的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)，應(yīng) 該考慮其頻率響應(yīng)，即動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題。該考慮其頻率響應(yīng)，即動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題。 2021年6月24日23 應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)特性最終可歸結(jié)到應(yīng)變片的基長(zhǎng)應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)特性最終可歸結(jié)到應(yīng)變片的基長(zhǎng) 與

20、輸入應(yīng)變波的頻率的關(guān)系。與輸入應(yīng)變波的頻率的關(guān)系。 若輸入正弦應(yīng)變波的極限工作頻率若輸入正弦應(yīng)變波的極限工作頻率f與應(yīng)變片基與應(yīng)變片基 長(zhǎng)長(zhǎng)L的關(guān)系為的關(guān)系為 L v f) 20 1 10 1 ( 若輸入應(yīng)變波為階躍波時(shí)若輸入應(yīng)變波為階躍波時(shí) L v f4 . 0 2021年6月24日24 五、應(yīng)變計(jì)測(cè)量電橋五、應(yīng)變計(jì)測(cè)量電橋 測(cè)量電橋在應(yīng)變計(jì)電阻傳感器中得到廣泛的應(yīng)用測(cè)量電橋在應(yīng)變計(jì)電阻傳感器中得到廣泛的應(yīng)用 ，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，測(cè)量范圍寬，線(xiàn)性度好，精，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，測(cè)量范圍寬，線(xiàn)性度好，精 度高，易于實(shí)現(xiàn)和補(bǔ)償。度高，易于實(shí)現(xiàn)和補(bǔ)償。 測(cè)量電橋有直流電橋和交流電橋，本課重點(diǎn)講直測(cè)

21、量電橋有直流電橋和交流電橋，本課重點(diǎn)講直 流電橋。流電橋。 1.1.直流電橋直流電橋 21 1 RR E I 43 2 RR E I 2021年6月24日25 E RRRR RRRR E RR R RR R RIRI uuU ADABO )( )( 4321 3241 43 3 21 1 2211 當(dāng)當(dāng)R R1 1R R4 4=R=R2 2R R3 3時(shí)，電橋平衡，時(shí)，電橋平衡， 輸出為零。輸出為零。 按接入電橋應(yīng)變片的數(shù)量可分為按接入電橋應(yīng)變片的數(shù)量可分為單臂工作電橋單臂工作電橋、 半橋工作電橋半橋工作電橋、全橋工作電橋全橋工作電橋。 2.2.單臂工作電橋單臂工作電橋 只有一個(gè)橋臂接入應(yīng)變片

22、，其它三個(gè)橋臂是平只有一個(gè)橋臂接入應(yīng)變片，其它三個(gè)橋臂是平 衡電阻。衡電阻。 2021年6月24日26 （1 1）立式橋立式橋 Ek RR RR R R E RR RR U RRRRRR O 22 4231 )()( , 立式橋立式橋 （2 2）臥式橋臥式橋 k E R RE E RR R E RRR RRRR U RRRRRR O 44)2(2 )2(2 )( , 4321 2021年6月24日27 （3 3）等臂電橋等臂電橋 k E E RR RR U RRRRR O 4 )2(2 4321 3.3.半臂工作電橋半臂工作電橋 有兩只應(yīng)變片接入電橋，有兩只應(yīng)變片接入電橋，),(,),(, 4

23、2314321 RRRRRRRR或或，或，或或或 設(shè)設(shè)R1，R2作為應(yīng)變片，作為應(yīng)變片， RRRRRRRRR 212211 , 半半 臂臂 工工 作作 電電 橋橋 （1 1）半臂臥式電橋半臂臥式電橋 RRRRRR 4321 , k E R RE E RRRRR RRRRR UO 22 )()(2 )()( 21 21 R 3 E o I1 I2 1 R 3 R4 U o I1 I2 A B D C 1 R R 2 R R 1 2 2021年6月24日28 (2)(2)半臂等臂電橋半臂等臂電橋 RRRRR 4321 k E UO 2 4.4.全臂工作等臂電橋全臂工作等臂電橋 四個(gè)臂均接入應(yīng)變片，

24、并為差動(dòng)工作，四個(gè)臂均接入應(yīng)變片，并為差動(dòng)工作， RRRRRRRRRRRR 4321 , 且且RRRRR 4321 EkE R R UO 2021年6月24日29 5.5.恒流供電電橋恒流供電電橋 上面所講都是恒壓供電的電橋。在全橋差動(dòng)工作上面所講都是恒壓供電的電橋。在全橋差動(dòng)工作 時(shí)，再不考慮溫度變化時(shí)，電橋的輸出與電阻的相對(duì)時(shí)，再不考慮溫度變化時(shí)，電橋的輸出與電阻的相對(duì) 變化量變化量R RR R成比例。而實(shí)際上溫度變化時(shí)，每個(gè)電成比例。而實(shí)際上溫度變化時(shí)，每個(gè)電 阻隨溫度量為阻隨溫度量為R Rt t，電橋的輸出為，電橋的輸出為 U UO O=E =E R/(R+R/(R+R Rt t) )

25、 電橋的輸出是非線(xiàn)性的。電橋的輸出是非線(xiàn)性的。 恒流源供電電橋如右圖所示恒流源供電電橋如右圖所示 ，設(shè)，設(shè)4個(gè)橋臂初始電阻均為個(gè)橋臂初始電阻均為R， 則則I IABC ABC=I =IADC ADC=I/2 =I/2，。有壓力作用，。有壓力作用 時(shí)，仍有時(shí)，仍有I IABC ABC=I =IADC ADC=I/2 =I/2，則電橋，則電橋 輸出為輸出為 2021年6月24日30 RI )( 2 )( 2 ttADABBDO RRR I RRR I UUUU 因此，電橋的輸出與溫度無(wú)關(guān)。因此，電橋的輸出與溫度無(wú)關(guān)。 總結(jié)總結(jié)：從上面可以知道，半臂工作臥式電橋、等臂：從上面可以知道，半臂工作臥式電

26、橋、等臂 電橋的輸出是單臂工作臥式電橋、等臂電橋的輸出電橋的輸出是單臂工作臥式電橋、等臂電橋的輸出 的的2倍；而全臂工作等臂電橋的輸出是半臂工作電橋倍；而全臂工作等臂電橋的輸出是半臂工作電橋 輸出的輸出的2倍。倍。 6.6.電橋輸出非線(xiàn)性誤差電橋輸出非線(xiàn)性誤差 上述電橋輸出公式都是在上述電橋輸出公式都是在R RR R的假設(shè)條件下的假設(shè)條件下 得到得到成線(xiàn)性關(guān)系成線(xiàn)性關(guān)系與與 O U。當(dāng)該條件不成立時(shí)，必存。當(dāng)該條件不成立時(shí)，必存 非線(xiàn)性誤差。非線(xiàn)性誤差。 2021年6月24日31 對(duì)于單臂工作的臥式電橋和等臂電橋，有對(duì)于單臂工作的臥式電橋和等臂電橋，有 32 11 8 1 4 1 2 1 1

27、4 1 2 1 1 4 1 / 2 1 1 4 1 / 2 1 14 24 KKKEkU KEkRREk E RR RR E RR R U O O 展開(kāi)有展開(kāi)有 相對(duì)誤差為相對(duì)誤差為 2021年6月24日32 )( %100 2 1 %100)( 8 1 )( 4 1 2 1 %100 4 1 )( 8 1 )( 4 1 2 1 1 4 1 4 1 %100 32 32 忽略高次項(xiàng)忽略高次項(xiàng) k kkk Ek kkkEkEk U UU O OO 如果如果 2，當(dāng)相對(duì)誤差，當(dāng)相對(duì)誤差 1時(shí)，則時(shí)，則 ， 則則 ，也就是應(yīng)變值，也就是應(yīng)變值 時(shí)，電橋輸出相對(duì)誤差時(shí)，電橋輸出相對(duì)誤差 。 01. 0

28、 2 1 m k 1000001.0 m 10000 m %1 k 2021年6月24日33 7.7.電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償 由前面內(nèi)容知道電阻應(yīng)變片的熱輸出為由前面內(nèi)容知道電阻應(yīng)變片的熱輸出為 t k k R R fs t t t 由于應(yīng)變片電阻絲溫度系數(shù)由于應(yīng)變片電阻絲溫度系數(shù) 而產(chǎn)生的誤差；而產(chǎn)生的誤差； 由于由于電阻絲膨脹系數(shù)電阻絲膨脹系數(shù) 與測(cè)試試件材料的膨脹系數(shù)與測(cè)試試件材料的膨脹系數(shù) 之間不同而產(chǎn)生誤差?？梢圆捎醚a(bǔ)償法消除電阻之間不同而產(chǎn)生誤差?？梢圆捎醚a(bǔ)償法消除電阻 應(yīng)變片的熱輸出誤差，稱(chēng)為應(yīng)變片的熱輸出誤差，稱(chēng)為熱輸出補(bǔ)償熱輸出補(bǔ)償。 t f s 補(bǔ)償常用的

29、方法有兩種：補(bǔ)償常用的方法有兩種：溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片法溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片法， 用于高溫下測(cè)量；用于高溫下測(cè)量；橋路補(bǔ)償法橋路補(bǔ)償法，用于常溫下測(cè)量。，用于常溫下測(cè)量。 （1 1）溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片法溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片法 單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片 2021年6月24日34 t k k R R fs t t t 由式由式可知，若可知，若t=0， 需需t=-k(s-f)，在研制和選用應(yīng)變計(jì)時(shí)，若所選，在研制和選用應(yīng)變計(jì)時(shí)，若所選 擇敏感柵材料，其擇敏感柵材料，其t、f能與試件能與試件s的相匹配，即的相匹配，即 滿(mǎn)足上式就能達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。滿(mǎn)足上式就能達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)雙絲

30、自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì) 該應(yīng)變計(jì)由電阻溫度系數(shù)一正一負(fù)的兩種金屬電阻絲該應(yīng)變計(jì)由電阻溫度系數(shù)一正一負(fù)的兩種金屬電阻絲 串接而成，如圖所示。若串接而成，如圖所示。若t+=t-,則正負(fù)熱輸出抵消則正負(fù)熱輸出抵消 就可達(dá)到自補(bǔ)償?shù)哪康?。就可達(dá)到自補(bǔ)償?shù)哪康摹?2021年6月24日35 （2 2）橋路補(bǔ)償法）橋路補(bǔ)償法 補(bǔ)償計(jì)法補(bǔ)償計(jì)法 補(bǔ)償計(jì)法是選用型號(hào)和特性完全相同（靈敏度補(bǔ)償計(jì)法是選用型號(hào)和特性完全相同（靈敏度 系數(shù)、電阻溫度系數(shù)、線(xiàn)膨脹系數(shù)均相同）的兩只系數(shù)、電阻溫度系數(shù)、線(xiàn)膨脹系數(shù)均相同）的兩只 應(yīng)變計(jì)，一只粘貼在被測(cè)試件上作為工作應(yīng)變片，應(yīng)變計(jì)，一只粘貼在被測(cè)試件上作為工作應(yīng)變片， 另一只粘貼在與被

31、測(cè)試件的結(jié)構(gòu)和材料相同而不受另一只粘貼在與被測(cè)試件的結(jié)構(gòu)和材料相同而不受 力的補(bǔ)償塊上，作為補(bǔ)償片；并使補(bǔ)償塊與被測(cè)試力的補(bǔ)償塊上，作為補(bǔ)償片；并使補(bǔ)償塊與被測(cè)試 件處于相同溫度環(huán)境下。若工作片為件處于相同溫度環(huán)境下。若工作片為R1，補(bǔ)償片為，補(bǔ)償片為 R2，把它們分別接入電橋的相鄰橋臂，構(gòu)成如圖，把它們分別接入電橋的相鄰橋臂，構(gòu)成如圖4- 14所示電橋。當(dāng)被測(cè)試件受力為所示電橋。當(dāng)被測(cè)試件受力為F，并有溫度變化，并有溫度變化 t時(shí)，則工作應(yīng)變片電阻由原來(lái)的時(shí)，則工作應(yīng)變片電阻由原來(lái)的R1變?yōu)樽優(yōu)镽1,即即 tF RRRR 111 1 2021年6月24日36 而補(bǔ)償片電阻值由原來(lái)的而補(bǔ)償片電

32、阻值由原來(lái)的R2變?yōu)樽優(yōu)镽2,即即 以上兩個(gè)電阻代入電橋電壓輸出公式，即可得電橋以上兩個(gè)電阻代入電橋電壓輸出公式，即可得電橋 輸出端電壓為輸出端電壓為 式中式中R3和和R4為平衡電阻，為固定值，若令為平衡電阻，為固定值，若令R3=R4=R0 ，則有，則有 代入代入R1和和R2，得，得 t RRR 22 2 )( )( 43 2 1 3 24 1 RRRR URRRR Uo U RR RR Uo )(2 )( 2 1 2 1 )(2 )( 21121 211 ttF ttF o RRRRR URRR U 2021年6月24日37 由于由于R1與與R2型號(hào)和特性均相同，而且感受相同的溫型號(hào)和特性均

33、相同，而且感受相同的溫 度變化，則度變化，則 則有則有 因?yàn)橐驗(yàn)?則可得到則可得到 從以上分析可知，此時(shí)指示應(yīng)變值只是由于工從以上分析可知，此時(shí)指示應(yīng)變值只是由于工 作應(yīng)變片受力引起的應(yīng)變值，而由于溫度變化所產(chǎn)作應(yīng)變片受力引起的應(yīng)變值，而由于溫度變化所產(chǎn) 生的熱輸出已經(jīng)消除。生的熱輸出已經(jīng)消除。 ttt RRRRRR 2121 , k U R RU U F o 44 1 U RRR R U tF F o )22(2 1 1 RRR tF 22 1 2021年6月24日38 如果補(bǔ)償片如果補(bǔ)償片R2也作為工作應(yīng)變片，且粘貼于被測(cè)試也作為工作應(yīng)變片，且粘貼于被測(cè)試 件的相反應(yīng)變處，則件的相反應(yīng)變處

34、，則 R1、R2在應(yīng)力和溫度變化影響在應(yīng)力和溫度變化影響 下，則有下，則有 代入電壓輸出表達(dá)式，得代入電壓輸出表達(dá)式，得 由于由于R1和和R2型號(hào)特性相同，感受應(yīng)力相同，溫度影型號(hào)特性相同，感受應(yīng)力相同，溫度影 響也相同，則有響也相同，則有 FFFttt RRRRRRRRR 212121 , U RRRRRR RRRR U RR RR U ttFF tFF o )(2 )( )(2 212121 2t 121 2 1 2 1 tF tF RRRR RRRR 222 2 111 1 2021年6月24日39 故故 上式同樣表明，指示應(yīng)變值已消除了溫度影響的熱上式同樣表明，指示應(yīng)變值已消除了溫度影

35、響的熱 輸出，且輸出提高了一倍。輸出，且輸出提高了一倍。 k U R RU U RR R U F t F o 22)(4 2 2021年6月24日40 8.8.應(yīng)變計(jì)測(cè)量電路應(yīng)變計(jì)測(cè)量電路 直流電橋的測(cè)量電路如圖所示直流電橋的測(cè)量電路如圖所示 9.9.電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 （1）電阻應(yīng)變計(jì)式傳感器應(yīng)用特點(diǎn)）電阻應(yīng)變計(jì)式傳感器應(yīng)用特點(diǎn) 電阻應(yīng)變計(jì)有兩方面的應(yīng)用：一種是作為敏感電阻應(yīng)變計(jì)有兩方面的應(yīng)用：一種是作為敏感 元件，直接用于被測(cè)試件的應(yīng)變測(cè)量；另一種是作元件，直接用于被測(cè)試件的應(yīng)變測(cè)量；另一種是作 為轉(zhuǎn)換元件，通過(guò)彈性元件構(gòu)成傳感器，用以對(duì)任為轉(zhuǎn)換元件，通過(guò)彈性元件

36、構(gòu)成傳感器，用以對(duì)任 何能轉(zhuǎn)換為彈性元件應(yīng)變的其他物理量間接測(cè)量。何能轉(zhuǎn)換為彈性元件應(yīng)變的其他物理量間接測(cè)量。 2021年6月24日41 (2)(2)電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 電阻應(yīng)變式傳感器可用于電阻應(yīng)變式傳感器可用于測(cè)量載荷和力測(cè)量載荷和力、測(cè)量測(cè)量 位移位移、測(cè)量加速度測(cè)量加速度、測(cè)量扭矩、測(cè)量扭矩、等。等。 應(yīng)變計(jì)式傳感器主要特點(diǎn)如下：應(yīng)變計(jì)式傳感器主要特點(diǎn)如下： *應(yīng)用和測(cè)量范圍廣；應(yīng)用和測(cè)量范圍廣；*分辨力和靈敏度高；分辨力和靈敏度高； *結(jié)構(gòu)輕??；結(jié)構(gòu)輕??；*商品化，選用和使用方便。商品化，選用和使用方便。 1 1）載荷和力傳感器）載荷和力傳感器 2021年6

37、月24日42 懸臂梁稱(chēng)重傳感器懸臂梁稱(chēng)重傳感器柱式稱(chēng)重（測(cè)力）傳感器柱式稱(chēng)重（測(cè)力）傳感器 S梁稱(chēng)重傳感器梁稱(chēng)重傳感器 扭矩（力）傳感器扭矩（力）傳感器 2021年6月24日43 平面膜片式壓力傳感器，應(yīng)變橋連接成全橋，且平面膜片式壓力傳感器，應(yīng)變橋連接成全橋，且 如圖所示，應(yīng)變計(jì)如圖所示，應(yīng)變計(jì)k=2.0，膜片允許測(cè)試的最大應(yīng)變，膜片允許測(cè)試的最大應(yīng)變 為為800 ，對(duì)應(yīng)的壓力，對(duì)應(yīng)的壓力100kPa，電橋電壓為，電橋電壓為5V， 試求最大應(yīng)變時(shí)，測(cè)量電路輸出端電壓為多少？當(dāng)輸試求最大應(yīng)變時(shí)，測(cè)量電路輸出端電壓為多少？當(dāng)輸 出電壓為出電壓為3.3V時(shí)，所測(cè)壓力為多少？時(shí)，所測(cè)壓力為多少？A4

38、的作用是什么的作用是什么 ？ RRRRRRRRRRRR 42314321 , 基本應(yīng)用示例基本應(yīng)用示例 2021年6月24日44 該例為恒壓源供電全橋等臂電橋，則電橋輸出電壓為該例為恒壓源供電全橋等臂電橋，則電橋輸出電壓為 VUkU R R UO008. 05108000 . 2 6 電路中電路中A1，A2，A3運(yùn)放組成同相輸入并串聯(lián)差動(dòng)放運(yùn)放組成同相輸入并串聯(lián)差動(dòng)放 大電路，放大倍數(shù)為大電路，放大倍數(shù)為 625 10 20 4 .128 1000)2020( 1)1( 5 21 R R R RR K f h ff F 則，最大應(yīng)變時(shí)電路輸出端電壓為則，最大應(yīng)變時(shí)電路輸出端電壓為 UO=0.0

39、08*625=5V kPaP64100 5 2 . 3 輸出端電壓為輸出端電壓為3.2V時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力為時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力為 2021年6月24日45 六、壓阻式傳感器及其應(yīng)用六、壓阻式傳感器及其應(yīng)用 1.1.壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng) 根據(jù)電阻應(yīng)變效應(yīng)，有根據(jù)電阻應(yīng)變效應(yīng)，有 dd R dR )21(2 對(duì)于金屬電阻絲而言，對(duì)于金屬電阻絲而言， d )21(，而對(duì)于半導(dǎo)體，而對(duì)于半導(dǎo)體 來(lái)說(shuō)，來(lái)說(shuō)， d )21(，所以半導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效，所以半導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效 應(yīng)為應(yīng)為 E d R R - -半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)；半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)； E- -半導(dǎo)體材料的彈性模量，約為半導(dǎo)體材料的彈性模量，約為1.67X1