電阻應(yīng)變式傳感器

1、第五章第五章 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和類型金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和類型5.3 5.3 金屬電阻應(yīng)變片工作原理金屬電阻應(yīng)變片工作原理5.4 5.4 誤差分析誤差分析5.5 5.5 分類分類5.6 5.6 應(yīng)變片命名規(guī)則應(yīng)變片命名規(guī)則5.7 5.7 應(yīng)變片的主要特性及參數(shù)應(yīng)變片的主要特性及參數(shù)5.8 5.8 電阻應(yīng)變片的選用和粘貼電阻應(yīng)變片的選用和粘貼5.9 5.9 應(yīng)變片測(cè)量電路應(yīng)變片測(cè)量電路5.10 5.10 半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片5.11 5.11 電阻應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用5.1 5.1 概述概述電

2、阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將各電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將各種力學(xué)量（壓力、荷重、扭力等）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的種力學(xué)量（壓力、荷重、扭力等）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的結(jié)構(gòu)型傳感器。結(jié)構(gòu)型傳感器。分類：電阻絲應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片分類：電阻絲應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片組成組成: :電阻應(yīng)變片和測(cè)量電路。電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片和測(cè)量電路。電阻應(yīng)變片( (計(jì)計(jì)) )是是電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)，電阻應(yīng)變片既可單獨(dú)作為傳材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)，電阻應(yīng)變片既可單獨(dú)作為傳感器使用，又能作為敏感元件結(jié)合彈性元件構(gòu)成力感器使用，又能作

3、為敏感元件結(jié)合彈性元件構(gòu)成力學(xué)量傳感器。學(xué)量傳感器。5.2 5.2 金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和類型金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和類型 圖圖5 51 1 應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)及構(gòu)成應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)及構(gòu)成 (a)(a)絲式；絲式；(b)(b)箔式箔式1 1敏感柵；敏感柵；2 2基底；基底；3 3引線；引線；4 4蓋層；蓋層；5 5粘結(jié)劑粘結(jié)劑常用金屬應(yīng)變片有常用金屬應(yīng)變片有: :金屬絲式應(yīng)金屬絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片以及金屬薄膜變片、箔式應(yīng)變片以及金屬薄膜應(yīng)變片等。應(yīng)變片等。金屬電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)如圖金屬電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)如圖5-15-1所示，它由蓋層、敏感柵、基所示，它由蓋層、敏感柵、基底及引線四部分組成。敏感柵可底

4、及引線四部分組成。敏感柵可由金屬絲、金屬箔制成，它是轉(zhuǎn)由金屬絲、金屬箔制成，它是轉(zhuǎn)換元件，它被粘貼在基底上。用換元件，它被粘貼在基底上。用粘合劑粘貼在傳感器彈性元件或粘合劑粘貼在傳感器彈性元件或試件上的應(yīng)變片通過(guò)基底把應(yīng)變?cè)嚰系膽?yīng)變片通過(guò)基底把應(yīng)變傳遞到敏感柵上，同時(shí)基底起絕傳遞到敏感柵上，同時(shí)基底起絕緣作用。蓋層起絕緣保護(hù)作用。緣作用。蓋層起絕緣保護(hù)作用。焊接于敏感柵兩端的引線作連接焊接于敏感柵兩端的引線作連接測(cè)量導(dǎo)線之用。測(cè)量導(dǎo)線之用。1 1、金屬絲式應(yīng)變片、金屬絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片的敏感金屬絲式應(yīng)變片的敏感柵由金屬絲繞制而成。金柵由金屬絲繞制而成。金屬絲材料為電阻率屬絲材料為電阻率

5、大而大而電阻溫度系數(shù)小的材料。電阻溫度系數(shù)小的材料。絲式應(yīng)變絲式應(yīng)變片的規(guī)格一般以片的規(guī)格一般以使用面積使用面積( (L L* *b)b)和敏感柵和敏感柵的電阻值來(lái)表示。阻值一的電阻值來(lái)表示。阻值一般在般在505010OO10OO范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，常用的為常用的為1212OO。2 2、金屬箔式應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片的敏感箔式應(yīng)變片的敏感柵通過(guò)光刻、腐蝕等柵通過(guò)光刻、腐蝕等工藝制成，可根據(jù)需工藝制成，可根據(jù)需要制成任意形狀，具要制成任意形狀，具有表面積大、散熱性有表面積大、散熱性好、允許好、允許電流大、便電流大、便于成批生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。于成批生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。3 3、金屬薄膜應(yīng)變片、金屬薄膜應(yīng)變片

6、金屬薄膜應(yīng)變片是采用真空濺射或真空沉積的方法金屬薄膜應(yīng)變片是采用真空濺射或真空沉積的方法制成，它將可產(chǎn)生形變的金屬或合金直接沉積在彈性制成，它將可產(chǎn)生形變的金屬或合金直接沉積在彈性元件上而不用粘合劑。這樣應(yīng)變片的性能更好，靈敏元件上而不用粘合劑。這樣應(yīng)變片的性能更好，靈敏度高。所謂薄膜指厚度在度高。所謂薄膜指厚度在0.10.1m m以下的金屬膜。厚度以下的金屬膜。厚度在在2525m m左右的稱厚膜箔式應(yīng)變片即屬厚膜。左右的稱厚膜箔式應(yīng)變片即屬厚膜。5.3 5.3 金屬電阻應(yīng)變片工作原理金屬電阻應(yīng)變片工作原理 1 1、電阻應(yīng)變效應(yīng)、電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)。導(dǎo)體金屬

7、電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)。導(dǎo)體的電阻隨著機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效的電阻隨著機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)。電阻絲較細(xì)電阻絲較細(xì), , 一般在一般在0.0150.0150.06 mm, 0.06 mm, 其兩端焊有較粗其兩端焊有較粗的低阻鍍錫銅絲（的低阻鍍錫銅絲（0.10.10.2mm0.2mm）4 4作為引線作為引線, , 以便與測(cè)量以便與測(cè)量電路連接。圖中電路連接。圖中, l, l稱為應(yīng)變計(jì)的標(biāo)距稱為應(yīng)變計(jì)的標(biāo)距, , 也稱（基）柵長(zhǎng)也稱（基）柵長(zhǎng), , b b稱為（基）柵寬稱為（基）柵寬, l, lb b稱稱為應(yīng)變計(jì)的使用面積。為應(yīng)變計(jì)的使用面積。

8、4312bl電阻應(yīng)變計(jì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖電阻應(yīng)變計(jì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖2 2、工作原理、工作原理: :應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng) 設(shè)有一根圓截面的金屬電阻絲如圖設(shè)有一根圓截面的金屬電阻絲如圖5-25-2所示。其所示。其原始電阻為：原始電阻為：圖圖5 52 2 金屬電阻絲受拉變形金屬電阻絲受拉變形SlR受力后各部分的變化引起電阻的變化受力后各部分的變化引起電阻的變化dSldSSldlSdR2dSdSldlRdRSSllRR或或?qū)τ谥睆綖閷?duì)于直徑為d的圓形截面電阻絲：的圓形截面電阻絲：kllRRllllRRllrrrrrSSrdrdrdSrrS)21(22242244)2(4242泊松系數(shù)泊松系數(shù)太小，可忽略太小，可忽略=0.3

9、=0.30.50.5K K =1.6 =1.6 2 2 =10=10-6-6 1010-3-3靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)K K的意義：?jiǎn)挝粦?yīng)變所引起的電阻相對(duì)的意義：?jiǎn)挝粦?yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化，主要是受力后材料的幾何尺寸變化引起。變化，主要是受力后材料的幾何尺寸變化引起。3 3、結(jié)論、結(jié)論金屬電阻絲的電阻相對(duì)變化率與軸向應(yīng)變成正比。金屬電阻絲的電阻相對(duì)變化率與軸向應(yīng)變成正比。4 4、特點(diǎn)、特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): : 穩(wěn)定性和溫度特性好穩(wěn)定性和溫度特性好. .缺點(diǎn)缺點(diǎn): : 靈敏度系數(shù)小靈敏度系數(shù)小. .1 1、橫向效應(yīng)、橫向效應(yīng)F橫向縮短作用引起的電阻值的減小對(duì)于軸向伸長(zhǎng)橫向縮短作用引起的電阻值的減小對(duì)于

10、軸向伸長(zhǎng)作用引起的電阻值的增加量起著抵消的作用，它使作用引起的電阻值的增加量起著抵消的作用，它使所測(cè)應(yīng)變數(shù)值偏小，或說(shuō)使應(yīng)變片靈敏系數(shù)減小。所測(cè)應(yīng)變數(shù)值偏小，或說(shuō)使應(yīng)變片靈敏系數(shù)減小。彎曲半徑越大，橫向效應(yīng)也越大彎曲半徑越大，橫向效應(yīng)也越大通過(guò)改變電阻絲排列的形狀可減小之。通過(guò)改變電阻絲排列的形狀可減小之。2 2、溫度影響、溫度影響由于環(huán)境溫度改變引起電阻值變化，由電阻絲溫由于環(huán)境溫度改變引起電阻值變化，由電阻絲溫度系數(shù)度系數(shù)引起；由電阻絲與被測(cè)件材料的線膨脹系引起；由電阻絲與被測(cè)件材料的線膨脹系數(shù)數(shù)1 1、2 2的不同引起的。的不同引起的。 5.4 5.4 誤差分析誤差分析F當(dāng)溫度變化當(dāng)溫度

11、變化tt, , 應(yīng)變片電阻的增量應(yīng)變片電阻的增量RRt t可用下式可用下式表示：表示： RRt t=R=Rt+Rt+RK(K(1 1- - 2 2)t)t = R = R+K(+K(1 1- - 2 2t t 令令 t t= +K(= +K(1 1- - 2 2) ) 則：則： RRt t= R= Rt ttt3 3、蠕變、蠕變與粘貼相關(guān)，基片、粘合劑、被測(cè)件材料需相適與粘貼相關(guān)，基片、粘合劑、被測(cè)件材料需相適應(yīng)。否則不能將被測(cè)件表面變形準(zhǔn)確地傳遞給應(yīng)變應(yīng)。否則不能將被測(cè)件表面變形準(zhǔn)確地傳遞給應(yīng)變片。片。另外須注意的事項(xiàng)：應(yīng)變極限，疲勞壽命，絕緣另外須注意的事項(xiàng)：應(yīng)變極限，疲勞壽命，絕緣電阻，

12、最大電流。電阻，最大電流。5.5 5.5 分類分類應(yīng)變計(jì)有很多品種系列應(yīng)變計(jì)有很多品種系列: : 從尺寸上講從尺寸上講, , 長(zhǎng)的有幾長(zhǎng)的有幾百百mm, mm, 短的僅短的僅0.2 mm; 0.2 mm; 由結(jié)構(gòu)形式上看由結(jié)構(gòu)形式上看, , 有單片、有單片、雙片、應(yīng)變花和各種特殊形狀的圖案雙片、應(yīng)變花和各種特殊形狀的圖案; ; 就使用環(huán)就使用環(huán)境上說(shuō)境上說(shuō), , 有高溫、低溫、水、核輻射、有高溫、低溫、水、核輻射、 高壓、磁高壓、磁場(chǎng)等場(chǎng)等; ; 而安裝形式而安裝形式, , 有粘貼、非粘貼、焊接、火有粘貼、非粘貼、焊接、火焰噴涂等。焰噴涂等。主要的分類方法是根據(jù)敏感元件材料的不同主要的分類方法

13、是根據(jù)敏感元件材料的不同, , 將將應(yīng)變計(jì)分為金屬式和半導(dǎo)體式兩大類。從敏感元應(yīng)變計(jì)分為金屬式和半導(dǎo)體式兩大類。從敏感元件的形態(tài)又可進(jìn)一步分類如下件的形態(tài)又可進(jìn)一步分類如下: : 應(yīng)變計(jì)應(yīng)變計(jì)金屬屬性金屬屬性半導(dǎo)體式半導(dǎo)體式體形體形薄膜型薄膜型絲式絲式箔式箔式紙基紙基膠基膠基體型體型薄模型薄模型擴(kuò)散型擴(kuò)散型外延型外延型PnPn結(jié)及其它形式結(jié)及其它形式半導(dǎo)體式體型薄膜型、擴(kuò)散型、外延型、半導(dǎo)體式體型薄膜型、擴(kuò)散型、外延型、PNPN結(jié)及其結(jié)及其他形式他形式 金屬電阻應(yīng)變計(jì)常見(jiàn)的形式有絲式、金屬電阻應(yīng)變計(jì)常見(jiàn)的形式有絲式、 箔式、箔式、 薄膜式等。薄膜式等。 絲式應(yīng)變計(jì)是最早應(yīng)用的品種。絲式應(yīng)變計(jì)是

14、最早應(yīng)用的品種。金屬絲彎曲部分可作成圓弧、銳角或直角金屬絲彎曲部分可作成圓弧、銳角或直角, , 如圖所如圖所示。示。 彎曲部分作成圓?。◤澢糠肿鞒蓤A弧（U U）形是最早常用的一種形）形是最早常用的一種形式式, , 制作簡(jiǎn)單但橫向效應(yīng)較大。制作簡(jiǎn)單但橫向效應(yīng)較大。 直角（直角（H H）形兩端用）形兩端用較粗的鍍銀銅線焊接較粗的鍍銀銅線焊接, , 橫向效應(yīng)相對(duì)較小橫向效應(yīng)相對(duì)較小, , 但制作工但制作工藝復(fù)雜藝復(fù)雜, , 將逐漸被橫向效應(yīng)小、將逐漸被橫向效應(yīng)小、 其他方面性能更優(yōu)其他方面性能更優(yōu)越的箔式應(yīng)變計(jì)所代替。越的箔式應(yīng)變計(jì)所代替。(a)(b)(c)箔式應(yīng)變計(jì)的線柵是通過(guò)光刻、腐蝕等工藝制

15、成很箔式應(yīng)變計(jì)的線柵是通過(guò)光刻、腐蝕等工藝制成很薄的金屬薄柵（厚度一般在薄的金屬薄柵（厚度一般在0.0030.0030.01mm0.01mm）。與絲）。與絲式應(yīng)變計(jì)相比有如下優(yōu)點(diǎn)式應(yīng)變計(jì)相比有如下優(yōu)點(diǎn): : (1)(1)工藝上能保證線柵的尺寸正確、工藝上能保證線柵的尺寸正確、 線條均勻線條均勻, , 大大批量生產(chǎn)時(shí)批量生產(chǎn)時(shí), , 阻值離散程度小。阻值離散程度小。 (2)(2)可根據(jù)需要制成任意形狀的箔式應(yīng)變計(jì)和微型可根據(jù)需要制成任意形狀的箔式應(yīng)變計(jì)和微型小基長(zhǎng)（如基長(zhǎng)為小基長(zhǎng)（如基長(zhǎng)為0.1 mm0.1 mm）的應(yīng)變計(jì)。）的應(yīng)變計(jì)。 (3) (3) 敏感柵截面積為矩形敏感柵截面積為矩形, ,

16、 表面積大表面積大, , 散熱好散熱好, , 在在相同截面情況下能通過(guò)較大電流。相同截面情況下能通過(guò)較大電流。 (4) (4) 厚度薄厚度薄, , 因此具有較好的可撓性因此具有較好的可撓性, , 它的扁平狀它的扁平狀箔柵有利于形變的傳遞。箔柵有利于形變的傳遞。 (5) (5) 蠕變小蠕變小, , 疲勞壽命高。疲勞壽命高。 (6) (6) 橫向效應(yīng)小。橫向效應(yīng)小。 (7) (7) 便于批量生產(chǎn)便于批量生產(chǎn), , 生產(chǎn)效率高。生產(chǎn)效率高。 (a)(b)(c)(d)(e)(f)幾種箔式應(yīng)變計(jì)幾種箔式應(yīng)變計(jì)薄膜式應(yīng)變計(jì)是采用真空濺射或真空沉積技術(shù)薄膜式應(yīng)變計(jì)是采用真空濺射或真空沉積技術(shù), , 在薄在薄

17、的絕緣基片上蒸鍍金屬電阻薄膜（厚度在零點(diǎn)幾納米到的絕緣基片上蒸鍍金屬電阻薄膜（厚度在零點(diǎn)幾納米到幾百納米）幾百納米）, , 再加上保護(hù)層制成。再加上保護(hù)層制成。 其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高, , 允許通過(guò)的電流密度大允許通過(guò)的電流密度大, , 工作溫度范圍廣工作溫度范圍廣, , 可工作于可工作于- -197197317317C, C, 也可用于核輻射等特殊情況下。也可用于核輻射等特殊情況下。制作應(yīng)變計(jì)敏感元件的金屬材料應(yīng)有如下要求制作應(yīng)變計(jì)敏感元件的金屬材料應(yīng)有如下要求: : (1)(1)k k0 0大大, , 并在盡可能大的范圍內(nèi)保持常數(shù)。并在盡可能大的范圍內(nèi)保持常數(shù)。 (2)(2)電

18、阻率電阻率大。大。 這樣這樣, , 在一定電阻值要求下在一定電阻值要求下, , 同同樣線徑樣線徑, , 所需電阻絲長(zhǎng)度短。所需電阻絲長(zhǎng)度短。 (3)(3)電阻溫度系數(shù)小。高溫使用時(shí)電阻溫度系數(shù)小。高溫使用時(shí), , 還要求耐高溫還要求耐高溫氧化性能好。氧化性能好。 (4)(4)具有良好的加工焊接性能。具有良好的加工焊接性能。常用的敏感元件材料是康銅（銅鎳合金）、鎳鉻合常用的敏感元件材料是康銅（銅鎳合金）、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、金、鐵鉻鋁合金、 鐵鎳鉻合金等。鐵鎳鉻合金等。 常溫下使用的應(yīng)常溫下使用的應(yīng)變計(jì)多由康銅制成。變計(jì)多由康銅制成。 半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)應(yīng)用較普遍的有半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)應(yīng)用較普遍的有體型、

19、薄膜型、擴(kuò)散型、外延型等。體型、薄膜型、擴(kuò)散型、外延型等。體型半導(dǎo)體應(yīng)變體型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)是將晶片按一定取向切片、研磨、再切割成細(xì)條計(jì)是將晶片按一定取向切片、研磨、再切割成細(xì)條, , 粘貼于基片上制作而成。粘貼于基片上制作而成。5.6 5.6 應(yīng)變片命名規(guī)則應(yīng)變片命名規(guī)則 應(yīng)變計(jì)類別應(yīng)變計(jì)類別: : B B 箔式箔式 T T 特殊用途特殊用途基底材料類別基底材料類別: :F F 酚醛類酚醛類 H H環(huán)氧類環(huán)氧類 A A聚酰亞胺聚酰亞胺 B B玻璃纖維浸膠玻璃纖維浸膠 標(biāo)稱電阻（標(biāo)稱電阻（）: : 120 175 350 500 700 1000 1500 120 175 350 500 700

20、1000 1500應(yīng)變計(jì)柵長(zhǎng)（應(yīng)變計(jì)柵長(zhǎng)（mmmm）: 3: 3等等敏感柵結(jié)構(gòu)形狀敏感柵結(jié)構(gòu)形狀: :AAAA單軸片單軸片 HAHA4545雙聯(lián)片雙聯(lián)片 GBGB半橋片半橋片 FGFG全橋片全橋片 KAKA圓片圓片材料線膨脹系數(shù)材料線膨脹系數(shù): :銅銅CuCu1111 鋁鋁AlAl2323 不銹鋼不銹鋼1616 可自補(bǔ)償蠕變標(biāo)號(hào)可自補(bǔ)償蠕變標(biāo)號(hào): : T5 T3 T1 T8 T6 T4 T2 T0T5 T3 T1 T8 T6 T4 T2 T0 N2 N4 N6 N8 N0 N1 N3 N5 N7 N9N2 N4 N6 N8 N0 N1 N3 N5 N7 N9蠕變由負(fù)到正。蠕變由負(fù)到正。舉例舉例

21、: B F 350-3 AA 23 T0 : B F 350-3 AA 23 T0 （箔式（箔式, , 酚醛類基酚醛類基底材料底材料, , 標(biāo)稱電阻標(biāo)稱電阻350 , 350 , 應(yīng)變計(jì)應(yīng)變計(jì)柵長(zhǎng)柵長(zhǎng) 3 mm, 3 mm, 單軸片單軸片, , 材料線膨脹系數(shù)鋁材料線膨脹系數(shù)鋁AlAl23, 23, 可自補(bǔ)償可自補(bǔ)償蠕變標(biāo)號(hào)蠕變標(biāo)號(hào)T0T0。 ）5.7 5.7 應(yīng)變片的主要特性及參數(shù)應(yīng)變片的主要特性及參數(shù) kk電阻應(yīng)變片的工作特性指用數(shù)據(jù)或曲線表達(dá)的應(yīng)電阻應(yīng)變片的工作特性指用數(shù)據(jù)或曲線表達(dá)的應(yīng)變片的性能和特點(diǎn)。應(yīng)變片的主要參數(shù)是指能反映變片的性能和特點(diǎn)。應(yīng)變片的主要參數(shù)是指能反映應(yīng)變片性能優(yōu)劣

22、的指標(biāo)。實(shí)際上通過(guò)應(yīng)變片的主要應(yīng)變片性能優(yōu)劣的指標(biāo)。實(shí)際上通過(guò)應(yīng)變片的主要參數(shù)就能得知其工作特性。參數(shù)就能得知其工作特性。 1 1、應(yīng)變片初始電阻值、應(yīng)變片初始電阻值R R0 0R R0 0指應(yīng)變片末貼前在室溫下測(cè)定的靜態(tài)電阻值。常指應(yīng)變片末貼前在室溫下測(cè)定的靜態(tài)電阻值。常見(jiàn)的有見(jiàn)的有6060、120120、200200、250250、600600和和10001000等類型。等類型。 2 2、靈敏系數(shù)、靈敏系數(shù)k k應(yīng)變片的靈敏系數(shù)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k k值及其誤差一般以平均靈敏系值及其誤差一般以平均靈敏系數(shù)值及相應(yīng)均方根差表示數(shù)值及相應(yīng)均方根差表示: :3 3、允許工作電流、允許工作電流I I

23、maxmax又稱最大工作電流，指允許通過(guò)應(yīng)變片而不影響其又稱最大工作電流，指允許通過(guò)應(yīng)變片而不影響其工作特性的最大電流值工作特性的最大電流值I Imaxmax。確定。確定I Imaxmax值是由多種因值是由多種因素綜合考慮的結(jié)果，一般由廠家提供。絲式應(yīng)變片素綜合考慮的結(jié)果，一般由廠家提供。絲式應(yīng)變片通常規(guī)定為通常規(guī)定為2525mAmA，但對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量或使用箔式應(yīng)變片，但對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量或使用箔式應(yīng)變片時(shí)可取得大一些。另外，選取時(shí)可取得大一些。另外，選取I Imaxmax值時(shí)還應(yīng)考慮被測(cè)值時(shí)還應(yīng)考慮被測(cè)構(gòu)件材料導(dǎo)熱性的好壞。構(gòu)件材料導(dǎo)熱性的好壞。4 4、應(yīng)變極限、應(yīng)變極限limlim應(yīng)變片所能測(cè)量的最大

24、應(yīng)變值稱為應(yīng)變極限。一般應(yīng)變片所能測(cè)量的最大應(yīng)變值稱為應(yīng)變極限。一般認(rèn)為，在室溫條件下，指示應(yīng)變降低到試件的真實(shí)認(rèn)為，在室溫條件下，指示應(yīng)變降低到試件的真實(shí)應(yīng)變的應(yīng)變的90%90%時(shí)，應(yīng)變片就已開(kāi)始失去工作能力，此時(shí)時(shí)，應(yīng)變片就已開(kāi)始失去工作能力，此時(shí)應(yīng)變片能測(cè)試應(yīng)變的最大值即應(yīng)變極限。應(yīng)變片能測(cè)試應(yīng)變的最大值即應(yīng)變極限。應(yīng)變片粘貼到試件應(yīng)變片粘貼到試件上，由于環(huán)境溫度變上，由于環(huán)境溫度變化的影響，將使電阻化的影響，將使電阻產(chǎn)生相對(duì)變化，這種產(chǎn)生相對(duì)變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的溫現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的溫度效應(yīng)。由溫度變化度效應(yīng)。由溫度變化引起的應(yīng)變輸出稱為引起的應(yīng)變輸出稱為熱輸出。熱輸出。環(huán)境溫度變化

25、量數(shù)，敏感柵材料的線膨脹系，試件材料的線膨脹系數(shù)系數(shù)敏感柵材料的電阻溫度應(yīng)變片靈敏系數(shù)起的總的電阻相對(duì)變化應(yīng)變片由溫度所引式中（tCCkRRtkkRRtsttfsttt00/ 1/ 1)/)(/)/(5 5、溫度效應(yīng)及熱輸出、溫度效應(yīng)及熱輸出t t熱輸出熱輸出t t定義為：當(dāng)應(yīng)變片安裝在某一線膨脹系定義為：當(dāng)應(yīng)變片安裝在某一線膨脹系數(shù)的試件上，試件可自由膨脹，并不受外力作用，數(shù)的試件上，試件可自由膨脹，并不受外力作用，在緩慢升在緩慢升( (或降）溫的均勻溫度場(chǎng)內(nèi)，由溫度變化引或降）溫的均勻溫度場(chǎng)內(nèi)，由溫度變化引起的指示應(yīng)變。其表達(dá)式為：起的指示應(yīng)變。其表達(dá)式為：欲使欲使t t減小，則應(yīng)使減小，

26、則應(yīng)使t t的值小，的值小，k k值大，值大，s s和和f f接近或相等。接近或相等。實(shí)際中，溫度變化所引起的熱輸出較大，有時(shí)會(huì)實(shí)際中，溫度變化所引起的熱輸出較大，有時(shí)會(huì)超過(guò)被測(cè)量值而造成較大誤差。超過(guò)被測(cè)量值而造成較大誤差。例如粘貼在鋼件上的康銅電阻絲應(yīng)變片，其靈敏系例如粘貼在鋼件上的康銅電阻絲應(yīng)變片，其靈敏系數(shù)數(shù)k=2.0k=2.0，t t=2O=2Ol0l0-6-6/，f f =15=15l0l0-6-6/，鋼，鋼件線膨脹系數(shù)件線膨脹系數(shù)s s=11=11l0l0-6-6/ / ，當(dāng)環(huán)境溫度變化，當(dāng)環(huán)境溫度變化t=10t=10時(shí)，應(yīng)變片熱輸出為：時(shí)，應(yīng)變片熱輸出為：t t2O2Ol0l0

27、-6-6/2.0+(11-15)/2.0+(11-15)l0l0-6-6 1010=60=60l0l0-6-6=60(=60()對(duì)于鋼件其彈性模量對(duì)于鋼件其彈性模量E=2OE=2Ol0l09 9PaPa， 則則=E=Et t=1.2=1.21O1O5 5(Pa)(Pa)即上述輸出相當(dāng)于在試件上加即上述輸出相當(dāng)于在試件上加31.231.21 1O O5 5PaPa的應(yīng)力，的應(yīng)力，所以必須采取措施減少或消除溫度變化的影響，即所以必須采取措施減少或消除溫度變化的影響，即必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。應(yīng)變片的誤差產(chǎn)生原因：一是由電阻絲溫度系數(shù)引應(yīng)變片的誤差產(chǎn)生原因：一是由電阻絲溫度系數(shù)引起的；二

28、是由電阻絲與被測(cè)材料的線膨脹系數(shù)的不起的；二是由電阻絲與被測(cè)材料的線膨脹系數(shù)的不同引起的。同引起的。實(shí)際中常用的補(bǔ)償方法有兩種實(shí)際中常用的補(bǔ)償方法有兩種1)1)橋路補(bǔ)償法橋路補(bǔ)償法. .用于常溫下的測(cè)量用于常溫下的測(cè)量2)2)使用溫度有補(bǔ)償應(yīng)變片，用于高溫下的測(cè)量。使用溫度有補(bǔ)償應(yīng)變片，用于高溫下的測(cè)量。5.8 5.8 電阻應(yīng)變片的選用和粘貼電阻應(yīng)變片的選用和粘貼 應(yīng)變計(jì)的粘貼工藝對(duì)于傳感器的精度起著關(guān)鍵作應(yīng)變計(jì)的粘貼工藝對(duì)于傳感器的精度起著關(guān)鍵作用。應(yīng)變計(jì)通常是用粘合劑貼到試件上的用。應(yīng)變計(jì)通常是用粘合劑貼到試件上的, , 在做應(yīng)在做應(yīng)變測(cè)量時(shí)變測(cè)量時(shí), , 是通過(guò)粘合劑所形成的膠層將試件上

29、的是通過(guò)粘合劑所形成的膠層將試件上的應(yīng)變準(zhǔn)確無(wú)誤地傳遞到應(yīng)變計(jì)的敏感柵上去的。因應(yīng)變準(zhǔn)確無(wú)誤地傳遞到應(yīng)變計(jì)的敏感柵上去的。因此此, , 粘合劑的選擇和粘貼質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到應(yīng)粘合劑的選擇和粘貼質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到應(yīng)變計(jì)的工作情況變計(jì)的工作情況, , 影響測(cè)量結(jié)果的正確性。所以影響測(cè)量結(jié)果的正確性。所以, , 應(yīng)變計(jì)粘合劑不但要求粘接力強(qiáng)應(yīng)變計(jì)粘合劑不但要求粘接力強(qiáng), , 而且要求粘合層而且要求粘合層的剪切彈性模量大的剪切彈性模量大, , 能真實(shí)地傳遞試件的應(yīng)變。另能真實(shí)地傳遞試件的應(yīng)變。另外外, , 粘合層應(yīng)有高的絕緣電阻、良好的防潮性防油粘合層應(yīng)有高的絕緣電阻、良好的防潮性防油性能以及使用

30、簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。性能以及使用簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。 對(duì)粘合劑有如下要求對(duì)粘合劑有如下要求: : (1) (1) 有一定的粘結(jié)強(qiáng)度。有一定的粘結(jié)強(qiáng)度。(2) (2) 能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變。能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變。(3) (3) 蠕變小。蠕變小。(4) (4) 機(jī)械滯后小。機(jī)械滯后小。(5) (5) 耐疲勞性能好。耐疲勞性能好。 (6) (6) 具有足夠的穩(wěn)定性能。具有足夠的穩(wěn)定性能。(7) (7) 對(duì)彈性元件和應(yīng)變計(jì)不產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用。對(duì)彈性元件和應(yīng)變計(jì)不產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用。(8) (8) 有適當(dāng)?shù)膬?chǔ)存期。有適當(dāng)?shù)膬?chǔ)存期。(9) (9) 應(yīng)有較大的溫度使用范圍。應(yīng)有較大的溫度使用范圍。1 1、電橋的特點(diǎn)、電橋的特點(diǎn)當(dāng)四個(gè)橋臂

31、電阻達(dá)到某一關(guān)系時(shí)，電橋輸出為零，通當(dāng)四個(gè)橋臂電阻達(dá)到某一關(guān)系時(shí)，電橋輸出為零，通過(guò)檢流計(jì)來(lái)測(cè)量，可測(cè)微小的電阻變化。過(guò)檢流計(jì)來(lái)測(cè)量，可測(cè)微小的電阻變化。URRRRRRRRUUUACBC)(4321423104231RRRRU0R1R2R3R4ABCDU平衡時(shí)：平衡時(shí)：測(cè)量前應(yīng)調(diào)零，使輸出值只測(cè)量前應(yīng)調(diào)零，使輸出值只與電阻的應(yīng)變相關(guān)與電阻的應(yīng)變相關(guān)5.9 5.9 電阻應(yīng)變傳感器的測(cè)量電路電阻應(yīng)變傳感器的測(cè)量電路URRRRRRRRRRRRU)()(443322112212102 2、工作原理：、工作原理：條件：條件： 電橋負(fù)載電阻無(wú)窮大，電橋負(fù)載電阻無(wú)窮大，R Ri i R Ri i 有：有：1

32、 1）對(duì)稱情況：）對(duì)稱情況： R R1 1為應(yīng)變片并且為應(yīng)變片并且 R R1 1 = R = R2 2 ，R R3 3 = R = R4 4 則：則：KURRURRRRRRRRUU44)(411443322110應(yīng)變前相等應(yīng)變前相等2 2）非對(duì)稱情況：）非對(duì)稱情況：R R1 1 = R = R4 4，R R2 2 = R = R3 3如令如令 ：R R2 2 / R / R1 1 = R = R3 3 / R / R4 4 = =則：則：12412441124433221120)1 (4)()1 (2)()1 (2)()1 (2KUKURRRRURRRRRRRRUUR1R2R3R4ABCDUU

33、0但若采用：但若采用：R R1 1 = R= R2 2 = R = R3 3 = R = R4 4 R R1 1為拉應(yīng)變片為拉應(yīng)變片R R2 2 為壓應(yīng)變片為壓應(yīng)變片則：則：12122114433221102)(4)(4)(4KUKURRRRURRRRRRRRUU靈敏度為單臂靈敏度為單臂電橋的電橋的2 2倍倍R1R2R3R4ABCDUU03 3）全對(duì)稱情況：）全對(duì)稱情況：R R1 1 = R = R2 2 = R = R3 3 = R = R4 4 均為應(yīng)變片均為應(yīng)變片 RRi i / R / Ri i =K=Ki i 則：則：143210)(4UKUKU靈敏度為單臂靈敏度為單臂電橋的電橋的4

34、 4倍倍R1R2R3R4ABCDUU0結(jié)論：結(jié)論：差動(dòng)電橋靈敏度高，無(wú)非線性誤差，并有溫度補(bǔ)差動(dòng)電橋靈敏度高，無(wú)非線性誤差，并有溫度補(bǔ)償作用。償作用。電橋靈敏度正比于電橋供電電壓，但提高電壓受電橋靈敏度正比于電橋供電電壓，但提高電壓受到應(yīng)變片允許功率的限制。采用高內(nèi)阻的恒流源供到應(yīng)變片允許功率的限制。采用高內(nèi)阻的恒流源供電電橋可減少非線性誤差。電電橋可減少非線性誤差。3.3.溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差及其補(bǔ)償1 1）溫度誤差產(chǎn)生的原因）溫度誤差產(chǎn)生的原因把應(yīng)變計(jì)安裝在自由膨脹的試件上把應(yīng)變計(jì)安裝在自由膨脹的試件上, , 即使試件不即使試件不受任何外力作用受任何外力作用, , 如果環(huán)境溫度發(fā)生變化

35、如果環(huán)境溫度發(fā)生變化, , 應(yīng)變計(jì)應(yīng)變計(jì)的電阻也將發(fā)生變化。的電阻也將發(fā)生變化。 這種變化疊加在測(cè)量結(jié)果這種變化疊加在測(cè)量結(jié)果中將產(chǎn)生很大誤差。這種由于環(huán)境溫度改變而帶來(lái)中將產(chǎn)生很大誤差。這種由于環(huán)境溫度改變而帶來(lái)的誤差的誤差, , 稱為應(yīng)變計(jì)的溫度誤差稱為應(yīng)變計(jì)的溫度誤差, , 又稱熱輸出。又稱熱輸出。 v產(chǎn)生溫度誤差的原因有二產(chǎn)生溫度誤差的原因有二: : 敏感柵金屬絲電阻本身隨溫度發(fā)生變化。敏感柵金屬絲電阻本身隨溫度發(fā)生變化。試件材料與應(yīng)變絲材料的線膨脹系數(shù)不一試件材料與應(yīng)變絲材料的線膨脹系數(shù)不一, , 使應(yīng)使應(yīng)變絲產(chǎn)生附加變形而造成的電阻變化。變絲產(chǎn)生附加變形而造成的電阻變化。2 2）電

36、阻應(yīng)變片的補(bǔ)償）電阻應(yīng)變片的補(bǔ)償實(shí)際工作中，由于溫度變化所引起的熱輸出較大，實(shí)際工作中，由于溫度變化所引起的熱輸出較大，所以必須采取措施以減少或消除溫度變化的影響，所以必須采取措施以減少或消除溫度變化的影響，即必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。同時(shí)，溫度變化也影響零點(diǎn)即必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。同時(shí)，溫度變化也影響零點(diǎn)和靈敏度。電橋平衡時(shí)，各橋臂應(yīng)變片的電阻總會(huì)和靈敏度。電橋平衡時(shí)，各橋臂應(yīng)變片的電阻總會(huì)有一定偏差，電橋總有一定的輸出，也需補(bǔ)償，另有一定偏差，電橋總有一定的輸出，也需補(bǔ)償，另外非線性也需補(bǔ)償。外非線性也需補(bǔ)償。 a.a.熱輸出補(bǔ)償熱輸出補(bǔ)償熱輸出補(bǔ)償?shù)膬煞N方法是應(yīng)變片溫度自補(bǔ)償法和熱輸出補(bǔ)償?shù)膬煞N方法

37、是應(yīng)變片溫度自補(bǔ)償法和橋路補(bǔ)償法。橋路補(bǔ)償法。i.i. 應(yīng)變片溫度自補(bǔ)償法是通過(guò)精心選配敏感柵材與應(yīng)變片溫度自補(bǔ)償法是通過(guò)精心選配敏感柵材與結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱輸出補(bǔ)償?shù)摹?shí)際使用應(yīng)變片結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱輸出補(bǔ)償?shù)?。?shí)際使用應(yīng)變片時(shí)，主要根據(jù)試件材料來(lái)選擇帶溫度自補(bǔ)償?shù)膽?yīng)時(shí)，主要根據(jù)試件材料來(lái)選擇帶溫度自補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變片。補(bǔ)償方法有：變片。補(bǔ)償方法有： 單絲自補(bǔ)償法單絲自補(bǔ)償法 雙絲自補(bǔ)償法雙絲自補(bǔ)償法ii.ii.橋路補(bǔ)償法是利用電橋的和、差原理實(shí)現(xiàn)溫度誤橋路補(bǔ)償法是利用電橋的和、差原理實(shí)現(xiàn)溫度誤差的補(bǔ)償，補(bǔ)償方法有：差的補(bǔ)償，補(bǔ)償方法有： 補(bǔ)償片法補(bǔ)償片法 差動(dòng)補(bǔ)償法差動(dòng)補(bǔ)償法 熱敏電阻補(bǔ)償法。熱敏電

38、阻補(bǔ)償法。補(bǔ)償片法補(bǔ)償片法選取型號(hào)和特性完全選取型號(hào)和特性完全相同相同( (靈敏系數(shù)、電阻靈敏系數(shù)、電阻溫度系數(shù)、線膨脹系數(shù)溫度系數(shù)、線膨脹系數(shù)相同相同) )的兩只應(yīng)變片，的兩只應(yīng)變片，一只粘貼在被測(cè)試件上一只粘貼在被測(cè)試件上作為工作片，另一只粘作為工作片，另一只粘貼在與被測(cè)試件的結(jié)構(gòu)貼在與被測(cè)試件的結(jié)構(gòu)和材料相同而不受應(yīng)力和材料相同而不受應(yīng)力的補(bǔ)償塊上，作補(bǔ)償片，的補(bǔ)償塊上，作補(bǔ)償片，并使補(bǔ)償塊與被測(cè)試件并使補(bǔ)償塊與被測(cè)試件處于相同溫度環(huán)境下。處于相同溫度環(huán)境下。圖圖5 57 7 利用補(bǔ)償應(yīng)變片利用補(bǔ)償應(yīng)變片 進(jìn)行溫度補(bǔ)償進(jìn)行溫度補(bǔ)償設(shè)工作片為設(shè)工作片為R Rl l，補(bǔ)償片為，補(bǔ)償片為R R

39、2 2，它們分別接入相鄰橋臂，它們分別接入相鄰橋臂，組成臥式電橋，如圖組成臥式電橋，如圖5-75-7所所示。示。由于兩只應(yīng)變片所受環(huán)境溫度相同，工作片和補(bǔ)償片由于兩只應(yīng)變片所受環(huán)境溫度相同，工作片和補(bǔ)償片產(chǎn)生的熱輸出產(chǎn)生的熱輸出( (熱應(yīng)變熱應(yīng)變) )相等。當(dāng)被測(cè)試件受力為相等。當(dāng)被測(cè)試件受力為F F，并，并有溫度變化有溫度變化t t時(shí)，工作片電阻由原來(lái)的時(shí)，工作片電阻由原來(lái)的R Rl l變?yōu)樽優(yōu)镽R1 1，即即tFRRRR1111而補(bǔ)償片的電阻值由原來(lái)的而補(bǔ)償片的電阻值由原來(lái)的R R2 2變?yōu)樽優(yōu)镽R2 2，即即tRRR222式中式中R RlFlF是由于受力引起的電阻變化，則是由于受力引起的

40、電阻變化，則)()(432142310RRRRURRRRuiiURRRRu)(2)(212104/4)22(21110iiFitFFUkURRURRRRu可見(jiàn)，電壓輸出中溫度變化所產(chǎn)生的熱輸出已經(jīng)消除?？梢?jiàn)，電壓輸出中溫度變化所產(chǎn)生的熱輸出已經(jīng)消除。把把RR1 1 ，RR2 2 ，R R1 1=R=R2 2=R, =R, R RlTlT = = R R2T 2T = = R RT T 代代入上式得入上式得 式中式中R R3 3，R R4 4為平衡電阻，是固定值，而為平衡電阻，是固定值，而R R3 3=R=R4 4=R=R0 0，所以所以差動(dòng)補(bǔ)償法差動(dòng)補(bǔ)償法有時(shí)根據(jù)被測(cè)試件的應(yīng)變情況有時(shí)根據(jù)被測(cè)

41、試件的應(yīng)變情況, , 亦可不專門設(shè)補(bǔ)亦可不專門設(shè)補(bǔ)償件償件, , 而將補(bǔ)償片亦貼在被測(cè)試件上而將補(bǔ)償片亦貼在被測(cè)試件上, , 使其既能起使其既能起到溫度補(bǔ)償作用到溫度補(bǔ)償作用, , 又能提高靈敏度。又能提高靈敏度。【例如】構(gòu)件作純彎曲形變時(shí)【例如】構(gòu)件作純彎曲形變時(shí), , 構(gòu)件面上部的應(yīng)變構(gòu)件面上部的應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變, , 下部為壓應(yīng)變下部為壓應(yīng)變, , 且兩者絕對(duì)值相等符號(hào)且兩者絕對(duì)值相等符號(hào)相反。相反。 測(cè)量時(shí)可將測(cè)量時(shí)可將R R貼在被測(cè)試件的下面，接入貼在被測(cè)試件的下面，接入電橋中。電橋中。 由于在外力矩由于在外力矩M M作用下作用下, , R RB B與與R R1 1的變化值的變化

42、值大小相等符號(hào)相反大小相等符號(hào)相反, , 電橋的輸出電壓增加一倍。此電橋的輸出電壓增加一倍。此時(shí)時(shí)R RB B既起到了溫度補(bǔ)償作用既起到了溫度補(bǔ)償作用, , 又提高了靈敏度又提高了靈敏度, , 而而且可補(bǔ)償非線性誤差。且可補(bǔ)償非線性誤差。RRUR1UscRBR1FFRBR1RBMM熱敏電阻補(bǔ)償法熱敏電阻補(bǔ)償法如圖所示，電路輸出電如圖所示，電路輸出電壓為：壓為：RRRRURRRRRRRRUtt432132410溫度升高時(shí)，溫度升高時(shí)，R1R1阻值將阻值將升高，如果不加熱敏電升高，如果不加熱敏電阻，則輸出會(huì)升高。阻，則輸出會(huì)升高。432132410URRRRRRRRU加入熱敏電阻時(shí)，熱敏加入熱敏電

43、阻時(shí)，熱敏電阻也升高，則電阻也升高，則UU會(huì)降會(huì)降低，則低，則U U也會(huì)降低。也會(huì)降低。tttRRRURRRRUU1)1000/(4UURRz（b b）傳感器電路補(bǔ)償）傳感器電路補(bǔ)償要保持傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定、精確地工作，需進(jìn)行電路要保持傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定、精確地工作，需進(jìn)行電路補(bǔ)償。如圖補(bǔ)償。如圖5 58 8所示為典型傳感器電路。圖中所示為典型傳感器電路。圖中R Rz z為初為初始不平衡輸出補(bǔ)償串聯(lián)電阻。其材料一般用電阻率、始不平衡輸出補(bǔ)償串聯(lián)電阻。其材料一般用電阻率、電阻溫度系數(shù)和應(yīng)變靈敏系數(shù)都低的錳銅或康銅絲，電阻溫度系數(shù)和應(yīng)變靈敏系數(shù)都低的錳銅或康銅絲，其值可按下式計(jì)算：其值可按下式計(jì)算：圖圖5

44、8 典型傳感器電路典型傳感器電路 R Rz z通常為通常為11左右。左右。 R Rt t用于零點(diǎn)漂移補(bǔ)償。零點(diǎn)漂用于零點(diǎn)漂移補(bǔ)償。零點(diǎn)漂移指不受載荷時(shí)，當(dāng)溫度變化電橋就有輸出。移指不受載荷時(shí)，當(dāng)溫度變化電橋就有輸出。 R Rt t值通常也是值通常也是11左右。左右。加于電源兩端的兩個(gè)加于電源兩端的兩個(gè)R RE E/2/2用于輸出靈敏度漂移補(bǔ)償，用于輸出靈敏度漂移補(bǔ)償，其值根據(jù)彈性元件材料與補(bǔ)償電阻材料來(lái)選取。其值根據(jù)彈性元件材料與補(bǔ)償電阻材料來(lái)選取。串接于電源兩端的兩個(gè)串接于電源兩端的兩個(gè)R RS S/2/2用于輸出靈敏度調(diào)整，用于輸出靈敏度調(diào)整，它采用電阻溫度系數(shù)小的材料制成，其值可由下式它

45、采用電阻溫度系數(shù)小的材料制成，其值可由下式確定，一般為幾千歐姆。確定，一般為幾千歐姆。LLLESLkRRRR/)(4 4、測(cè)量電路、測(cè)量電路對(duì)于應(yīng)變片組成的測(cè)量電橋，通常其輸出電信號(hào)對(duì)于應(yīng)變片組成的測(cè)量電橋，通常其輸出電信號(hào)還是較弱，還須進(jìn)一步放大。還是較弱，還須進(jìn)一步放大。1 1）直流電橋）直流電橋構(gòu)成的測(cè)量電路框圖如圖構(gòu)成的測(cè)量電路框圖如圖5 59 9所示。所示。2 2）交流電橋）交流電橋構(gòu)成的測(cè)量電路框圖如圖構(gòu)成的測(cè)量電路框圖如圖5 51010所示。其工作原理是：所示。其工作原理是：當(dāng)試件受力變形時(shí)，應(yīng)變片即產(chǎn)生電阻變化，改變來(lái)當(dāng)試件受力變形時(shí)，應(yīng)變片即產(chǎn)生電阻變化，改變來(lái)自振蕩器的載波

46、的振幅大小，也即調(diào)幅，將調(diào)幅波經(jīng)自振蕩器的載波的振幅大小，也即調(diào)幅，將調(diào)幅波經(jīng)放大后由相敏檢波器將調(diào)幅波的幅值變化波形取出來(lái)，放大后由相敏檢波器將調(diào)幅波的幅值變化波形取出來(lái)，也即解調(diào)。經(jīng)低通濾波后得到反映被測(cè)應(yīng)變大小、方也即解調(diào)。經(jīng)低通濾波后得到反映被測(cè)應(yīng)變大小、方向（符號(hào)）的電壓信號(hào)。向（符號(hào)）的電壓信號(hào)。5.10 5.10 半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片圖圖5 511 11 半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片(a)(a)體型（粘貼式）；體型（粘貼式）；(b)(b)薄膜型；薄膜型；(c)(c)擴(kuò)散型擴(kuò)散型根據(jù)其制造工藝及安裝方法不同，分為體型、薄膜型、擴(kuò)散根據(jù)其制造工藝及安裝方法不同，分為體型、薄膜型、擴(kuò)散

47、型。型。1.1.體型半導(dǎo)體應(yīng)變片體型半導(dǎo)體應(yīng)變片它是一種粘貼式應(yīng)變片，如圖它是一種粘貼式應(yīng)變片，如圖5-11(a)5-11(a)所示。因此所使用的所示。因此所使用的粘貼技術(shù)與金屬應(yīng)變片相同，但半導(dǎo)體應(yīng)變片較脆、易損壞。粘貼技術(shù)與金屬應(yīng)變片相同，但半導(dǎo)體應(yīng)變片較脆、易損壞。體型半導(dǎo)體應(yīng)變片又分為一般型、溫度自補(bǔ)型、靈敏度補(bǔ)償體型半導(dǎo)體應(yīng)變片又分為一般型、溫度自補(bǔ)型、靈敏度補(bǔ)償型、高阻型、超線性型、型、高阻型、超線性型、P P一一N N組合型等不同特點(diǎn)的應(yīng)變片。組合型等不同特點(diǎn)的應(yīng)變片。2.2.薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片它是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶絕緣層的它是利用真空沉積技術(shù)

48、將半導(dǎo)體材料沉積在帶絕緣層的基底上制成的。結(jié)構(gòu)如圖基底上制成的。結(jié)構(gòu)如圖5-11(b)5-11(b)所示。其靈敏系數(shù)、溫所示。其靈敏系數(shù)、溫度系數(shù)與電阻溫度系數(shù)較其他類型半導(dǎo)體應(yīng)變片低，使度系數(shù)與電阻溫度系數(shù)較其他類型半導(dǎo)體應(yīng)變片低，使用溫度范圍為用溫度范圍為-150-150一一2OO2OO。它也是粘貼式應(yīng)變片。它也是粘貼式應(yīng)變片。3.3.擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片它是在半導(dǎo)體材料硅的基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散它是在半導(dǎo)體材料硅的基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻構(gòu)成的，結(jié)構(gòu)如圖電阻構(gòu)成的，結(jié)構(gòu)如圖5-11(c)5-11(c)所示。其特點(diǎn)是穩(wěn)定性好、所示。其特點(diǎn)是穩(wěn)定性好、機(jī)械滯后、

49、蠕變小。但其線性度較金屬與體型的差，靈機(jī)械滯后、蠕變小。但其線性度較金屬與體型的差，靈敏系數(shù)、溫度系數(shù)與體型相同，都較金屬和薄膜型大。敏系數(shù)、溫度系數(shù)與體型相同，都較金屬和薄膜型大。4 4半導(dǎo)體應(yīng)變片的特性半導(dǎo)體應(yīng)變片的特性(1)(1)線性度線性度半導(dǎo)體應(yīng)變片在幾百微應(yīng)變范圍內(nèi)輸出輸入特性呈線性半導(dǎo)體應(yīng)變片在幾百微應(yīng)變范圍內(nèi)輸出輸入特性呈線性關(guān)系，超出此范圍則為非線性。關(guān)系，超出此范圍則為非線性。P P型硅的線性范圍較型硅的線性范圍較N N型型硅的大，它在拉伸時(shí)比壓縮時(shí)線性好。硅的大，它在拉伸時(shí)比壓縮時(shí)線性好。N N型硅的壓應(yīng)變線型硅的壓應(yīng)變線性較其拉應(yīng)變好。采用性較其拉應(yīng)變好。采用P P、N

50、 N型并聯(lián)的雙元件應(yīng)變片，可型并聯(lián)的雙元件應(yīng)變片，可改善其非線性，也可用其他非線性補(bǔ)償方法。改善其非線性，也可用其他非線性補(bǔ)償方法。(2)(2)電阻溫度特性電阻溫度特性其電阻溫度系數(shù)較金屬應(yīng)變片大其電阻溫度系數(shù)較金屬應(yīng)變片大1 12 2個(gè)數(shù)量級(jí)，須用溫個(gè)數(shù)量級(jí)，須用溫度補(bǔ)償。度補(bǔ)償。(3)(3)靈敏度溫度特性靈敏度溫度特性半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變片的大許多，但其半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變片的大許多，但其靈敏系數(shù)在溫度變化時(shí)變化也相對(duì)大，因此溫度變化時(shí)靈敏系數(shù)在溫度變化時(shí)變化也相對(duì)大，因此溫度變化時(shí)要給予補(bǔ)償。要給予補(bǔ)償。5.5.溫度補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償溫度補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償(1)(1)

51、溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償采用電橋電路補(bǔ)償采用電橋電路補(bǔ)償: :用同型號(hào)、同溫度特性的兩片或四用同型號(hào)、同溫度特性的兩片或四片接成差動(dòng)半橋或全橋工作，則可提高靈敏度，減小或片接成差動(dòng)半橋或全橋工作，則可提高靈敏度，減小或消除溫度誤差。消除溫度誤差。采用熱敏電阻補(bǔ)償采用熱敏電阻補(bǔ)償: :在轉(zhuǎn)換電橋的電源輸入回路中串入在轉(zhuǎn)換電橋的電源輸入回路中串入負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，可實(shí)現(xiàn)靈敏系數(shù)溫度補(bǔ)償。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，可實(shí)現(xiàn)靈敏系數(shù)溫度補(bǔ)償。使用使用P P一一N N組合型半導(dǎo)體應(yīng)變片組合型半導(dǎo)體應(yīng)變片: :將將P P型和型和N N型應(yīng)變片粘貼型應(yīng)變片粘貼在彈性敏感元件上，組成同一力方向上電橋相鄰兩臂，在彈性敏感元件

52、上，組成同一力方向上電橋相鄰兩臂，當(dāng)溫度變化時(shí)，它們的電阻變化率符號(hào)相反，大小相等，當(dāng)溫度變化時(shí)，它們的電阻變化率符號(hào)相反，大小相等，則可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。則可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。(2)(2)非線性補(bǔ)償非線性補(bǔ)償半導(dǎo)體應(yīng)變片在大應(yīng)變時(shí)非線性嚴(yán)重，需作補(bǔ)償。利半導(dǎo)體應(yīng)變片在大應(yīng)變時(shí)非線性嚴(yán)重，需作補(bǔ)償。利用預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償用預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償: :高于工作溫度下粘貼高于工作溫度下粘貼N N型應(yīng)變片于較高膨型應(yīng)變片于較高膨脹系數(shù)的彈性元件上，冷卻后相當(dāng)于受預(yù)壓力，使應(yīng)變脹系數(shù)的彈性元件上，冷卻后相當(dāng)于受預(yù)壓力，使應(yīng)變片線性范圍增加。片線性范圍增加。利用利用P P一一N N組合型補(bǔ)償組合型補(bǔ)償:P:P型和型和N N型應(yīng)變片

53、的靈敏系數(shù)非線型應(yīng)變片的靈敏系數(shù)非線性方向相反，組合后則可減小非線性誤差。性方向相反，組合后則可減小非線性誤差。 5.11 5.11 電阻應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)用1.1.電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用特點(diǎn)電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用特點(diǎn)電阻應(yīng)變片有兩方面的應(yīng)用電阻應(yīng)變片有兩方面的應(yīng)用: :作為敏感元件，直接作為敏感元件，直接用于被測(cè)試件的應(yīng)變測(cè)量用于被測(cè)試件的應(yīng)變測(cè)量; ;作為轉(zhuǎn)換元件，通過(guò)彈性作為轉(zhuǎn)換元件，通過(guò)彈性元件構(gòu)成傳感器，用以對(duì)任何能轉(zhuǎn)換成彈性元件應(yīng)變?cè)?gòu)成傳感器，用以對(duì)任何能轉(zhuǎn)換成彈性元件應(yīng)變的其他物理量的間接測(cè)量。的其他物理量的間接測(cè)量。應(yīng)變片式傳感器有如下特點(diǎn)應(yīng)變片式傳感器

54、有如下特點(diǎn): :應(yīng)用和測(cè)量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機(jī)械量傳感應(yīng)用和測(cè)量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機(jī)械量傳感器。器。分辨力和靈敏度高，精度較高。分辨力和靈敏度高，精度較高。結(jié)構(gòu)輕小，對(duì)試件影響小，對(duì)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)輕小，對(duì)試件影響小，對(duì)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在高溫、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)等特殊環(huán)境中使用，頻率響可在高溫、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)等特殊環(huán)境中使用，頻率響應(yīng)好。應(yīng)好。商品化，選用方便。便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動(dòng)化測(cè)量。商品化，選用方便。便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動(dòng)化測(cè)量。F被測(cè)力，被測(cè)力，N；E彈性模量，彈性模量，N/m2A柱形截面積，柱形截面積，m2圖圖5 512 12 柱形彈性元件測(cè)力傳感器柱形彈性元件測(cè)力傳感器

55、2.2.測(cè)力傳感器測(cè)力傳感器應(yīng)變片式傳感器的最大用武之地是稱重和測(cè)力領(lǐng)域。測(cè)力應(yīng)變片式傳感器的最大用武之地是稱重和測(cè)力領(lǐng)域。測(cè)力傳感器由應(yīng)變片、彈性元件和一些附件組成。視彈性元件傳感器由應(yīng)變片、彈性元件和一些附件組成。視彈性元件結(jié)構(gòu)形式和受載性質(zhì)不同有許多種類。結(jié)構(gòu)形式和受載性質(zhì)不同有許多種類。(1)(1)柱筒形彈性元件式測(cè)力傳感器柱筒形彈性元件式測(cè)力傳感器應(yīng)變片布片和電橋連接如圖應(yīng)變片布片和電橋連接如圖5-125-12所示。其彈性元件應(yīng)變值所示。其彈性元件應(yīng)變值為為:=F/AE:=F/AE。圖中。圖中R Rl l、R R3 3為工作應(yīng)變片，為工作應(yīng)變片，R R2 2、R R4 4為補(bǔ)償片。為

56、補(bǔ)償片。輸出電壓為：輸出電壓為：U U0 0=k(1+=k(1+)U)Ui iF F/(2AE) /(2AE) 該傳感器適用于較大載荷的拉該傳感器適用于較大載荷的拉( (壓壓) )力和稱重測(cè)量。力和稱重測(cè)量。圖圖513 懸臂梁式測(cè)力傳感器懸臂梁式測(cè)力傳感器(2)(2)懸臂梁式測(cè)力傳感器懸臂梁式測(cè)力傳感器應(yīng)變片布片和電橋連接如圖應(yīng)變片布片和電橋連接如圖5-5-1313所示。其彈性元件應(yīng)變值為：所示。其彈性元件應(yīng)變值為：=6Fl/(Ebh=6Fl/(Ebh2 2) )。圖中。圖中R Rl l、R R2 2、R R3 3、R R4 4既作工作應(yīng)變片又作為補(bǔ)償片。既作工作應(yīng)變片又作為補(bǔ)償片。輸出電壓為

57、：輸出電壓為： U U0 0=6klU=6klUi iF/(EbhF/(Ebh2 2) ) 該傳感器適用于小載荷測(cè)量該傳感器適用于小載荷測(cè)量 (1(1一一10103 3) )N N。梁式傳感器外形梁式傳感器外形(3)(3)位移傳感器位移傳感器應(yīng)變式線位移傳感器典型結(jié)構(gòu)原理與圖應(yīng)變式線位移傳感器典型結(jié)構(gòu)原理與圖5-135-13相同。相同。當(dāng)被測(cè)體產(chǎn)生位移時(shí)，梁隨之產(chǎn)生與位移相等的撓當(dāng)被測(cè)體產(chǎn)生位移時(shí)，梁隨之產(chǎn)生與位移相等的撓度，因而應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。小撓度下，撓度度，因而應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。小撓度下，撓度與應(yīng)變成正比。與應(yīng)變成正比。3.3.其他應(yīng)變式傳感器其他應(yīng)變式傳感器除上述主要應(yīng)變式傳

58、感器外，還可構(gòu)成其他應(yīng)變除上述主要應(yīng)變式傳感器外，還可構(gòu)成其他應(yīng)變式傳感器。如由質(zhì)量塊與彈性元件的作用，可將被式傳感器。如由質(zhì)量塊與彈性元件的作用，可將被測(cè)加速度轉(zhuǎn)換成彈性應(yīng)變，從而構(gòu)成應(yīng)變式加速度測(cè)加速度轉(zhuǎn)換成彈性應(yīng)變，從而構(gòu)成應(yīng)變式加速度傳感器。傳感器。圖圖5 514 14 應(yīng)變計(jì)傳感器應(yīng)用應(yīng)變計(jì)傳感器應(yīng)用4.4.應(yīng)用示例應(yīng)用示例 ( (基本應(yīng)用。平面膜片式壓力傳感器基本應(yīng)用。平面膜片式壓力傳感器) )（1 1）應(yīng)變片連接成全等臂橋，且）應(yīng)變片連接成全等臂橋，且R Rl l=R=R3 3=R+=R+R,R,R R2 2=R=R4 4=R=RR R，如圖，如圖5-145-14所示。應(yīng)變片的所

59、示。應(yīng)變片的k=2.0k=2.0。膜片。膜片允許最大應(yīng)變?cè)试S最大應(yīng)變=800=800,對(duì)應(yīng)壓力為對(duì)應(yīng)壓力為1010OkPaOkPa，電橋電，電橋電壓壓U Ui i為為5V5V。求最大應(yīng)變時(shí)測(cè)量電路輸出的電壓。求最大應(yīng)變時(shí)測(cè)量電路輸出的電壓U U0 0? ?當(dāng)輸當(dāng)輸出電壓出電壓U U0 0=3.2V=3.2V時(shí)，所測(cè)壓力為多少時(shí)，所測(cè)壓力為多少?A4?A4的作用是什么的作用是什么? ? iiUkRRUU/0解：該例為恒壓源供電，且為全橋差動(dòng)工作形式，則電解：該例為恒壓源供電，且為全橋差動(dòng)工作形式，則電橋輸出為：橋輸出為： 電橋輸出電壓靈敏度電橋輸出電壓靈敏度UU0 0/U/Ui i=k=2.0=

60、k=2.08008001010-6-61.6mV/U1.6mV/Ui i ，該值對(duì)應(yīng)著標(biāo)準(zhǔn)壓力，該值對(duì)應(yīng)著標(biāo)準(zhǔn)壓力 (10(10OkPaOkPa) )時(shí)對(duì)每時(shí)對(duì)每lVlV供橋供橋電壓電壓U Ui i，UU0 0為為1.6mV1.6mV。所以。所以 UU0 0 =1.6mV/U=1.6mV/Ui i5V=8(mV)5V=8(mV) 電路中，電路中，AlAl、A2A2、A3A3運(yùn)放組成同相輸入并串聯(lián)差動(dòng)運(yùn)放組成同相輸入并串聯(lián)差動(dòng)放大器，放大倍數(shù)為：放大器，放大倍數(shù)為：625102041.1281000)2020(1 )1 (521RRRRRKfhffF 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