第二章 電阻式傳感器.

1、第二章 電阻式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器是應(yīng)用廣泛的傳感器，將電阻應(yīng)變片粘貼到各種彈性敏感元件上，可構(gòu)成測(cè)量位移，加速度，力，力矩，壓力等各種參數(shù)的電阻應(yīng)變式傳感器。2.1 應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測(cè)力電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測(cè)力柱式懸臂梁式雙臂夾式雙孔梁式案例：案例：電子稱(chēng)電子稱(chēng)原理將物品重量通過(guò)懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過(guò)應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器案例：沖床生產(chǎn)記數(shù)案例：沖床生產(chǎn)記數(shù) 和生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器案例：機(jī)器人握力測(cè)量案例：機(jī)器人握力測(cè)量2.1 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器+ +- - DCDC

2、 + +6V6V + +R R A A 金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻與其電阻率及幾何尺寸阻與其電阻率及幾何尺寸（長(zhǎng)度、面積）有關(guān)，當(dāng)其（長(zhǎng)度、面積）有關(guān)，當(dāng)其受到外力作用時(shí)，這些參數(shù)受到外力作用時(shí)，這些參數(shù)發(fā)生變化，因而引起其的電發(fā)生變化，因而引起其的電阻的變化，進(jìn)而引起電流的阻的變化，進(jìn)而引起電流的變化。變化。 金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體在金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，其電阻也將隨之發(fā)生的應(yīng)變，其電阻也將隨之發(fā)生變化。變化。K電流電流: : 小小大大施加力施加力F F?RK K接通時(shí)接通時(shí)安培表指示安培表指示安培表變化安培表變化電阻：大電阻

3、：大 小小一一 工作原理工作原理1、金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)、金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬導(dǎo)體的電阻值隨其機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象。FFLL+dL2r2(r-dr)slR:電阻系數(shù)l:l:金屬導(dǎo)線長(zhǎng)度S:S:金屬導(dǎo)線截面積一一 工作原理工作原理1、金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)、金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)ldlSdSdRdR兩邊微分：ldlx軸向應(yīng)變：rdry徑向應(yīng)變：ldlrdrdRdR2lnlnlnlnsLR兩邊取對(duì)數(shù)：dRdRxx2dRdRkxx121/0靈敏系數(shù)：泊松比、泊松系數(shù)）泊松關(guān)系：(/ldlrdrxxd1)21 (物理意義：?jiǎn)挝粦?yīng)變引起的電阻相對(duì)變化。 由兩部分組成：前一部分是（1+2），由材料的幾何尺寸變

4、化引起，一般金屬0.3，因此（1+2）1.6；后一部分為 ，電阻率隨應(yīng)變而引起的（稱(chēng)“壓阻效應(yīng)”）。對(duì)金屬材料，以前者為主，則KS 1+2；對(duì)半導(dǎo)體， KS值主要由電阻率相對(duì)變化所決定。實(shí)驗(yàn)表明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變成正比。通常KS在1.83.6范圍內(nèi)。ldld/dkx12100k 電阻應(yīng)變片式傳感器是目前用于測(cè)量力、力矩、壓力、加速度、質(zhì)量等參數(shù)最廣泛的傳感器之一。 其基本結(jié)構(gòu)與組成如左圖示意。電阻絲(敏感柵)轉(zhuǎn)換元件基底與面膠中間介質(zhì)和絕緣作用蓋層引線-連接測(cè)量導(dǎo)線之用三、金屬應(yīng)變片的主要特性（1） 靈敏度系數(shù) 金屬應(yīng)變絲的電阻相對(duì)變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性

5、關(guān)系，用靈敏度系數(shù)KS表示。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻應(yīng)變特性，與金屬單絲情況不同。因此，須用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)應(yīng)變片的電阻應(yīng)變特性重新測(cè)定。實(shí)驗(yàn)表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對(duì)金屬應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化與應(yīng)變變化與應(yīng)變?cè)诤軐挼姆秶鷥?nèi)均為線性關(guān)系。在很寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系。即 K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。注意，K是在試件受一維應(yīng)力作用，應(yīng)變片的軸向與主應(yīng)力方向一致，且試件材料的泊松比為0.285的鋼材時(shí)測(cè)得的。測(cè)量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小恒小于線材的靈敏系數(shù)于線材的靈敏系數(shù)KS。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應(yīng)也是。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應(yīng)也是一個(gè)不可忽視的因素。一個(gè)不可忽視

6、的因素。 KRRRRK絲繞式應(yīng)變片敏感柵半圓弧形部分bOlrrdld0（2） 橫向效應(yīng) 金屬應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測(cè)量應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件的軸向應(yīng)變使敏感柵電阻發(fā)生變化，其橫向應(yīng)變r(jià)也將使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化(除了起作用外)，應(yīng)變片的這種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱(chēng)為橫向效應(yīng)。圖為 應(yīng)變片敏感柵半圓弧部分的形狀。沿軸向應(yīng)變?yōu)?，沿橫向應(yīng)變?yōu)閞 。 若敏感柵有n根縱柵，每根長(zhǎng)為l，半徑為r，在軸向應(yīng)變作用下，全部縱柵的變形視為L(zhǎng)1半圓弧橫柵同時(shí)受到和r的作用，在任一微小段長(zhǎng)度d l = r d上的應(yīng)變可由材料力學(xué)公式求得 每個(gè)圓弧形橫柵的變形量l為縱

7、柵為n根的應(yīng)變片共有n-1個(gè)半圓弧橫柵，全部橫柵的變形量為2cos2121rrrrrrddll200rrnL212L1= n l應(yīng)變片敏感柵的總變形為敏感柵柵絲的總長(zhǎng)為L(zhǎng)，敏感柵的靈敏系數(shù)為KS，則電阻相對(duì)變化為令 則 可見(jiàn)，敏感柵電阻的相對(duì)變化分別是和r作用的結(jié)果。rrnrnnlLLL2121221rSSSKLrnKLrnnlLLKRR2) 1(2) 1(2SxKLrnnlK2) 1(2SyKLrnK2) 1(ryxKKRR當(dāng)r=0時(shí)，可得軸向靈敏度系數(shù)同樣，當(dāng)=0時(shí)，可得橫向靈敏度系數(shù)橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)之比值，稱(chēng)為橫向效應(yīng)系數(shù)H。即 由上式可見(jiàn)，r愈小，l愈大，則H愈小。即敏感柵越

8、窄、基長(zhǎng)越長(zhǎng)的應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)引起的誤差越小。xxRRKryyRRKrnnlrnnlrnKKHxy121121（3） 機(jī)械滯后 應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特性與卸載特性不重合，即為機(jī)械滯后。性與卸載特性不重合，即為機(jī)械滯后。產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時(shí)，如果敏感柵受到不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘哒辰Y(jié)劑固化不充分。1機(jī)械應(yīng)變卸載加載指示應(yīng)變i應(yīng)變片的機(jī)械滯后 機(jī)械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時(shí)的機(jī)械應(yīng)變愈大，卸載時(shí)的滯后也愈大。所以，通常在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將

9、試件預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機(jī)械滯后所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。 （4） 零點(diǎn)漂移和蠕變 對(duì)于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時(shí)，不承受應(yīng)變時(shí)，其電對(duì)于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時(shí)，不承受應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性，稱(chēng)為應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移阻值隨時(shí)間增加而變化的特性，稱(chēng)為應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。 如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性稱(chēng)為蠕變。值隨時(shí)間增加而變化的特性稱(chēng)為蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的方向相反。產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因：

10、由于膠層之間發(fā)生“滑動(dòng)”，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。這是兩項(xiàng)衡量應(yīng)變片特性對(duì)時(shí)間穩(wěn)定性的指標(biāo)，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量中其意義更為突出。實(shí)際上，蠕變中包含零漂，它是一個(gè)特例。（5）應(yīng)變極限在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變應(yīng)變片的指示應(yīng)變i對(duì)測(cè)試值的真實(shí)應(yīng)變對(duì)測(cè)試值的真實(shí)應(yīng)變g的相的相對(duì)誤差不超過(guò)規(guī)定范圍（一般為對(duì)誤差不超過(guò)規(guī)定范圍（一般為10%）時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變值。）時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變值。在圖中，真實(shí)應(yīng)變是由于工作溫度變化或承受機(jī)械載荷，在被測(cè)試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力(包括機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力)時(shí)所引起的表面應(yīng)變。主要因素：粘結(jié)劑和基底材料傳遞變形的性能及應(yīng)變片的安裝質(zhì)量。制造與安裝應(yīng)變片時(shí)，應(yīng)選用抗剪強(qiáng)度較高的粘結(jié)

11、劑和基底材料。基底和粘結(jié)劑的厚度不宜過(guò)大，并應(yīng)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)墓袒幚恚拍塬@得較高的應(yīng)變極限。真實(shí)應(yīng)變gj指示應(yīng)變i100%90%（6） 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 當(dāng)被測(cè)應(yīng)變值隨時(shí)間變化的頻率很高時(shí)，需考慮應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)特性。因應(yīng)變片基底和粘貼膠層很薄，構(gòu)件的應(yīng)變波傳到應(yīng)變片的時(shí)間很短(估計(jì)約0.2s)，故只需考慮應(yīng)變沿應(yīng)變片軸向傳播時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 設(shè)一頻率為 f 的正弦應(yīng)變波在構(gòu)件中以速度 v 沿應(yīng)變片柵長(zhǎng)方向傳播，在某一瞬時(shí) t，應(yīng)變量沿構(gòu)件分布如圖所示。應(yīng)變片對(duì)應(yīng)變波的動(dòng)態(tài)響應(yīng)0應(yīng)變片1lx1x xx2sin0 設(shè)應(yīng)變波波長(zhǎng)為，則有= v /f。應(yīng)變片柵長(zhǎng)為L(zhǎng)，瞬時(shí)t時(shí)應(yīng)變波沿構(gòu)件分布為 應(yīng)變片中點(diǎn)的應(yīng)變

12、為 xt為t瞬時(shí)應(yīng)變片中點(diǎn)的坐標(biāo)。應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變?yōu)闁砰L(zhǎng) l范圍內(nèi)的平均應(yīng)變m，其數(shù)值等于 l 范圍內(nèi)應(yīng)變波曲線下的面積除以 l，即ttx2sin0llxxdxltxxmltltsin2sin2sin10022平均應(yīng)變m與中點(diǎn)應(yīng)變t相對(duì)誤差為lltmtmtsin11ll（%）1.620.52誤差誤差的計(jì)算結(jié)果的計(jì)算結(jié)果 1/201/10 由上式可見(jiàn)，相對(duì)誤差的大小只決定于 的比值，表中給出了為1/10和1/20時(shí)的數(shù)值。由表可知，應(yīng)變片柵長(zhǎng)與正弦應(yīng)變波的波長(zhǎng)之比愈小，相對(duì)誤差愈小。當(dāng)選中的應(yīng)變片柵長(zhǎng)為應(yīng)變波長(zhǎng)的（1/101/20）時(shí)，將小于2%。因?yàn)槭街?應(yīng)變波在試件中的傳播速度； f應(yīng)變片的

13、可測(cè)頻率。取 ，則若已知應(yīng)變波在某材料內(nèi)傳播速度若已知應(yīng)變波在某材料內(nèi)傳播速度，由上式可計(jì)算出柵長(zhǎng)，由上式可計(jì)算出柵長(zhǎng)為為L(zhǎng) L的應(yīng)變片粘貼在某種材料上的可測(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)變最高頻率。的應(yīng)變片粘貼在某種材料上的可測(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)變最高頻率。 f101llf1 .0四、 轉(zhuǎn)換電路 應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化R/R，要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能用電測(cè)儀表進(jìn)行測(cè)量。 （一）直流電橋電阻應(yīng)變片的測(cè)量線路多采用交流電橋(配交流放大器)，其原理和直流電橋相似。直流電橋比較簡(jiǎn)單，因此首先分析直流電橋，如圖所示。當(dāng)電源E為電勢(shì)源，其內(nèi)阻為零時(shí)，可求出檢流計(jì)中流過(guò)的電流Ig與電橋各參數(shù)之間的關(guān)系為 R2

14、R4R1R3E電橋線路原理圖RgACDIgB R2R4R1R3E電橋線路原理圖RgACDIgB2121212211RRIREIIIIERIRIgg4343344433RRIREIIIIERIRIggggDBgDBRRIRIRUUIRIEURIEU11333311當(dāng)R R1 1R R4 4=R R2 2R R3 3時(shí)，Ig=0，Ug=0，即電橋處于平衡狀態(tài)。若電橋的負(fù)載電阻負(fù)載電阻R Rg g為無(wú)窮大，則B、D兩點(diǎn)可視為開(kāi)路，上式可以化簡(jiǎn)為2143432143213241RRRRRRRRRRRRRRRRREIgg43213241RRRRRRRREUg式中 Rg為負(fù)載電阻，因而其輸出電壓Ug為12

15、143432143213241RRRRRRRRRRRRRRRRRERIUgggg設(shè)R1為應(yīng)變片的阻值，工作時(shí)R1有一增量R，當(dāng)為拉伸應(yīng)變時(shí)，R為正；壓縮應(yīng)變時(shí)，R為負(fù)。在上式中以R1+R代替R1，則43213241RRRRRRRRRREUg設(shè)電橋各臂均有相應(yīng)的電阻增量各臂均有相應(yīng)的電阻增量R1、R2、R3、R4時(shí) 4433221133224411RRRRRRRRRRRRRRRREUg在實(shí)際使用時(shí)，一般多采用等臂電橋或?qū)ΨQ(chēng)電橋。1 1、等臂電橋、等臂電橋當(dāng)R1=R2=R3=R4=R時(shí)，稱(chēng)為等臂電橋。此時(shí)電橋輸出可寫(xiě)為 一般情況下，Ri（i=1，2，3，4）很小，即RRi，略去上式中的高階微量，并

16、利用 式得到 43213241432122RRRRRRRRRRRRRRREUg4321432144EKRRRRRRRREUgKRR上式表明：KRR當(dāng)RiR時(shí)，輸出電壓Ug與應(yīng)變間呈線性關(guān)系。若假定不成立，則按線性關(guān)系刻度的儀表用來(lái)測(cè)量必然帶來(lái)非線性誤差。KERREUg44當(dāng)考慮單臂工作時(shí)，即AB橋臂變化R，由由上式展開(kāi)級(jí)數(shù)，得112114211424KKERRRRERRREUg3281412114KKKKEUg43213241432122RRRRRRRRRRRRRRREUg得：32328141214814121144KKKKEKKKKEKE則電橋的相對(duì)非線性誤差為可見(jiàn)，K愈大，愈大，通常K1(

17、RR)時(shí)，k/(1+k)1/2，其非線性較等臂電橋大；當(dāng)k遠(yuǎn)小于1時(shí)，其非線性可得到很好改善；當(dāng)k=1時(shí)，即為等臂電橋。若RR，忽略上式分母中 項(xiàng)，得到 可見(jiàn)，在一定應(yīng)變范圍內(nèi)，第二對(duì)稱(chēng)電橋的輸出與應(yīng)變呈線性關(guān)系，但比等臂電橋的輸出等臂電橋的輸出電壓小 倍 。RRkk1KkkERRkkEUg1212kk12411KERREUg44直流電橋穩(wěn)定度高，電源容易得到，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單。但不平衡工作時(shí)輸出電流易受工頻干擾，后接直流放大器容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。因此，常用于靈敏度高的電阻應(yīng)變式傳感器，其輸出信號(hào)不用再放大。 43213241433211UZZZZZZZZZZZZZZUUo ZZ 43213241ZZZ

18、ZZZ或，設(shè)各橋臂阻抗為:Z1= r1+jx1 = z1exp(j1) Z2= r2+jx2 = z2exp(j2) Z3= r3+jx3 = z3exp(j3) Z4= r4+jx4 = z4exp(j4) 得交流電橋平衡條件的另一形式： z1z4=z2z3 1+ 4= 2+ 3交流電橋的輸出特性及預(yù)平衡調(diào)節(jié) 設(shè)交流電橋的初始狀態(tài)是平衡的，當(dāng)工作應(yīng)變片R1改變R1后，使Z1變化了Z1，根據(jù) 43213241UZZZZZZZZUo得到： 對(duì)于起始是平衡的對(duì)稱(chēng)電橋，并略去分母中Z項(xiàng)得 例如，由于導(dǎo)線寄生電容C1的存在(圖211(b) 111111111111111111)(11CRjRCRjRC

19、RRjRRZCRjRZ一般情況下，由于導(dǎo)線寄生電容很小，電源頻率也不很高。因此，R1C1 1，R1Z1，Z1R1。可見(jiàn)，在電橋初始平衡，電源頻率不太高，導(dǎo)線寄生電容較小時(shí)，交流電橋仍可看作純電阻電橋，直流電橋的計(jì)算公式仍然適用。 五、 溫度誤差及其補(bǔ)償（1） 溫度誤差溫度誤差 用作測(cè)量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變變化，而不受其它因素的影響。實(shí)際上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測(cè)試件的溫度)影響很大。由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí)，從而產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，稱(chēng)為應(yīng)變片的溫度誤差，又稱(chēng)熱輸出。因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)主要因素：應(yīng)變片的電阻

20、絲應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵敏感柵)具有一定溫度系數(shù)；具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同。電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同。 設(shè)環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為t（）時(shí)，粘貼在試件表面的應(yīng)變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為t，則應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻相對(duì)變化為 由于敏感柵材料和被測(cè)構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)t 存在時(shí)，引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變，其值為 e試件材料線膨脹系數(shù)；g敏感柵材料線膨脹系數(shù)。 tRRt 1tget2相應(yīng)的電阻相對(duì)變化為K應(yīng)變片靈敏系數(shù)。tKRRge 2溫度變化形成的總電阻相對(duì)變化： 相應(yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)樯鲜綖閼?yīng)變片粘貼在試件表面上，當(dāng)試件不受外力作用，在上式為應(yīng)變片粘貼在試

21、件表面上，當(dāng)試件不受外力作用，在溫度變化溫度變化t 時(shí)，應(yīng)變片的溫度效應(yīng)。用應(yīng)變形式表現(xiàn)出來(lái)，稱(chēng)時(shí)，應(yīng)變片的溫度效應(yīng)。用應(yīng)變形式表現(xiàn)出來(lái)，稱(chēng)之為熱輸出。之為熱輸出?？梢?jiàn)，應(yīng)變片熱輸出的大小不僅與應(yīng)變計(jì)敏感柵材料的性能(t,g)有關(guān)，而且與被測(cè)試件材料的線膨脹系數(shù)(e)有關(guān)。 tKtRRRRRRgett 21ttKKRRgettt（2） 溫度補(bǔ)償（自補(bǔ)償法和線路補(bǔ)償法） 單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片由前式知，若使應(yīng)變片在溫度變化t時(shí)的熱輸出值為零，必須使即 每一種材料的被測(cè)試件，其線膨脹系數(shù) 都為確定值，可以在有關(guān)的材料手冊(cè)中查到。在選擇應(yīng)變片時(shí)，若應(yīng)變片的敏感柵是用單一的合金絲制成，并使其電阻溫度系數(shù) 和

22、線膨脹系數(shù) 滿足上式的條件，即可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。具有這種敏感柵的應(yīng)變片稱(chēng)為單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片。 0getKegtKetg 單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和使用都比較方便，但它必須在具有一定線膨脹系數(shù)材料的試件上使用，否則不能達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹ｋp絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片是由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負(fù)值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達(dá)到一定的溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)?，如圖。這種應(yīng)變片的自補(bǔ)償條件要求粘貼在某種試件上的兩段敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號(hào)相反，即(Ra) t= (Rb) t焊點(diǎn)RaRbaeaabebbtaatbbbaKKRRRRRR

23、補(bǔ)償效果可達(dá)0.45m。 電路補(bǔ)償法 如圖，電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關(guān)系為 式中A由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。3241RRRRAUSC橋路補(bǔ)償法USCR2R4R1R3E 由上式可知，當(dāng)R3、R4為常數(shù)時(shí)，Rl和R2對(duì)輸出電壓的作用方向相反。利用這個(gè)基本特性可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償，并且補(bǔ)償效果較好，這是最常用的補(bǔ)償方法之一。 測(cè)量應(yīng)變時(shí)，使用兩個(gè)應(yīng)變片，一片貼在被測(cè)試件的表面，圖中R1稱(chēng)為工作應(yīng)變片。另一片貼在與被測(cè)試件材料相同的補(bǔ)償塊上，圖中R2，稱(chēng)為補(bǔ)償應(yīng)變片。在工作過(guò)程中補(bǔ)償塊不承受應(yīng)變，僅隨溫度發(fā)生變形。由于R1與R2接入電橋相鄰臂上，造成R1t與R2t相同，根據(jù)電橋理論可知，其輸出電壓

24、USC與溫度無(wú)關(guān)。當(dāng)工作應(yīng)變片感受應(yīng)變時(shí)，電橋?qū)a(chǎn)生相應(yīng)輸出電壓。補(bǔ)償應(yīng)變片粘貼示意圖R1R2 若此時(shí)有應(yīng)變作用，只會(huì)引起電阻R1發(fā)生變化，R2不承受應(yīng)變。故由前式可得輸出電壓為由上式可知，電橋輸出電壓只與應(yīng)變有關(guān)，與溫度無(wú)關(guān)。為為達(dá)到完全補(bǔ)償，需滿足下列三個(gè)條件：達(dá)到完全補(bǔ)償，需滿足下列三個(gè)條件： R1和和R2須屬于同一批號(hào)的，即它們的電阻溫度系數(shù)須屬于同一批號(hào)的，即它們的電阻溫度系數(shù)、線、線膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)、應(yīng)變靈敏系數(shù)、應(yīng)變靈敏系數(shù)K都相同，兩片的初始電阻值也要求都相同，兩片的初始電阻值也要求相同；相同； 用于粘貼補(bǔ)償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件二者材料必用于粘貼補(bǔ)償片的構(gòu)件和粘貼工作片的

25、試件二者材料必須相同，即要求兩者線膨脹系數(shù)相等；須相同，即要求兩者線膨脹系數(shù)相等； 兩應(yīng)變片處于同一溫度環(huán)境中。兩應(yīng)變片處于同一溫度環(huán)境中。 RKRARRRRKRRRAUttSC3224111此方法簡(jiǎn)單易行，能在較大溫度范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償。缺點(diǎn)是三個(gè)條件不易滿足，尤其是條件。在某些測(cè)試條件下，溫度場(chǎng)梯度較大，R1和R2很難處于相同溫度點(diǎn)。根據(jù)被測(cè)試件承受應(yīng)變的情況，可以不另加專(zhuān)門(mén)的補(bǔ)償塊，而是將補(bǔ)償片貼在被測(cè)試件上，這樣既能起到溫度補(bǔ)償作用，又能提高輸出的靈敏度，如圖所示的貼法。 R1R2FFR1R2（b）（a）F圖(a)為一個(gè)梁受彎曲應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片R1和R2的變形方向相反，上面受拉，下面受壓，應(yīng)

26、變絕對(duì)值相等，符號(hào)相反，將它們接入電橋的相鄰臂后，可使輸出電壓增加一倍。當(dāng)溫度變化時(shí)，應(yīng)變片R1和R2的阻值變化的符號(hào)相同，大小相等，電橋不產(chǎn)生輸出，達(dá)到了補(bǔ)償?shù)哪康摹?(b)圖是受單向應(yīng)力的構(gòu)件，將工作應(yīng)變片R2的軸線順著應(yīng)變方向，補(bǔ)償應(yīng)變片R1的軸線和應(yīng)變方向垂直，R1和R2接入電橋相鄰臂，其輸出為構(gòu)件受彎曲應(yīng)力構(gòu)件受單向應(yīng)力121KRARUSC 另外也可以采用熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償采用熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償。如圖所示，熱敏電阻Rt與應(yīng)變片處在相同的溫度下，當(dāng)應(yīng)變片的靈敏度隨溫度升高而下降時(shí)，熱敏電阻Rt的阻值下降，使電橋的輸入電壓溫度升高而增加，從而提高電橋輸出電壓。選擇分流電阻R5的值，可以使應(yīng)變

27、片靈敏度下降對(duì)電橋輸出的影響得到很好的補(bǔ)償。USCR2R4R1R3ERtR5金屬箔式應(yīng)變片（二）（二） 金屬箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片的工作原理基本和電阻絲式應(yīng)變片相同。它的電阻敏感元件不是金屬絲柵，而是通過(guò)光刻、腐蝕等工序制成的薄金屬箔柵，故稱(chēng)箔式電阻應(yīng)變片，如圖。金屬箔的厚度般為(0.0030.010)mm，它的基片和蓋片多為膠質(zhì)膜，基片厚度一般為(0.030.05)mm。 金屬箔式應(yīng)變片和絲式應(yīng)變片相比較，有如下特點(diǎn)特點(diǎn)。 金屬箔柵很薄，因而它所感受的應(yīng)力狀態(tài)與試件表面的應(yīng)力狀態(tài)更為接近。其次，當(dāng)箔材和絲材具有同樣的截面積時(shí)，箔材與粘接層的接觸面積比絲材大，使它能更好地和試件共同工作。第三，箔柵的端部較寬，橫向效應(yīng)較小，因而提高了應(yīng)變測(cè)量的精度。 箔材表面積大，散熱條件好，故允許通過(guò)較大電流，因而可以輸出較大信號(hào)，提高了測(cè)量靈敏度。 箔柵的尺寸準(zhǔn)確、均勻，且能制成任意形狀，特別是為制造應(yīng)變花和小標(biāo)距應(yīng)變片提供了條件，從而擴(kuò)大了應(yīng)變片的使用范圍。 便于成批生產(chǎn)。