航空与机械工程学院航空与机械工程学院第三章第三章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器本章学习要求：本章学习要求：1.1.了解传感器的分类了解传感器的分类 2.2.掌掌握握金金属属应应变变片片传传感感器器的的机机构构原原理及特性理及特性 3.3.对对电电阻阻应应变变片片测测量量电电桥桥的的分分析析, ,掌掌握握电电桥桥的的结结构构、形形式式、特特点点及及相相关关的计算。的计算。机电工程测量机电工程测量航空与机械工程学院航空与机械工程学院第三章、电阻应变片式传感器第三章、电阻应变片式传感器3.1 3.1 概述概述1. 1. 传感器定义传感器定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。换成另一种信息的装置。 物理量物理量电量电量 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。号转换成电信号的装置。航空与机械工程学院航空与机械工程学院2. 2. 传感器的构成传感器的构成 传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。阻抗匹配，以便于后续仪表接入。 3.1 概述概述dV航空与机械工程学院航空与机械工程学院3. 3. 传感器的分类传感器的分类3.1 概述概述1)1)按被测物理量分类按被测物理量分类常见的被测物理量常见的被测物理量机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋转角旋转角, ,转数转数, ,质量质量, ,重量重量, ,力力, , 压力压力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,风速风速, ,流速流速, , 流量流量; ;声声: : 声压声压, ,噪声噪声. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. .温度温度: : 温度温度, ,热量热量, ,比热比热. .光：光： 亮度，色彩亮度，色彩航空与机械工程学院航空与机械工程学院3.1 概述概述机械式机械式, ,电气式电气式, ,光学式光学式, ,流体式等流体式等. .2)2)按工作的物理基础分类按工作的物理基础分类: :航空与机械工程学院航空与机械工程学院3.1 概述概述能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型. .3)3)按信号变换特征按信号变换特征: :能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化. .例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .航空与机械工程学院航空与机械工程学院3.1 概述概述4)4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换实现信号变换. .如如: :水银温度计水银温度计. .结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .航空与机械工程学院航空与机械工程学院电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形电阻值随着所受机械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而发的变化而发生变化象。生变化象。 3.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院1) 1) 工作原理工作原理( (电阻应变效应电阻应变效应) )上述任何一个参数变换均会引起电阻变化上述任何一个参数变换均会引起电阻变化, ,求导数求导数电阻应变式传感器电阻应变式传感器金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为为代入代入航空与机械工程学院航空与机械工程学院电阻应变式传感器电阻应变式传感器有：有：金属丝：金属丝：金属丝体积不变：金属丝体积不变：航空与机械工程学院航空与机械工程学院电阻应变式传感器电阻应变式传感器有：有：对金属材料，导电率不变：对金属材料，导电率不变：金属丝应变片：金属丝应变片：航空与机械工程学院航空与机械工程学院应变计电阻应变式传感器电阻应变式传感器金属应变计金属应变计航空与机械工程学院航空与机械工程学院电阻应变式传感器电阻应变式传感器半导体应变计半导体应变计简化为：简化为：优点：灵敏度大优点：灵敏度大; ;体积小体积小; ;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。航空与机械工程学院航空与机械工程学院3) 3) 应变片的主要参数应变片的主要参数 4 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。 电阻应变式传感器电阻应变式传感器1 1）几何参数：表距）几何参数：表距L L和丝栅宽度和丝栅宽度b b，制造厂常用，制造厂常用 bL bL表示。表示。2 2）电阻值：应变计的原始电阻值。）电阻值：应变计的原始电阻值。 3 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 航空与机械工程学院航空与机械工程学院1. 直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件E为电源电压，R1、R2、R3及R4为桥臂电阻，RL为负载电阻当RL时，电桥输出电压为当电桥平衡时，Uo=0，则有 或R1R4=R2R33) 应变片测量电路应变片测量电路电阻应变式传感器电阻应变式传感器为电桥平衡条件航空与机械工程学院航空与机械工程学院2.2.电压灵敏度电压灵敏度 应变片工作时，其电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。当受应变时，若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡，输出电压为电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院电阻应变式传感器电阻应变式传感器 设桥臂比n=R2/R1，由于R1R1，分母中R1/R1可忽略， 并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3， 则上式可写为 电桥电压灵敏度定义为航空与机械工程学院航空与机械工程学院 从上式分析发现： 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压， 供电电压越高， 电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择； 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。 当E值确定后，n取何值时才能使KU最高。 电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院由dKU/dn = 0求KU的最大值，得 求得n=1时，KU为最大值。这就是说，在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有 从上述可知，当电源电压E和电阻相对变化量R1/R1一定时， 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。 金属丝应变片金属丝应变片：电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院 3. 非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法 式 是略去分母中的R1/R1项，电桥输出电压与电阻相对变化成正比的理想情况下得到的，实际情况则应按下式计算， 即 与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为 电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院如果是四等臂电桥，R1=R2=R3=R4，即n=1， 则 对于一般应变片来说，所受应变通常在5000以下，若取KU=2，则R1/R1=KU，代入式计算得非线性误差为0.5%；若KU=130，=1000时，R1/R1，则得到非线性误差为6%，故当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。 电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院 为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥如图所示， 在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变， 接入电桥相邻桥臂，称为半桥差动电路， 如图(a) 所示。 该电桥输出电压为 图 差动电桥 电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得 由式可知，Uo与R1/R1成线性关系，差动电桥无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍，同时还具有温度补偿作用。 电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院 若将电桥四臂接入四片应变片，如图（b）所示，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，则 此时全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍，同时仍具有温度补偿作用。 电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院电阻应变式传感器电阻应变式传感器电阻应变片的选择、粘贴技术电阻应变片的选择、粘贴技术 1.1.目测电阻应变片有无折痕目测电阻应变片有无折痕. .断丝等断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2.2.用数字万用表测量应变片电阻值大用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间阻值小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于欧姆相差不得大于欧姆. .3.3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4.4.应变片粘贴应变片粘贴: :在应变片基底上挤一小滴在应变片基底上挤一小滴502502胶水，胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。航空与机械工程学院航空与机械工程学院电阻应变式传感器电阻应变式传感器5.5.焊线焊线: :用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于大于500M500M欧。欧。7.7.应变片保护：用应变片保护：用704704硅橡胶覆于应变片上，防止硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。受潮。航空与机械工程学院航空与机械工程学院应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿1. 1. 应变片的温度误差应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差， 称为应变片的温度误差。 产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。 1) 电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示： Rt=R0(1+0t) 电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院式中: Rt温度为t时的电阻值； R0温度为t0时的电阻值； 0温度为t0时金属丝的电阻温度系数； t温度变化值，t=t-t0。当温度变化t时，电阻丝电阻的变化值为： R=Rt-R0=R00t 电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院 2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时，不论环境温度如何变化，电阻丝的变形仍和自由状态一样，不会产生附加变形。 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。 设电阻丝和试件在温度为0时的长度均为l0, 它们的线膨胀系数分别为s和g，若两者不粘贴，则它们的长度分别为 ls=l0(1+st)lg=l0(1+gt) 电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院 当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形l、附加应变和附加电阻变化R分别为 电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院 由上式，可得由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为 由上式可知， 因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K0, 0, s）以及被测试件线膨胀系数g有关。 电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院 2. 2. 电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。 1) 1) 线路补偿法线路补偿法 电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。 图(a)是电桥补偿法的原理图。电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为： Uo=A(R1R4-RBR3) 电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院式中, A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知， 当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压Uo的作用方向相反。 利用这一基本关系可实现对温度的补偿。 测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变, 如图3-8(b)所示。 当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有 工程上，一般按R1 = RB = R3 = R4 选取桥臂电阻。 电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院 当温度升高或降低t=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态， 即 若此时被测试件有应变的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量R1=R1K，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量， 此时电桥输出电压为 由上式可知，电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变有关， 而与环境温度无关。 电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院 应当指出，若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下4个条件： 在应变片工作过程中，保证R3=R4。 R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。 两应变片应处于同一温度场。 电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院 2)应变片的自补偿法 这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片(称之为温度自补偿应变片)来补偿的。根据温度自补偿应变片的工作原理， 可由式得出，要实现温度自补偿，必须有 上式表明，当被测试件的线膨胀系数g已知时，如果合理选择敏感栅材料， 即其电阻温度系数0、灵敏系数K0以及线膨胀系数s，则不论温度如何变化，均有Rt/R0=0，从而达到温度自补偿的目的。 单丝自补偿法；组合式补偿法。航空与机械工程学院航空与机械工程学院电阻应变式传感器电阻应变式传感器电阻应变式传感器的应用：测力电阻应变式传感器的应用：测力航空与机械工程学院航空与机械工程学院电阻应变式传感器电阻应变式传感器标准产品标准产品航空与机械工程学院航空与机械工程学院案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院案例：案例：电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院案例：冲床生产记数案例：冲床生产记数 和生产过程监测和生产过程监测电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院案例：机器人握力测量案例：机器人握力测量电阻应变式传感器电阻应变式传感器航空与机械工程学院航空与机械工程学院电阻应变式传感器电阻应变式传感器案例：案例：振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。洞、爆破等破坏行为均可及时发现。航空与机械工程学院航空与机械工程学院如果将100电阻应变片贴在弹性试件上，若，弹性模量，若有力的拉力引起应变片电阻变化为1片的灵敏度系数？试件受力横截面积例题分析例题分析：，试求该应变航空与机械工程学院航空与机械工程学院解：由题意得应变片电阻相对变化量根据材料力学理论可知：应变，故应变 应变片灵敏度系数： 电阻应变式传感器电阻应变式传感器