第4章 电阻应变式传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学·2021）

传感器与检测技术 电阻应变式传感器 工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。 应变效应 图3-2 金属丝伸长后几何尺寸 纵向应变 泊松系数 横向应变 金属应变一般:(10 ～1000) ×10-6 (10 ～1000) μ ε 应变效应 图3-2 金属丝伸长后几何尺寸 ？ 应变效应 图3-2 金属丝伸长后几何尺寸 ？ 应变效应 图3-2 金属丝伸长后几何尺寸 ？ 应变效应 应变片结构 应变片结构 图2-19 箔式应变片的基本结构 应变片结构 图2-20 各式箔式应变花 应变片主要特性 应变片电阻值 灵敏系数 机械滞后 应变极限 绝缘电阻 最大工作电流 动态响应特性 应变片电阻值 1.应变片电阻值 应变片灵敏度 2.灵敏系数 机械滞后 图2-21 机械滞后 内部产生残余变形； 敏感栅受到不适当变形或 粘接剂固化不充分。 原因 3.机械滞后 应变极限 图2-22 应变极限 4.应变极限 绝缘电阻 绝缘电阻—— 应变片引线与被测试件之间的电阻。 5.绝缘电阻 最大工作电流 允许电流—— 应变片不因电流产生的热量而影响测量准确度所允许通过的最大电流。 6.最大工作电流 动态特性 应变波 真实应变 7.动态响应特性 动态特性 平均应变： 测量相对误差： 7.动态响应特性 <<1 动态特性 取 = 应变效应 例：已知公式： 初始电阻R=120 灵敏度系数K=2 纵向应变 =1000=1‰时 求：该应变片电阻的绝对变化量 解：由 纵向应变 =1000时，应变片电阻的绝对变化量只有0.24 Ω 温度误差及补偿 电阻丝具有一定的温度系数； 电阻丝和测试材料的线膨胀系数不同。 原因 温度效应 1.敏感材料电阻随温度变化 2.敏感材料和试件材料膨胀系数不同 总附加应变电阻： 温度效应 温度补偿方法 应变片自补偿 电路补偿 温度效应 单丝自补偿 应变片 自补偿 双丝组合式自补偿 双金属半桥补偿 图2-26 组合式自动补偿法之二 温度误差及补偿 图2-27 电桥补偿法 三个必要条件： （1）R1、RB必须属于同一批号，各种参数相同； （2）两种粘贴材料必须相同，保证两者线膨胀系数相等； （3）两应变片处于同一温度环境中。 温度误差及补偿 图2-28 电桥补偿法 温度误差及补偿 图2-28 差动电桥补偿法 温度误差及补偿 传感器差动输出原理 让2个相同的传感器感受大小相等， 方向相反的被测量 其差值作为输出 灵敏度提高一倍 非线性减小了 可以进行温度补偿 测量电路 图3-11 直流电桥 测量电路 设： 负载电阻无穷大； R1为传感器； 应变为0时，电桥平衡； VR2 VR4 测量电路 应变不为0时， 找 关系式 测量电路 电压灵敏度 时，灵敏度最大 等臂电桥 测量电路 等臂电桥非线性误差计算 非线性误差 实际输出 理想输出 测量电路 差动电桥： 输入输出为严格线性关系 灵敏度提高一倍 具有温度补偿作用 测量电路 差动测量的实现： 测量电路 四臂工作电桥： 测量电路 等臂电桥结论： （1）当 时，输出电压与应变呈线性关系； （2）若相邻两桥臂的应变极性一致，输出为两者电压之差； 若相邻两桥臂的应变极性相反，输出为两者电压之和； （3）若相对两桥臂的应变极性一致，输出为两者电压之和； 若相对两桥臂的应变极性相反，输出为两者电压之差。 利用上述特点可进行温度补偿和提高测量的灵敏度 测量电路 测量电路 图2-30 交流电桥 测量电路 图2-31 常见调平衡电路 圆柱式力传感器 圆柱式力传感器 应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置 R 1 R 2 R 4 汽车衡 汽车衡 汽车衡称重系统 梁式力传感器 F R1 R2 梁式力传感器 梁式力传感器 特点： （1）截面沿梁长方向按一定规律变化； （2）当集中力F作用在自由端时，距作用力任何距离的截面积上的应力相等； 49 梁式力传感器 例1.2 一台用等强度梁作为弹性元件的电子秤，在梁的上、下面各贴两片相同的电阻应变片（K＝2）如图所示。已知l＝100 mm、b＝11 mm、t＝3 mm， E＝2×104N／mm2。现将四个应变片接入图（b）直流桥路中，电桥电源电压U＝6V。当力F＝0.5kg时，求电桥输出电压U0＝？ 环状力传感器 F F 在拉力作用下，内