3电阻式传感器.

传感器理论与技术SensorTheoryandTechnology3电阻式传感器3电阻式传感器3电阻式传感器3电阻式传感器3电阻式传感器3电阻式传感器3电阻式传感器3电阻式传感器3电阻式传感器3电阻式传感器3电阻式传感器3电阻式传感器3电阻式传感器3.1电阻应变片的工作原理3.2电阻应变片（计）的种类、参数3.3电阻应变片的温度误差及其补偿3.4电阻应变片的型号代码3.5应变式传感器的信号调理电路3.6典型电阻应变式传感器3.7案例讨论、系统设计3电阻式传感器3.1电阻应变片的工作原理1电阻应变效应2应变片的结构3电阻-应变特性SdSLdLdRdRS=πr2dS/S=2·dr/rEσ=E·ε3电阻-应变特性mmmm/10116推得：定义：电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为dRdRK21dRdR)21(12RKR)21(RdRSdSLdLdRdR3电阻-应变特性灵敏度系数K受两个因素影响一是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（∆ρ/ρ）/ε。对金属材料：1+2μ＞＞(∆ρ/ρ)/ε对半导体材料：(∆ρ/ρ)/ε＞＞1+2μ12RKR3电阻-应变特性3电阻-应变特性3.2电阻应变片的种类、参数1电阻应变片的种类应变片的粘贴：1.打磨：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。1电阻应变片的种类2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。1电阻应变片的种类3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。1电阻应变片的种类4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。1电阻应变片的种类5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。6.保护1电阻应变片的种类1电阻应变片的种类1电阻应变片的种类1电阻应变片的种类1电阻应变片的种类1电阻应变片的种类1电阻应变片的种类3.1电阻应变片的工作原理3.2电阻应变片（计）的种类、参数3.3电阻应变片的动态特性3.4电阻应变片的温度误差及其补偿3.5电阻应变片的型号代码3.6应变式传感器的信号调理电路3.7典型电阻应变式传感器3.8案例讨论、系统设计3.9电阻应变式传感器小结3电阻式传感器2应变片的主要参数2应变片的主要参数2应变片的主要参数2应变片的主要参数2应变片的主要参数零点漂移和蠕变对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。产生原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。3.3电阻应变片的温度误差及补偿1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，又称热输出。1)2）线膨胀系数的影响1温度误差产生的原因1)电阻温度系数的影响应变片电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：)t1(00RRt式中:Rt——温度为t时的电阻值；R0——温度为t0时的电阻值；α0——金属丝的电阻温度系数；Δt——温度变化值，Δt=t-t0。当温度变化Δt时，电阻丝电阻的变化值为：t-000RRRRt1温度误差产生的原因2)弹性体（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：环境温度变化不会产生附加变形。当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时：环境温度变化，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β丝和β试，若两者不粘贴，则它们的长度分别为：ls=l0(1+β丝Δt)lg=l0(1+β试Δt)1温度误差产生的原因L丝=l0(1+β丝Δt)L试=l0(1+β试Δt)当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形Δl、附加应变εβ和附加电阻变化ΔRβ分别为：tKRKRRtlltllllsgsgsgsg)()()(00001温度误差产生的原因ls=l0(1+βsΔt)lg=l0(1+βgΔt)3)温度变化Δt形成的总电阻相对变化：tKtKtRRRRRsgsgt)]([)(0000结论：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（K,α0,βs）以及被测试件线膨胀系数βg有关。对应的应变：ttKKsgtttRR00例题1例题1若使应变片在温度变化Δt时的热输出值为零，必须使0sgtKgstK单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用都比较方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。1）单丝自补偿应变片即:2温度补偿方法ttKKsgtttRR00由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿(ΔRa)t=–(ΔRb)t焊点RaRb2）双丝组合式自补偿应变片这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即：2温度补偿方法3）电路补偿法测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面,称为工作应变片R1。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，称为补偿应变片R2。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。补偿应变片粘贴示意图R1R2补偿块试件2温度补偿方法R2R4ER1R3U0ab3）电路补偿法2温度补偿方法R2R4UR1R3U0ab314231012341234()()abRRRRRRUUUUUURRRRRRRR01423()UgRRRR1234()()UgRRRRg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R2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。把R1与R2接入电桥相邻臂上，当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即：测量方法01423()0UgRRRR＝工程上，一般按R1=R2=R3=R4选取桥臂电阻。R2R4UR1R3U0ab2温度补偿方法温度补偿的实现：当温度升高或降低Δt=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：0114223()()0UgRRRRRR＝应变的测量：被测试件有应变ε的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量ΔR’1=R1Kε，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：0114231414()()UgRRRRRgRRgRKR可见：电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变ε有关，而与环境温度无关。2温度补偿方法注意补偿条件：①在应变片工作过程中，保证R3=R4。②R1和R2两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。③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。④两应变片应处于同一温度场。例题2314231012341234()()abRRRRRRUUUUUURRRRRRRRR2R4UR1R3U0ab例题2R2R4UR1R3U0ab314231012341234()()abRRRRRRUUUUUURRRRRRRR3.4电阻应变片的使用3.1电阻应变片的工作原理3.2电阻应变片（计）的种类、参数3.3电阻应变片的温度误差及其补偿3.4电阻应变片的型号代码3.5应变式传感器的信号调理电路3.6典型电阻应变式传感器3.7案例讨论、系统设计3电阻式传感器3.5.1测量电路3.5.1测量电桥的工作原理3.5.1测量电桥的工作原理1）单臂电桥例题32）半桥差动电路3）全桥差动例题43.5.2实用电路与新型直流电桥模块3.5.3交流电路引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于两只应变片各并联了一个电容。3.5.3交流电路Z1UoU(a)Z2Z3Z4～R1R2R4R3oUC1C2U(b)～3.5.3交流电路每一桥臂上复阻抗分别为：11112222334411RZjRCRZjRCZRZR式中,C1、C2表示应变片引线分布电容。3.5.3交流电路))((43213241ZZZZZZZZUUo电桥平衡条件：Uo=0，即：Z1Z4=Z2Z3整理可得：3222411111RCRjRRCRjR3.5.3交流电路24241313CRjRRCRjRR交流电桥的平衡条件（实部、虚部分别相等）：3412RRRR2112CCRR3.5.3交流电路如果采用半桥差动结构：当被测应力变化引起工作应用片阻值变化时，则电桥输出为：))((432132410ZZZZZZZZUU1012RUUR3.5.3交流电路))((432132410ZZZZZZZZUURRZCj2221)(111111,1RRCRRZjRCRZj11111RCRRZj111111RCRRZj222221)(122222,2RRCRRZjCCZZRRRR21214321,,,RR21RRUU11023.1电阻应变片的工作原理3.2电阻应变片（计）的种类、参数3.3电阻应变片的温度误差及其补偿3.4电阻应变片的型号代码3.5应变式传感器的信号调理电路3.6典型电阻应变式传感器3.7案例讨论、系统设计3电阻式传感器3.6典型电阻应变式传感器京沪高铁的应变检测3.6.1电阻式应变力传感器3.6.1电阻式应变力传感器被测物理量：荷重或力。主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等。3.6.1电阻式应变力传感器3.6.1电阻式应变力传感器荷重传感器原理演示荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。3.6.1电阻式应变力传感器3.6.1电阻式应变力传感器3.6.1电阻式应变力传感器3.6.1电阻式应变力传感器3.6.1电阻式应变力传感器3.6.1电阻式应变力传感器3.6.1电阻式应变力传感器3.6.1电阻式应变力传感器3.6.2压阻式压力传感器3.6.2压阻式压力传感器3.6.3压阻式加速度传感器案例讨论、系统设计一案例讨论、系统设计二案例讨论、系统设计二案例讨论、系统设计二案例讨论、系统设计二案例讨论、系统设计二