第2章 电阻式传感器 第三、四节

第2章电阻式传感器第三节电阻应变片的测量电路R2R4R1R3EILACDU0BRL目的：将微小应变引起的微小电阻值的变化测量出来，同时，要把电阻相对变化转换为电压或电流的变化。RRE：为电源电压R1、R2、R3及R4：桥臂电阻RL：为负载电阻一、测量电路第2章电阻式传感器当RL→∞时，电桥输出电压为当电桥平衡时，Uo=0，则有R1R4=R2R3或4321RRRR为电桥平衡条件。这说明欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。1、电桥平衡43213241433211RRRRRRRRERRRRRREUo第2章电阻式传感器2、动态时电阻变化与输出关系432143214321432132233232411441414433221133224411RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRRREUo44332211,,,RRRRRRRR四个桥臂电阻分别为：忽略分母中项、分子中忽略的二次交叉项：RR3322441122121432123321441RRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRREUo第2章电阻式传感器3、电压灵敏度43321111RRRRRRRREUo实际使用中是第一桥臂R1为应变片，当受应变时，若应变片电阻变化为ΔR，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo≠0，则电桥不平衡，输出电压为：))((4321141RRRRRRR341211113411RRRRRRRRRRE第2章电阻式传感器设桥臂比n=R2/R1，由于ΔR1R1，分母中ΔR1/R1可忽略，并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3，则上式可写为112)1(RRnnEUo电桥电压灵敏度定义为211)1(nnERRUSoV实际使用中多取4321RRRRRREUo4输出为：使用单一应变片时4ESV第2章电阻式传感器从上式分析发现：①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；②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。4、非线性误差及其补偿方法上面的分析过程中略去分母中的ΔR1/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)1(111110nRRnRRnEU第2章电阻式传感器与ΔR1/R1的关系是非线性的，非线性误差为0U'ooLoUUU4321RRRR若，即n=11111212RRRRL11111RRnRR第2章电阻式传感器例题：一应变片，所受应变ε为5000μ，若取Ks=2，计算非线性误差.ΔR1/R1=Ksε解：%5.02121111RRRRL若Ks=130,ε=1000μ,%6L对灵敏度较高的应变传感器，受到较小的应变，非线性误差也会很大。当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。第2章电阻式传感器常用的是采用差动电桥补偿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.R1＋R1R4R3ACBEDR2－R2Uo(a)R1＋R1ACBEDR2－R2Uo(b)R3－R3R4＋R4＋－＋－第2章电阻式传感器若ΔR1=ΔR2，R1=R2=R3=R4，则得112RREUo由上式可知，Uo与ΔR1/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SV=E/2，是单臂工作时的两倍，同时还具有温度补偿作用。该电桥输出电压为433221111RRRRRRRRREUo第2章电阻式传感器若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4，则ESRREUVo11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。R1＋R1R4R3ACBEDR2－R2Uo(a)R1＋R1ACBEDR2－R2Uo(b)R3－R3R4＋R4＋－＋－若将电桥四臂接入四片应变片，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。第2章电阻式传感器二、电阻应变片的温度误差及其补偿1、温度误差用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。第2章电阻式传感器设环境引起的构件温度变化为Δt（℃）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为αt，则应变片产生的电阻相对变化为由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当Δt存在时，引起应变片的附加应变，其值为βe—试件材料线膨胀系数；βg—敏感栅材料线膨胀系数。tRRt1tget2相应的电阻相对变化为K——应变片灵敏系数。tKRRge2第2章电阻式传感器温度变化形成的总电阻相对变化：相应的虚假应变为上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化Δt时，应变片的温度效应,用应变形式表现出来，称之为热输出。可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能(αt,βg)有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数(βe)有关。tKtRRRRRRgett21ttKKRRgettt第2章电阻式传感器2、温度补偿（自补偿法和线路补偿法）①单丝自补偿应变片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。0getKetg每一种材料的被测试件，其线膨胀系数都为确定值，可以在有关的材料手册中查到。在选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电阻温度系数和线膨胀系数满足上式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。由前式知，若使应变片在温度变化Δt时的热输出值为零，必须使egtK即第2章电阻式传感器②双丝组合式自补偿应变片是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，以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿的，如图。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(ΔRa)t=–(ΔRb)t焊点RaRbaeaabebbtaatbbbaKKRRRRRR第2章电阻式传感器③电路补偿法如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为式中A——由桥臂电阻和电源电压决定的常数。32410RRRRAU桥路补偿法U0R2R4R1R3E由上式可知，当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。第2章电阻式传感器测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2，称为补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。由于R1与R2接入电桥相邻臂上，ΔR1t与ΔR2t相同，根据电桥理论可知，其输出电压U0与温度无关。当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出电压。U0R2R4R1R3E第2章电阻式传感器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，即上式中可以选择R1=R2=R及R3=R4=R′。当温度升高或降低时，若ΔR1t=ΔR2t，即两个应变片的热输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零，即03241RRRRAUo322411RRRRRRAUttoRRRRRRAtt21RRRRRRRRAtt21021ttRRRA=第2章电阻式传感器若此时有应变作用，只会引起电阻R1发生变化，R2不承受应变。故由前式可得输出电压为由上式可知，电桥输出电压只与应变εx有关，与温度无关。为达到完全补偿，需满足下列三个条件：①R1和R2须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应变灵敏系数K都相同，两片的初始电阻值也要求相同；②用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等；③两应变片处于同一温度环境中。xstxstoRKRARRRRKRRRAU3224111第2章电阻式传感器根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。图(a)为一个梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，应变片R1和R2的阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。(b)图是受单向应力的构件，将工作应变片R2的轴线顺着应变方向，补偿应变片R1的轴线和应变方向垂直，R1和R2接入电桥相邻臂，其输出为R1R2FFR1R2（b）（a）F构件受弯曲应力构件受单向应力xsoKRARU121第2章电阻式传感器另外也可以采用热敏电阻进行补偿。如图所示，热敏电阻Rt与应变片处在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻Rt的阻值下降，使电桥的输入电压温度升高而增加，从而提高电桥输出电压。选择分流电阻R5的值，可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。USCR2R4R1R3ERtR5第2章电阻式传感器柱式传感器几种梁式传感器外形膜片式压力传感器一种敏感元件结构第2章电阻式传感器1.应变式力传感器被测物理量为荷重或力的应变式传感器时，统称为应变式力传感器。其主要用途是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。应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性，当传感器在受到侧向作用力或力的作用点少量变化时，不应对输出有明显的影响。第四节电阻传感器应用第2章电阻式传感器2.柱（筒）式力传感器图（a）、（b）分别为柱式、筒式力传感器，应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分，对称地粘贴多片，电桥连线时考虑尽量减小载荷偏心和弯矩影响，贴片在圆柱面上的展开位置及其在桥路中的连接如图（c）、（d）所示，R1和R3串接，R2和R4串接，并置于桥路对臂上，以减小弯矩影响，横向贴片R5和R7串接，R6和R8串接，作温度补偿用，接于另两个桥臂上。第2章电阻式传感器（a）柱式；（b）筒式；（c）圆柱面展开图；（d）桥路连线图(a)(b)(c)R1R5R2R6R3R7R4R8R1R3R5R7R6R8R2R4(d)UoU～第2章电阻式传感器3.微压传感器电阻应变敏感元件传压杆感压膜hRLU1R2R4R0R1R3RtUoLR