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1、传感器及测试技术主 讲：张新英学 时：45信息工程系教研室中工信商学院联系方式： zxy_ 18736038534第3章 电阻式传感器 3.1 工作原理 3.2 电阻应变片的温度误差及补偿 3.3 电阻应变片的测量电路3.4 电阻式传感器的应用 3.1 工作原理n应变物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象n弹性应变当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的 应变n弹性元件 具有弹性应变特性的物体应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等 的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相 连的应变片，引起
2、应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量 输出。输出的电量大小反映被测量的大小。结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量l金属应变片式传感器n金属丝式应变片 n金属箔式应变片 n测量电路 n应变式传感器应用 l压阻式传感器第一节 应变式传感器金属电阻应变片优点： 精度高，测量范围广频率响应特性较好结构简单，尺寸小，重量轻可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁 场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作易于实现小型化、固态化价格低廉，品种多样，便于选择一、 金属应变片式传感器金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它 可将试件上的
3、应变变化转换成电阻变化。 缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差 ，因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应 变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度 的变化等；不能用于过高温度场合下的测量。 各种电子秤 广泛应用于高 精 度 电 子 汽 车 衡动态电子秤电子天平3.1.1 应变效应电阻应变片的工作原理是基于应变效应即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化， 这种现象称为“应变效应”。 一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为： 当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长l，横截面积相应减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了，从而引起电阻值
4、变化量为 ：式中：dL/L长度相对变化量，用应变表示为 电阻相对变化量：dA/A圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2r dr，则 ：材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长， 沿径向缩短， 轴向应变和径向应变的关系可表示为 ：为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。 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 灵敏度系数K受两个因素影响n一是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2n二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即（ /）/。n对金属材料：1+2( /)/n对半导体材料：( /)/1+2n大
5、量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对 变化与应变成正比，即K为常数。 3.1.2 电阻应变片种类n常用的电阻应变片有两种：n金属电阻应变片n半导体应变片 金属电阻应变片1+2( /)/半导体应变片分析：当半导体应变片受轴向力作用时 半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关：式中： 半导体材料的压阻系数;半导体材料的所受应变力;E半导体材料的弹性模量;半导体材料的应变。因此：实验证明，E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为： 测量原理：在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化， 同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻
6、值变化量为R时，便可得到被测对象的应变值， 根据应力与应变的关系，得到应力值为 ：=E 3.2 应变片的温度误差及补偿3.2.1 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。 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) 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 3.2.2 电阻应变片的温度补偿方法电阻
7、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。 电桥补偿是最常用且效果较好的电阻片温度误差补偿方法。 电桥补偿法电路分析ng为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。n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。测量方法：当被测试件不承受应变时：R1和R2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 = R2 = R3 = R4 选取桥臂电阻。 温度补偿的实现：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： 应变的测量：被
8、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 ：可见：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。 3.3 测量电路 3.3.1 直流电桥1. 直流电桥平衡条件图3.5 直流电桥 当RL时，电桥输出电压为： 当电桥平衡时，Uo=0，则有： R1R4=R2R3或： 电桥平衡条件：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。 电桥平衡条件3.4 应变式传感器的应用 应变片能将应变直接转换成电阻的变化其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应变弹性元件应变式传感器的组成：弹性元件、应变片、附件（补偿元件、保护罩等）3.4.1 应变式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。图3.9 圆柱（筒）式力传感器（a） 柱式；（b） 筒式；（c） 圆柱面展开图；（d） 桥路连线图 1. 柱（筒）式力传感器图3.13 应变片液体重量传感器 3.4.3 应变式容器内液体重量传感器
