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1、应变式传感器（电阻式）主要内容：3.1电阻应变片原理3.2金属应变片的主要特性3.3应变片测量电路3.4应变式传感器的应用重点：不同材料类型：金属应变片、半导体应变片应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度；主要优点：使用简单、精度高、范围大体积小。3.1 电阻应变片原理3.1.1应变效应金属应变片结构：网状敏感栅高阻金属丝、金属箔基片绝缘材料盖片保护层金属电阻应变片的基本原理基于电阻应变效应：即，导体产生机械形变时它的电阻值发生变化。一根长L ，截面积为S ，电阻率为的金属丝电阻为当电阻丝受到轴向拉力F作用时，轴向拉长L，颈项缩短S电阻率增加电阻值R的变化引起电阻的相对变化为：轴向应变截面
2、积相对变化量由 材料力学可知，泊松系数横向变形系数代入上式：或：令：受力后材料几何尺寸变化（1+2）受力后材料电阻率的变化（/）/对于金属电阻丝=0.250.5(钢=0.285)（1+2）（/）/k01+2k01.52金属应变片灵敏系数k0主要由材料的几何尺寸决定的应力=E可见应变R/R应力R/R应力正比于电阻值的变化量通过弹性元件可将位移、压力、振动等物理量将应力转换为应变进行测量，这是应变式传感器测量应变的基本原理。3.1.2压阻效应和压阻式传感器对于半导体材料主要利用压阻效应，半导体的电阻取决于有限量载流子（电子、空穴）的迁移率，加在单晶某一轴向上的外应力引起半导体能带变化，使载流子迁移
3、率发生较大变化，使电阻发生变化。半导体应变片又称压阻式传感器，优点是灵敏度高、体积小、耗电少、有正负两种符号的应力效应。缺点是受温度影响较大。已知固体受力引起的电阻变化为：R/R=（1+2）+/= kK=1+2+（/）/因（1+2）（/）/所以k0（/）/ （/）/ 50100 k050100半导体材料的灵敏系数k0主要由电阻率的变化引起的（压阻效应），灵敏系数远大于金属应变片的灵敏系数。3.1.3应变片种类按材料分：金属式体型丝式、箔式、薄膜型半导体式体型薄膜型、扩散型、外延型、PN结型按结构分：单片、双片、特殊形状按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下 金属丝式 0.025mm金属丝（康
4、铜、镍铬合金、贵金属）做敏感栅 金属箔式 用光刻腐蚀工艺、照相制版制作成厚0.0030.01 的金属箔栅， 金属薄膜式 用真空溅射或真空沉积技术，在绝缘基片上蒸度几几百纳米金属电阻薄膜。各种金属箔式应变片3.2金属应变片的主要特性 应变片的灵敏系数 金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝不同实验证明，应变片灵敏系数K 电阻丝灵敏系数K0 横向效应 直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，园弧部分使K，这种现象称为横向效应。为减小横向效应，常采用箔式应变片。箔式应变片结构 应变片温度误差及补偿 应变片安装在自由膨胀的试件上，如果环境温度变化，应变片的电阻也会变化，这种变化叠加在测量
5、结果中称应变片温度误差。 应变片温度误差来源有两个 应变片本身电阻温度系数t影响；试件材料的线膨胀系数g影响。电阻丝阻值与温度关系：Rt = R0（1+tt）= R0 + R0tt温度变化t时电阻丝的电阻变化；Rt = Rt R0 = R0tt因试件使应变片电阻产生的附加形变造成的电阻变化；Rt =R0K（g -s） t因环境温度改变引起的附加电阻变化与环境温度变化t有关；应变片本身的性能参数K、t、s；试件参数g有关。 温度补偿方法 电桥线路补偿、自补偿、辅助测量补偿、热敏电阻补偿、计算机补偿。 自补偿 线路补偿 在被测上安装一个应变片，在另一个与被测试件上安装一个补偿片，并完全处于相同的温
6、度场，测量时位于相邻的电桥臂上，温度变化时R1与RB相等变化，使电桥输出U0与温度无关。电桥输出U0与桥臂参数的关系为：U0=A（R1R4-RBR3）R1为工作片，RB在相近位置不受力；调节电桥平衡使输出为零，U0=0；工作时按R1=R2=R3=RB取值；当温度变化时 R1=RB，电桥仍处于平衡，当有应变时 R1有增量R1=K，补偿片无变化RB=0，电桥输出U0=AR1R4K，与温度无关3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥o 直流电桥的平衡条件 当负载RL开路时电桥平衡时电桥平衡条件：（对比积相等），（邻臂比相等） 电压灵敏度设R1为应变片，应变时R1变化量为R1，其它不变，这时电桥输出，电
7、桥失衡，不平衡输出电压：设桥臂比由于忽略可得：电桥灵敏度定义讨论： 电桥电压灵敏度Ku越大，应变变化相同情况输出电压越大； Ku与电桥电源E成正比，KuE,但供电受应变片允许功耗的限制； Ku是桥臂比n的函数 Ku（n），恰当选择n可提高电压 灵敏度Ku。 取，为最大显然n=1R1=R2R3=R4时为最大；桥路输出电压，单臂工作片电压灵敏度：当、一定时，输出电压、电压灵敏度是定值，与桥臂电阻R大小无关。例：金属和半导体灵敏系数、应变分别为下面的值，求非线性误差：，；，。 非线性误差补偿 上述输出电压的求取是略去分母中R1/R1项近似，实际输出值为：非线性误差： 对与等臂电桥n=1； 将分母按幂
8、级数展开，略去高阶项，上式近似得到：可见非线性误差与R1/R1成正比，为减小非线性误差常采用差动电桥。 差动电桥： 在试件上安装两个工作片，一个受拉、一个受压，接在电桥的相邻两个臂，称半桥差动电路，如图3所示，电桥输出为：初始设置：上式化简为：半桥灵敏度：讨论： 输出电压U0与R1/R1呈线性关系，无非线性误差； 电压灵敏度是单桥的两倍； 具有温度补偿作用。 o 全桥： 将四臂按对臂同性接四个工作片，称全桥差动电路。若R1=R2=R3=R4，全桥电压输出为：全桥电压灵敏度为： 交流电桥 直流电桥优点：电源稳定、电路简单，仍是主要测量电路；缺点：直流放大器比较复杂，存在零漂、工频干扰。交流电桥为
9、特定传感器带来方便，放大电路简单无零漂，不受干扰，但需专用的测量仪器或电路，不易取得高精度。输出电压特征方程：电桥平衡条件：交流电桥需满足对臂复数的模积相等，幅角之和相等。交流电桥输出：已知：，忽略；交流单桥输出：交流半桥输出：其中：；交流电桥输出除满足电阻平衡条件，还要满足电容平衡条件：有应变时阻抗变化为：交流电桥输出用复数表示：讨论： 输出电压U0有两个分量，前一个分量的相位与输入电源电压U同相，叫同相分量； 后一个分量的相位与电源相位相差900，叫正交分量。 两个分量均是R的调幅正弦波，采用普通二极管检波电路无法检测出调制信号R， 必须采用相敏检波电路。 检波器只检出同相分量的调制信号，
10、对正弦分量不起检波作用，只起到滤除作用。 平衡电路：电阻平衡电路；电容平衡电路；33应变式传感器测量电路3.3.1电阻应变仪电阻应变仪是利用应变片直接测量应变的专用仪器，在科研和工业生产中常常需要研究机械设备构件或组件承受应变的状况，测量构件形变时应变力，如高压容器（高压气瓶、高压锅炉），生产过程中必须采用应变测量方法检测耐压和变形时压力；火炮生产需了解火炮发射时炮管形变，飞机导弹研制时要在特殊的“风洞”实验场中模拟高空状态下飞行时机身、机翼等各部件的形变情况；汽车制造需测试汽车底盘承压时的形变。按测量应变力的频率可分为静态应变仪和动态应变仪，按应变力频率又可细分为：静态，5Hz；静动态，几百
11、Hz；动态，5KHz；超动态，几十KHz。图3-10是交流电桥电阻应变仪原理框图，主要由电桥、振荡器、放大器、相敏检波器、滤波器、转换和显示电路组成。 电桥（半桥或全桥），用400-2000Hz高频正弦电压提供桥压，可测应变频率低于桥压频率的10倍，如桥压20KHz，可测量20-200Hz频率应变力，电桥输出调幅调制波。 放大器，采用窄频带交流放大器，将电桥输出的调幅波进行放大，以满足相敏检波器的要求。 振荡器，产生等幅正弦波，提供电桥电压和相敏检波器的参考电压。振荡频率（载波）一般要求不低于被测信号频率的6至10倍。 相敏检波器，放大后的调幅波，必须用检波器将它还原（解调）为被测应变信号波形
12、。一般检波器只有单相电压（或电流）输出，不能区分双相信号，如果应变有拉应变和压应变，以中心（静止）位置为转折点，要求区分两边不同位置时，可通过相敏检波电路区分双相信号。 相移器，相敏检波器的参考信号与被测信号有严格的相位关系，由移相电路实现。 滤波器，相敏检波输出的被测信号是被低频应变信号调制的高频信号，包括被检测的低频信号外，还有高频信号，为了还原被检测的信号，必须用低通滤波器去掉高频分量，保留低频应变信号。 图3-10应变仪原理框图图3-11波形图3.3.2相敏检波器相敏检波器可以区分正负极性的双相信号，在传感器转换电路中广泛应用，相敏检波器的电路形式较多，下面做一介绍简要。理想交流电桥处
13、于平衡时，输出为零，以电阻应变片式传感器检测电桥为例，当有信号或偏离平衡时，输出信号为：由上式可知电桥输出有两个分量，一个与电源同相的分量，称同相分量；另一个是与电源相差900的分量，叫正交分量。两个分量都是R调幅的正弦波，用二极管检波器从V0中解不出调制信号必须用相敏检波器。相敏检波器有两个作用：一是只对同相信号检波；其二是识别调制信号的正负。调幅是就用低频调制信号去改变高频载波信号的幅度，产生一个频率不变而幅度按调制信号的大小变化的调幅信号的过程。调幅的幅值信号X按线性规律变化。调幅波的表达式为式中：载波信号角频率Vm载波信号幅度m调制灵敏度X调制信号，X=Xmcost调制信号角频率：c则
14、：由式上式可知，调幅波有三个不同频率的成分，第一项不含调制信号，而二、三项都含有调制信号成分。交流电桥变换电路实际上是一个平衡调制器，平衡调制输出没有第一项。从二、三项中我们可以取出调制信号。能从VS中检出调制信号的电路，通常称相敏检波器。将式中的调制信号VS乘以单位幅度的载波信号cost得VS与cost相乘后产生了三个频率分量，第一个分量中频率为，与调制信号的差别只是幅度不同，幅度的不同可以用线性放大器放大，完全恢复调制信号。另外两个分量是无用处的多余信号，需用滤波器滤除，有意义的是这两个分量的频率远高于调制信号频率，分别为（2+），（2-），是低通滤波器非常容易被滤除的信号。只要能够完成上述的相乘的电路，就可以做成相敏检波器。下面介绍一种开关型相敏检波电路。开关型相敏检波电路适用于调制信号频率较高的情况，电路原理图如3
