电工学 第三章 电阻应变式传感器课件.ppt

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1、第三章　电阻应变式传感器电阻式传感器：非电量电阻参数电阻应变式传感器:受力及变形电阻参数应变:单位长度的变形。应力：单位面积的内力。概述电阻应变式传感器由电阻应变片、弹性元件和测量电路的部分构成。电阻应变片又称电阻应变计，一般由敏感元件、基底、引线、和覆盖层组成。敏感元件也叫敏感栅。根据其材料不同，应变片可分为：金属电阻应变片和半导体电阻应变片两大类。工作原理：应用时将应变片粘结在被测试件表面上，当试件受力变形时，应变片的敏感栅也随之变形，引起应变片电阻变化，通过测量电路将其转换为电压或电流信号输出。三．电阻应变式传感器的优缺点（自学）优点：1．结构简单，使用方便，性能稳定

2、、可靠；2．易于实现检测进程的自动化和多点同步检测、远距离测量和遥测3．灵敏度高，测量速度快，适合静、动态测量；4．可以测量多种物理量。缺点：1.大应变状态下具有较明显的非线性；2.输出信号较弱。3－1　金属电阻应变式传感器一．金属电阻应变片1．工作原理:基于金属导体的应变效应.电阻应变效应：金属导线由于受力产生变形（伸长或压缩）而发生电阻变化的一种物理现象。ALF长度L，截面积A，电阻率ρ的金属丝，电阻为R：受力后其尺寸和电阻值都发生变化，有（取对数后再微分）：其中：：电阻丝的纵向应变；：电阻丝的横向应变，：电阻率变化率（：压阻系数，与材料有关；：电阻丝的弹性模量）。根据泊松

3、比定理：由此可见，电阻的变化是由两部分引起的：⑴电阻丝的几何尺寸变化⑵电阻丝的电阻率变化对于金属电阻丝而言，第⑵项很小，可忽略其中：S：应变片的灵敏度，金属应变片金属应变计有:丝式和箔式丝式：由金属电阻丝盘绕或焊接而成。箔式：由金属电阻箔采用光刻技术制造应变计金属应变片：金属电阻丝的电阻相对变化量和纵向应变呈线性关系。优点:线性好，稳定性和温度特性好.缺点:灵敏度系数小.金属应变片的主要参数:1）几何参数：标距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L表示。标距L又称基长，也就是敏感栅纵向长度，基长小的横向效应大，传递形变差，一般为2～30mm。2）电阻值：测试条件为未受力和室温下，应变

4、计的原始电阻值。有60Ω，120Ω，200Ω，…，以120Ω常用。3）灵敏系数：单位应变引起的电阻变化，是应变片的主要技术参数，通常通过试验法获得，一般为2左右。4）允许电流：接入测量电路中允许通过的电流。5）绝缘电阻：敏感栅与基底之间的电阻值，一般大于1010Ω。6）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。三、金属电阻应变式传感器的测量电路测量电路：把应变片的电阻变化转变为电压或电流变化功能的电路。常用应变片的灵敏度S值较小，所以电阻的变化范围很小，一般在0.5Ω以下。如何能测量出这样小的电阻变化，选择测量电路也是很重要的。电阻的测量

5、电路常使用电桥（直流电桥或交流电桥）.电桥：是将电阻、电感、电容等参量的变化变化为电压或电流输出的一种测量电路。按激励电压的性质分为直流电桥和交流电桥；按照输出方式分为不平衡桥式电路和平衡桥式电路。以下以直流电桥为例：应变或力的变化电阻的变化电流或电压的变化电阻式传感器测量电路（线性）（线性）其中：：直流电源：电桥开路输出（开路电压）以d点作为参考点：当时，称电桥平衡，此时：（直流电桥平衡条件）uiu0R2R1R3R4dbac通常采用全等臂形式工作，即Rl＝R2＝R3＝R4=R0(初始值)。直流电桥联接方式：UiU0RR0±ΔRRRR±ΔRf(t)半桥单臂式每个桥臂电阻变化值Δ

6、Ri《R0直流电桥联接方式：R0±ΔR4UiR0±ΔR1R0R0R0±ΔR1M半桥邻臂式U0ioURRU02D=R0±ΔR4R0±ΔR4直流电桥联接方式：R0±ΔR4UiR0±ΔR1R0R0±ΔR1f(t)半桥对臂式U0ioURRU02D=R0±ΔR4R0±ΔR3R0MUiU0R±ΔR全桥式R±ΔRf(t)R0ΔRRΔRRΔRR±ΔR直流电桥联接方式：电桥的和差特性：应变和：邻臂应变极性相反，相对桥臂的应变极性相同。应变差：邻臂应变极性相同，相对桥臂的应变极性相反。利用电桥的和差特性可以提高测量的灵敏度和进行温度补偿。例如：①当两个应变片一个受拉，一个受压，为了提高其灵敏度（输

7、出），应采用什么接法，与单臂相比能提高多少？②当两个应变片同时受拉，为了提高其灵敏度（输出），应采用什么接法，与单臂相比能提高多少？1，邻臂，提高一倍2，对臂，提高一倍2、交流电桥交流电桥平衡条件：~u0uyR2R1R3R4C1C4电容电桥平衡条件：~u0uyR2R1R3R4L1L4电感电桥平衡条件：1．温度误差其中：：电阻温度系数；：温度变化量。其中：、：试件、电阻丝的线性膨胀系数。三、温度误差及补偿⑵试件与电阻丝的线性膨胀系数不同（温度导致材料膨胀，导致电阻变化）⑴电阻温度效应（温度导致