1、1第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器2本章主要內容本章主要內容n電阻應變片傳感器電阻應變片傳感器電阻式傳感器：將被測量的變化轉換成電阻阻值變化 本章重點n掌握電阻應變片測量原理。掌握電阻應變片測量原理。n了解電阻應變片種類。了解電阻應變片種類。n掌握電阻應變傳感器信號調理電路掌握電阻應變傳感器信號調理電路直流電橋的工作原直流電橋的工作原理和典型測量電路的工作特性。理和典型測量電路的工作特性。n掌握熱電阻掌握熱電阻傳感器的傳感器的測量原理和測量電路特性測量原理和測量電路特性。 3 應變效應：應變效應： 導體導體或或半導體材料半導體材料在在外界力外界力的作用下，會的作用下，會產生產生機械變形機

2、械變形，其，其電阻值電阻值也將隨著發生變化。也將隨著發生變化。電阻應變式傳感器組成：電阻應變式傳感器組成： 主要由主要由電阻應變片電阻應變片及及測量轉換電路測量轉換電路等組成等組成。4 2llRAr5 長為長為L L、橫截面積為、橫截面積為S S、電阻、電阻率為率為的單根金屬絲，電阻為：的單根金屬絲，電阻為： 對電阻絲長度作用均勻應力，對電阻絲長度作用均勻應力，則則、L L、S S的變化的變化( (d d、d dL L、d dS S) )將引起電阻將引起電阻R R變化變化d dR R。 電阻相對變化量為電阻相對變化量為： 或或二、電阻絲的應變效應二、電阻絲的應變效應LRSRLSRLSSdSLd

3、LdRdR若電阻絲是圓形的，則若電阻絲是圓形的，則S=r , ,對對r 微分得微分得dS=2r dr，則：，則： 于是有于是有ll+ dl2r2(r-dr)F2RLrRLr令令/LL L 金屬絲的徑向應變金屬絲的徑向應變。 金屬絲的軸向應變金屬絲的軸向應變； 由材料力學的知識：在彈性范圍內，金屬絲受拉力時，沿由材料力學的知識：在彈性范圍內，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短，則軸向應變和徑向應變的關系為：軸向伸長，沿徑向縮短，則軸向應變和徑向應變的關系為： ：電阻絲材料的泊松比。電阻絲材料的泊松比。rdrrrdrSdS222Lrvrrr /合并之后可得合并之后可得 K 稱為金屬絲的靈敏系數

4、，表示單位應變所引起的電阻的相對變化。稱為金屬絲的靈敏系數，表示單位應變所引起的電阻的相對變化。(12 )LLRKR /(12 )/LLRKR其中其中 對于確定的材料，對于確定的材料，(1+2v)項是常數，其數值約在項是常數，其數值約在12之間，之間，實驗證明實驗證明( ( /)/L 也是一個常數。也是一個常數。1.6/2 3.6LK(2 3.6)LRR于是(2 3.6)LRPRE所以有LLPE沿軸向施加的外力沿軸向施加的外力材料的彈性模量材料的彈性模量112.06 10EPa 金屬式金屬式、半導體半導體式式 910 圖圖 金屬絲式應變片的內部結構金屬絲式應變片的內部結構圖圖 金屬絲式應變片制

5、作示意圖金屬絲式應變片制作示意圖11 金屬箔式電阻應變片金屬箔式電阻應變片金屬箔式應變片的外形金屬箔式應變片的外形 電阻敏感元件不是金屬絲柵，而是通過光刻技術、腐蝕等工序制成的電阻敏感元件不是金屬絲柵，而是通過光刻技術、腐蝕等工序制成的一種很薄的金屬箔柵。金屬箔的厚度在一種很薄的金屬箔柵。金屬箔的厚度在0.0030.0030.010mm0.010mm之間。之間。 箔式應變片優點：箔式應變片優點：箔柵很薄、箔材表面積大、散熱條件箔柵很薄、箔材表面積大、散熱條件好，測量精度較高。好，測量精度較高。箔式應變片缺點：箔式應變片缺點：靈敏系數低，價格較絲式昂貴。靈敏系數低，價格較絲式昂貴。薄膜應變片薄膜

6、應變片：采用真空蒸發或真空沉積的采用真空蒸發或真空沉積的方法，將金屬敏感材料直接鍍制于彈性基方法，將金屬敏感材料直接鍍制于彈性基片上片上。箔式應變片優點：箔式應變片優點：應變靈敏系數高，穩定應變靈敏系數高，穩定性好、可靠性高、工作溫度范圍寬性好、可靠性高、工作溫度范圍寬(-100 (-100 180 180 ) )、使用壽命長、成本低、使用壽命長、成本低。1212 金屬薄膜式電阻應變片金屬薄膜式電阻應變片薄膜式應變片缺點：薄膜式應變片缺點：難控制其電阻對溫度和時間的變化關系難控制其電阻對溫度和時間的變化關系。13半導體應變片的外形半導體應變片的外形半導體應變片半導體應變片其靈敏系數很高其靈敏系

7、數很高( (約為絲式和箔約為絲式和箔式的式的5050倍倍) ) ，機械滯后小、橫向效，機械滯后小、橫向效應小，體積小等。應小，體積小等。電阻值及靈敏系數的溫度穩定電阻值及靈敏系數的溫度穩定性差，測量較大的應變時非線性嚴性差，測量較大的應變時非線性嚴重，靈敏系數的離散度較大等。重，靈敏系數的離散度較大等。 12eeKEE 14上表中，哪幾個型號是半導體應變片？依據是什么？上表中，哪幾個型號是半導體應變片？依據是什么？ 15測量電橋：測量電橋： 電橋是將電橋是將電阻、電感、電容電阻、電感、電容等參數的變化變換為等參數的變化變換為電電壓或電流壓或電流輸出的一種測量電路。由于電橋電路具有輸出的一種測量

8、電路。由于電橋電路具有靈靈敏度高、測量范圍寬、容易實現溫度補償敏度高、測量范圍寬、容易實現溫度補償等優點，因等優點，因此被廣泛采用。電橋根據電源的性質可分為此被廣泛采用。電橋根據電源的性質可分為直流電橋直流電橋和和交流電橋交流電橋兩類。兩類。 平衡電橋平衡電橋：把待測電阻與標準電阻進行比較，：把待測電阻與標準電阻進行比較，通過通過電橋平衡電橋平衡，從而測得待測電阻阻值。，從而測得待測電阻阻值。 非平衡電橋非平衡電橋：通過橋式電路來測量電阻，：通過橋式電路來測量電阻，根據電橋根據電橋輸出的不平衡電壓輸出的不平衡電壓，進行運算處理，從而得到引起電，進行運算處理，從而得到引起電阻變化的其他物理量。阻

9、變化的其他物理量。 2.1.3 2.1.3 電阻應變傳感器測量電路電阻應變傳感器測量電路2022年年3月月14日日18時時08分分16 一、惠斯登電橋一、惠斯登電橋平衡測量平衡測量1 1工作原理工作原理檢流計檢流計G G中無電流時，電橋達到平衡。中無電流時，電橋達到平衡。 電橋平衡的條件為電橋平衡的條件為: :設設R1= Rx R1= Rx 為被測電阻，則為被測電阻，則: :最常用的單臂直流電橋用來測量約最常用的單臂直流電橋用來測量約 1 1 到到0.1M0.1M 電阻。電阻。電橋平衡，電橋平衡，G G無電流，無電流，432xRRRR2022年年3月月14日日18時時08分分17131234,

10、EEIIRRRR132411441234()()ABADR RR RUUUI RI RERRRR二、惠斯登電橋二、惠斯登電橋不平衡測量（偏轉測量）不平衡測量（偏轉測量）1 1工作原理工作原理和差特性和差特性這種方法測量的不是電橋恢復平衡所需的作用量，而是這種方法測量的不是電橋恢復平衡所需的作用量，而是測量兩個分壓器之間的測量兩個分壓器之間的電壓差電壓差或測量通過跨接在分壓器或測量通過跨接在分壓器之間的之間的檢測器的電流檢測器的電流。 根據直流電橋的平衡條件：根據直流電橋的平衡條件：E+ABCDR1R4R3R2RgI1I4I3I2U2022年年3月月14日日18時時08分/p>

11、1234()RR RRRRUERRRRRR1234RRRRR工作時，若各臂的電阻都發生變化，即：工作時，若各臂的電阻都發生變化，即：444333222111,RRRRRRRRRRRR電橋電壓輸出近似為電橋電壓輸出近似為2.2.三種典型橋路的輸出特性三種典型橋路的輸出特性（1 1）單臂電橋：）單臂電橋： 14iUURR4iUUKRR拉伸拉伸電橋至少有一個橋臂的電阻發生變化，電橋才有輸出電壓電橋至少有一個橋臂的電阻發生變化，電橋才有輸出電壓 2022年年3月月14日日18時時08分分19123412RRRRRRRR 2iUUKRR（2 2）雙臂電橋：）雙臂電橋： 2iUURR 拉伸拉伸壓縮壓縮如果

12、電橋兩個橋臂電阻發生變化，且變化量相同時，則必如果電橋兩個橋臂電阻發生變化，且變化量相同時，則必須滿足：相鄰兩個橋臂電阻發生變化，且變化趨勢相反；須滿足：相鄰兩個橋臂電阻發生變化，且變化趨勢相反；或者相對兩個橋臂電阻變化，且變化趨勢相同時，才能保或者相對兩個橋臂電阻變化，且變化趨勢相同時，才能保證電橋有輸出，且輸出為單臂電橋的二倍證電橋有輸出，且輸出為單臂電橋的二倍 12341234RRRRRRRRRR iUUKRR2022年3月14日18時08分20（3）四臂電橋（全橋）： iUURR 全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。如果電橋四個橋臂電阻同時變化，必須同時保證

13、相鄰兩個橋如果電橋四個橋臂電阻同時變化，必須同時保證相鄰兩個橋臂電阻變化趨勢相反，相對兩個橋臂電阻變化趨勢相同，才臂電阻變化趨勢相反，相對兩個橋臂電阻變化趨勢相同，才能保證電橋輸出最大，且輸出為單臂電橋的四倍能保證電橋輸出最大，且輸出為單臂電橋的四倍 三、三、 應變電阻溫度補償應變電阻溫度補償2022年年3月月14日日18時時08分分21利用電橋相鄰兩臂同時產生利用電橋相鄰兩臂同時產生大小相等大小相等，符號相同符號相同的電阻增的電阻增量不會破壞電橋平衡量不會破壞電橋平衡( (無輸出無輸出) )的特性來達到補償。的特性來達到補償。 將兩個特性相同的應變片，將兩個特性相同的應變片，用同樣方法粘貼在

14、同樣材質的兩用同樣方法粘貼在同樣材質的兩個試件上，置于相同的環境溫度個試件上，置于相同的環境溫度中，一個承受應力，為工作片，中，一個承受應力，為工作片，另個不受應力，為補償片。在測另個不受應力，為補償片。在測量時，如溫度變化，兩個應變片量時，如溫度變化，兩個應變片引起的電阻增量不但引起的電阻增量不但符號相同符號相同，而且數量相等而且數量相等。由于它們接在電。由于它們接在電橋的相鄰兩臂上，橋路仍然平衡。橋的相鄰兩臂上，橋路仍然平衡。電橋如有輸出，則完全是由應變電橋如有輸出，則完全是由應變引起的。引起的。 方法：方法：2.1.4電阻應變傳感器命名與選擇1. 應變片命名規則 222. 應變片選擇方法

15、 23步驟步驟選擇參數選擇參數考慮內容考慮內容1 1應變片的系列應變片的系列應用精度、環境條件等應用精度、環境條件等2 2敏感柵柵長敏感柵柵長試件材料大小尺寸、粘貼面積、安裝條件、應變梯試件材料大小尺寸、粘貼面積、安裝條件、應變梯度等度等3 3敏感柵結構敏感柵結構應變梯度、應力種類、散熱條件、安裝空間、應變應變梯度、應力種類、散熱條件、安裝空間、應變計電阻等計電阻等4 4標稱電阻標稱電阻使用條件、功耗大小、最大允許電壓等使用條件、功耗大小、最大允許電壓等5 5溫度自補償系數溫度自補償系數試件材料類型、工作溫度范圍、應用精度等試件材料類型、工作溫度范圍、應用精度等6 6蠕變補償代號蠕變補償代號彈

16、性體的固有蠕變特性、實際測試的精度、工藝方彈性體的固有蠕變特性、實際測試的精度、工藝方法、防護膠種類、密封形式等法、防護膠種類、密封形式等7 7引線連接方式引線連接方式根據實際需要選擇應變計的引線連接方式。根據實際需要選擇應變計的引線連接方式。24242.1.5 2.1.5 電阻應變傳感器的應用電阻應變傳感器的應用 電阻應變傳感器的應用十分廣泛。它可以電阻應變傳感器的應用十分廣泛。它可以測量測量應變應力、彎矩、扭矩、加速度、位應變應力、彎矩、扭矩、加速度、位移移等物理量。等物理量。 電阻應變片的應用可分為兩大類：電阻應變片的應用可分為兩大類： 第一類：第一類：將應變片貼于被測試件上，然將應變片貼于被測試件上，然后將其接到應變儀上就可直接從應變儀后將其接到應變儀上就可直接從應變儀上讀取被測試件的應變量。上讀取被測試件的應變量。 25荷重傳感器原理演示 荷重傳荷重傳感器上的應感器上的應變片在重力變片在重力作用下產生作用下產生變形。軸向變形。軸向變短，徑向變短，徑向變長。變長。 2626第二類：第二類：將應變片粘貼于某些彈性元件將應變片粘貼于某些彈性元件上，并將其接到測量轉換電路上，并將其接到測量轉換電路應變應變式傳感器