《传感器与检测技术》课程教学课件（PPT讲稿）第3章 电阻式传感器原理与应用 3.2.6 电阻应变片的选择 3.2.7 电阻应变片的测量电路 3.3 电阻应变式传感器的应用

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3.2.6电阻应变片的选择 自已 麦贸蜜时的艺鬚鳙件募选乔境样应菱蜜霞范要岸灸复菱费以開隆挛特 择。 ()试验环境 温度对应变片性能影响甚大，选用的应变片要在测试温度范围内工作良好。 变片的灵敏度下降， 精簧瓷片对驿醒踉黌容爱精斋性金凰，窬 涅金售产銮片象缘串四隆低 胶膜应变片，并采取适当的防潮措施。 对于高压，核辐射和强磁场的环境，应选用压力效应小、抗辐射、无磁致伸缩效 位（成较小）的应变片。 (2)应变性质 在静态应变测量史，温度的影响悬为突出多用自补偿盛变片。对于态应变 的测 量 要考虑应变片窥率响应特件和疲劳特性， 般选用阻值大、疲劳寿命 的应 试件的应变梯度较大时， 就选用尔标距的应变片，同时采角 误差 豪球意福女 应变片的应变极履，要学应委测量范围，香厕会田现严重非线性， 甚至损 (3)试件状况 试件材料不均匀时，应选用大标距应变片，以反映式件的宏观变形。对薄试件或 弹性模量试件，要考虑应变片的加强效应对测量的影响。 (4)测量精度 条铃韓度考忠，一般认为以胶膜为基底、以康铜或卡玛材料为敏感栅的应变片性

3.2.6 电阻应变片的选择（自己看） ⚫ 由于应变片的材料、结构、特性都不一样，其应用范围也各有差异，因此在进行 应变测量时，必须根据试件所处的环境、应变性质、试件状况及测试精度予以选 择。 ⚫ （1） 试验环境 ⚫ 温度对应变片性能影响甚大，选用的应变片要在测试温度范围内工作良好。 ⚫ 潮湿会使应变片绝缘电阻降低，使应变片和试件间的电容量发生变化，从而使应 变片的灵敏度下降，测量信号产生偏移。对于潮湿环境，应选用防潮性能良好的 胶膜应变片，并采取适当的防潮措施。 ⚫ 对于高压、核辐射和强磁场的环境，应选用压力效应小、抗辐射、无磁致伸缩效 应（或较小）的应变片。 ⚫ （2） 应变性质 ⚫ 在静态应变测量中，温度的影响最为突出，多选用自补偿应变片。对于动态应变 的测量，要考虑应变片频率响应特性和疲劳特性，一般选用阻值大、疲劳寿命高 的应变片。当试件的应变梯度较大时，就选用小标距的应变片，同时采用误差补 偿。应变片的应变极限，要大于应变测量范围，否则会出现严重非线性，甚至损 坏敏感栅。 ⚫ （3） 试件状况 ⚫ 试件材料不均匀时，应选用大标距应变片，以反映试件的宏观变形。对薄试件或 弹性模量试件，要考虑应变片的加强效应对测量的影响。 ⚫ （4） 测量精度 ⚫ 仅从精度考虑，一般认为以胶膜为基底、以康铜或卡玛材料为敏感栅的应变片性 能较好

3.2.7电阻应变片的测量电路 (1) 直流电桥 (2) 非线性误差及其补偿

3.2.7 电阻应变片的测量电路 （1） 直流电桥 （2） 非线性误差及其补偿

(1)直流电桥 ●直流电桥的工作原理 I=U R Ra-RR3 Ri(R+R(R3+R)+RR(R3+Ra)+RRa(R+R2) =0时电桥平衡 R1+△R1 R2 平衡条件： RL R4 RR=RR3 R/R-R/Ra 返回 上一页 下一页

（1） 直流电桥 直流电桥的工作原理 ( )( ) ( ) ( ) - L 1 2 3 4 1 2 3 4 3 4 1 2 1 4 2 3 L R R R R R R R R R R R R R R R R R I U + + + + + + = IL=0时电桥平衡 平衡条件 : R1R4=R2R3 R1 /R2=R3 /R4 R1+⊿R1 R2 R4 R3 U IL RL 返 回 上一页 下一页

◆不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度 当电桥后面接放大器时，电桥输出端看成开路 电桥的输出为： U R R-R2R3 (R+R2)(R3+R4) 应变片工作时，其电阻变化△R U,=U+ARB,+R)-(飞+RR+△R (R+△R+R2+△R2)(R+△R3+R4+△R4) 返回 上一页 下一页

不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度 当电桥后面接放大器时, 电桥输出端看成开路. 电桥的输出为： U R R R R R R R R U ( )( ) 1 2 3 4 1 4 2 3 0 + + − = 应变片工作时，其电阻变化ΔR 返 回 上一页 下一页 ( )( ) ( )( ) ( )( ) 1 1 2 2 3 3 4 4 1 1 4 4 2 2 3 3 0 R R R R R R R R R R R R R R R R U U +  + +  +  + +  +  +  − +  +  =

采用等臂电桥，即R=R2=RRR。此时上式可写为 U.=U R(AR,-AR;-AR,+AR,)+AR,AR,-AR,AR, (2R+△R+△R2R+△R+△R) 当△R<R(户1,2,3,4)时，略去上式中的高阶微量，则 U、 △R△R2 △R3，△R R R R R Uo UK 8-82-63+64） 返回 上一页 下一页

采用等臂电桥，即R1 =R2 = R3 =R4 =R 。此时上式可写为 (2 )(2 ) ( ) 1 2 3 4 1 2 3 4 1 4 2 3 0 R R R R R R R R R R R R R R R U U +  +  +  +   −  −  +  +   −   = 当ΔRi<< R ( i=1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，则        +  −  −  = R R R R R R R U R U 1 2 3 4 0 4 ( ) 0 1 2 3 4 4 =  −  −  +  UK U 返 回 上一页 下一页

上式表明： ①△R<R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。 ②若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时， 输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输 出电压为两者之和。 ③若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之 则为两者之差。 ④电桥供电电压U越高，输出电压U越大。但是，当U大时，电 阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的 最大工作电流时，传感器就会出现蠕变和零漂。 ⑤增大电阻应变片的灵敏系数K,可提高电桥的输出电压。 ●注意公式两套符号：一是公式符号；二是数值符号。 返回

上式表明： ① ΔRi<< R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。 ②若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变 时， 输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输 出电压为两者之和。 ③若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之 则为两者之差。 ④电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电 阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的 最大工作电流时，传感器就会出现蠕变和零漂。 ⑤ 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。 ⚫ 注意公式两套符号：一是公式符号；二是数值符号。 返 回 上一页 下一页

电桥调零： U (1)电阻调零 (a)串联法 (b)并联法 (Rn)mx=△l+△5 R R R (Rp)mx △ △r R R (a)串联法 (b)并联法 (2) 电容调零 图-15电阻调接电桥 (a)分布电容 (b)电容调零法之 (b)电容调零法之二

电桥调零： （2）电容调零 （1）电阻调零（图改错） 3 1 p max 1 3 ( ) R R R r r v =  +  3 3 1 1 1 max ( ) R r R r R Rb  +  =

(2)非线性误差及其补偿 对上式，略去分母中的△RR,项，假设△RR<1 ①单臂电桥：即R,桥臂变化△R,理想的线性关系 U△R Uo 4R 对单臂电桥实际输出电压U。=U △R U △R △R 4R+2△R 4 R 2 R 电桥的相对非线性误差为 6= 11 1△R 1△R1 K8 2 R 2 R 2 返回 上一页 下一页

对上式，略去分母中的ΔR1 /R1项 ,假设ΔR1 /R1<<1 ①单臂电桥: 即R1桥臂变化ΔR，理想的线性关系 对单臂电桥实际输出电压 返 回 上一页 下一页 R U R U  =  4 ' 0 1 0 2 1 1 4 2 4 −        +   =  +   = R R R U R R R R U U 电桥的相对非线性误差为  K R R R R R R U U 2 1 2 1 1 2 1 1 1 2 1 1 1 1 ' 0 0 = −  − = −    −  −        = − = +  − （2）非线性误差及其补偿

减小非线性误差采用的措施为： ②采用半桥差动电桥 R2-4R2 RI R3 R4 R2 R+AR R; R+R+R2-△R2R3+R4 返间 上一页 下一页

减小非线性误差采用的措施为： ②采用半桥差动电桥 R1 R2 F [ ] 3 4 3 1 1 2 2 1 1 0 R R R R R R R R R U U + − + + − + =    U0 R1＋⊿R1 R4 R3 U R2－⊿R2 返 回 上一页 下一页