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第三章、电阻式传感器 1 工作原理 2 金属应变片的主要特性 3 测量电路 4 应变式传感器应用 工作原理 1.金属的电阻应变效应 电阻的灵敏系数 金属电阻的灵敏系数k0 应变片的基本结构与种类 敏感栅 直径为0.025mm左右的合金电阻丝 丝绕式 基 底 绝缘 覆盖层 保护 应变片的类型和材料 金属丝式 金属箔式 金属薄膜式 金属丝式应变片 金属箔式应变片 在绝缘基底上,将厚度为0.003~0.01mm电阻箔材,利用照相制板或光刻腐蚀的方法,制成适用于各种需要的形状 箔式应变片的外形 优点 : (1)尺寸准确,线条均匀,适应不同的测量要求, (2)可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 (3)与被测试件接触面积大,粘结性能好。 散热条件好,允许电流大,灵敏度提高。 (4)横向效应可以忽略。 (5)蠕变、机械滞后小,疲劳寿命长。 金属薄膜应变片 采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅,再加上保护层,易实现工业化批量生产 优点:应变灵敏系数大,允许电流密度大,工作范围广,易实现工业化生产 问题:难控制电阻与温度和时间的变化关系 金属应变片的主要特性 (一)灵敏系数 (二)横向效应 (三)温度误差及其补偿 应变片的电阻值 R 应变片在未经安装也不受外力情况下,于室温下测得的电阻值R 电阻系列:60、120、200、350、500、1000Ω 可以加大应变片承受电压, 电阻值大 输出信号大, 敏感栅尺寸也增大 (一)灵敏系数 (二)横向效应 横向效应 应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分,从而降低了整个电阻应变片的灵敏度,带来测量误差,其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长,而横栅愈宽、愈短,则横向效应的影响愈小。 (三)温度误差及其补偿 相应的虚假应变输出为: 温度补偿 电桥补偿法 优点: 简单、方便,在常温下补偿效果较好, 缺点: 要求两应变片和两弹性元件的特性完全相同;在温度变化梯度较大的条件下,很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况,因而影响补偿效果。 ② 应变片的自补偿法 粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片,当温度变化时,产生的附加应变为零或相互抵消,这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。 a. 选择式自补偿应变片 b. 双金属敏感栅自补偿应变片 ③热敏电阻补偿 其它参数 应变极限 机械滞后 最大工作电流 零漂和蠕变 第三节 电阻应变片的测量电路及接口 1. 直流电桥 直流电桥的工作原理 2.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.电桥的输出式为: 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,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。 2.非线性误差及其补偿 全桥差动电路 典型接口电路 第四节 应用 汽车衡称重系统 材料应变的测量 斜拉桥上的斜拉绳应变测试 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 上一页 返 回 下一页 应变片工作时,其电阻变化ΔRi 上一页 返 回 下一页 采用等臂电桥,即R1= R2= R3=R4=R 。此时式(2.1.24)可写为 当ΔRi R ( i=1,2,3,4) 时,略去上式中的高阶微量,则 上一页 返 回 下一页 2.1.17 上一页 返 回 下一页 2. 电压灵敏度 应变片工作时:电阻值变化很小,电桥相应输出电压也很小,一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多,所以此时仍视电桥为开路情况。 当受应变时:若应变片电阻变化为ΔR,其它桥臂固定不变,电桥输出电压Uo≠0,则电桥
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