[工学]3 电阻应变式传感器.ppt

当被测物理量作用在弹性敏感元件上时，弹性敏感元件的变形产生的应变引起应变片的阻值变化，通过转换电路将其转变成电量输出, 电量变化的大小反映了被测物理量的大小。 3.2 电阻应变片 金属应变片的工作原理是基于金属的应变效应--即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。 图3.2.2 金属电阻丝受力变形情况 如图 3.2.2 所示, 一根金属电阻丝在其未受力时, 原始电阻值为  当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长dL, 横截面积相应减小dS, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变dρ, 故引起电阻值相对变化量为 由材料力学可知, 在弹性范围内, 金属丝受拉力时, 沿轴向伸长, 沿径向缩短, 那么轴向应变εx和径向应变εy的关系可表示为 将上式代入式（3-1），可得 当将下图所示的应变片粘贴在被测试件上时, 其敏感栅是由n条长度为l1的直线段和(n-1)个半径为r的半圆组成。 半导体应变片受轴向力作用时, 其电阻相对变化为 实验证明, πE比(1+2μ)大上百倍, 所以(1+2μ)可以忽略, 因而半导体应变片的灵敏系数为 应变测试中，应变片的指示应变是敏感栅覆盖面积下的轴向平均应变。 ? 静态测试时，应变片能正确反映它所处受力试件内各点的应变； ? 动态测试时，应变是以应变波的形式沿应变片的敏感栅的长度方向传播，因而应变片反映的平均应变与瞬时应变有一定差异，产生动态误差。 (1)受力试件内的应变波为阶跃变化时(a)，应变片对其响应如图(b)（理论响应）和图(c)（实际响应）所示。 响应特性用上升时间t r表示 t r =0.8l/v （2） 受力试件内的应变波为正弦变化时，考虑应变波峰值处应变片(红色，长度l0)的响应情况如图(a)所示。 设沿试件内传播的应变波为 ?=?0 sin(2?x/?) 对应变波幅值?0，应变片响应的应变（平均应变）?p 为 应变波幅值测量的相对误差 当n=?/l0 =10-20时，?=1.6%-0.4% δ2%时，应变片的响应频率 3.3 电阻应变片温度误差及补偿 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有: Rt — 温度为t时的电阻值；  R0 — 温度为t0时的电阻值；  α0 — 电阻丝的电阻温度系数； Δt — 温度变化值，Δt=t-t0。 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时，不论环境温度如何变化，电阻丝的变形仍和自由状态一样，不会产生附加变形。  Ls= L0（1+βsΔt） Lg= L0（1+βgΔt） 由式(3-3)和式(3-4), 可得由于温度变化而引起应变片总电阻相对变化量为 折合成附加应变量εt, 有 1) 桥路补偿法 电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。图 3.3.1(a) 所示是电桥补偿法的原理图。电桥输出电压U0与桥臂参数的关系为 3.3.1 电桥补偿法 式中: A——由桥臂电阻和电源电压决定的常数。 R1—工作应变片； RB—补偿应变片 当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有 若此时被测试件有应变ε的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量ΔR1=R1Kε，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量，此时电桥输出电压为 U0 = AR1R4Kε ① 在应变片工作过程中，保证R3 =R4。 这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片，称之为温度自补偿应变片。 3.4 电阻应变片的测量电路 由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来，同时要把电阻相对变化ΔR/ R转换为电压或电流的变化以方便显示和记录。 因此, 需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路，通常采用测量电桥。 电桥电路如图3.4.1 所示，图中E为电源 电压，R1、R2、R3 及R4为桥臂电阻， RL为负载电阻。 当电桥平衡时，U0=0，则有 R1为电阻应变片，R2, R3, R4为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。应变片工作时，其电阻值变化很小，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。 设桥臂比n=R2/R1，由于ΔR