傳感器第二章

傳感器原理及應用(學分:2學時:32)電話:第二章電阻式傳感器

電阻式傳感器是將非電量(如力、位移、形變、速度和加速度等）的變化量，變換成與之有一定關系的電阻值的變化，通過對電阻值的測量達到對上述非電量測量的目的。電阻式傳感器應變式電位計(器)式非繞線式電阻傳感器繞線式電阻傳感器半導體應變片式電阻傳感器金屬應變片式電阻傳感器︷︷︷電阻元件非電量電阻變化第二章電阻式傳感器一、電位計(器)式電阻傳感器二、應變式電阻傳感器三、測量電路及電阻應變儀四、電阻應變片式式傳感器應用舉例五、第三次作業一、電位計(器)式電阻傳感器一、線繞電位器式傳感器精密電位器機械位移信號電信號轉換元件1、線繞電位器結構和工作原理圖1－1工作原理圖等截面線繞式電位器⑴空載特性RL￥=條件：LUSxSUiVV==，0LxURRUUixi==0LRSxSRRR==，xSVSR

均為常數，他們分別表明了電刷單位位移所能引起的輸出電阻和輸出電壓的變化量。也表明改變電阻值R引起輸出電壓變化為線性變化。電壓的靈敏度電阻的靈敏度2、線繞電位器的輸出特性電阻靈敏度電壓靈敏度線性電位器（1）空載下令分壓系數負載系數⑵有載特性負載誤差相對負載誤差

一定，對K求一階導數，并令其=0，得：例設電位器總電阻，要求負載誤差0.1%，確定負載電阻。2、減小電位器負載誤差的方法——負載系數減小法ad15.0max?3.線繞式電位器的階梯特性及其分辨率xU0⑴階梯特性及產生原因圖1－3階梯特性階梯特性是由滑動觸點(電刷)在移動過程中,從一匝滑到另一匝時電阻值產生突變所引起的。其階梯值ΔU為：N——繞線總匝數⑵分辨率及階梯誤差分辨率：階梯誤差：在理想情況下，工作曲線均勻穿過實際曲線的階梯，此時的階梯誤差為：4、線繞電位器結構二、非線繞電位器式傳感器1、薄膜電位器2、導電塑料電位器基體、電阻膜帶、電刷、轉軸、導電環合成膜電位器金屬膜電位器3、光電電位器無接觸式電位器光電導層暗電阻:絕緣體明電阻:良導體優點：精度、壽命、分辨率、可靠性高、阻值范圍寬缺點：溫度范圍窄、輸出電流小、輸出阻抗較高結構復雜、體積和重量大2、液面高度測試儀3、電位器式位移傳感器返回二、應變式電阻傳感器一、電阻應變計的結構：柵狀敏感柵基底粘結劑蓋層引線傳遞應變應變計工作的物理基礎——電阻應變效應用途：測量位移、加速度、力、力矩、壓力應用領域：航空、機械、電力、化工、建筑、醫學等。

金屬電阻應變片的材料對電阻絲材料應有如下要求：①靈敏系數大，且在相當大的應變范圍內保持常數；②ρ值大，即在同樣長度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值；③電阻溫度系數小，否則因環境溫度變化也會改變其阻值；④與銅線的焊接性能好，與其它金屬的接觸電勢小；⑤機械強度高，具有優良的機械加工性能。

金屬電阻應變片的粘貼應變片是用粘結劑粘貼到被測件上的。粘結劑形成的膠層必須準確迅速地將被測件應變傳遞到敏感柵上。選擇粘結劑時必須考慮應變片材料和被測件材料性能，不僅要求粘接力強，粘結后機械性能可靠，而且粘合層要有足夠大的剪切彈性模量，良好的電絕緣性，蠕變和滯后小，耐濕，耐油，耐老化，動態應力測量時耐疲勞等。還要考慮到應變片的工作條件，如溫度、相對濕度、穩定性要求以及貼片固化時加熱加壓的可能性等。二、應變效應導體或半導體材料在受到外界力(拉力或壓力)作用時,產生機械變形,機械變形導致其阻值變化,這種因形變而使其阻值發生變化的現象稱為“應變效應”定義：圖應變片軸向受力及橫向效應（a）應變片及軸向受力圖；（b）應變片的橫向效應圖dA/A——圓形電阻絲的截面積相對變化量，設r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2πrdr，則由材料力學可知，在彈性范圍內，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短，令dl/l=ε為金屬電阻絲的軸向應變，那么軸向應變和徑向應變的關系可表示為式中,μ為電阻絲材料的泊松比,負號表示應變方向相反。軸向線應變其中單位：“微應變”徑向線應變P23軸向線應變泊淞比（1）金屬材料的應變電阻效應（2）半導體材料的應變電阻效應——金屬材料的電阻相對變化與線應變成正比——半導體材料的電阻相對變化與線應變成正比金屬絲材的應變靈敏系數半導體材料的應變靈敏系數（3）導電絲材的應變電阻效應金屬半導體幾何尺寸變化電阻率變化金屬絲材的應變電阻效應以結構尺寸變化為主，Km=1.8~4.8幾何尺寸變化壓阻效應半導體材料的應變電阻效應主要基于壓阻效應

用應變片測量應變或應力時，根據上述特點，在外力作用下，被測對象產生微小機械變形，應變片隨著發生相同的變化，同時應變片電阻值也發生相應變化。當測得應變片電阻值變化量為ΔR時，便可得到被測對象的應變值，根據應力與應變的關系，得到應力值σ為

σ=E·ε

三、應變片測量原理σ----試件的應力ε----試件的應變E-----試件材料的彈性模量(kg/mm2)四、應變片的分類

應變片有很多品種系列:從尺寸上講,長的有幾百mm,短的僅0.2mm;由結構形式上看,有單片、雙片、應變花和各種特殊形狀的圖案;就使用環境上說,有高溫、低溫、水、核輻射、高壓、磁場等;而安裝形式,有粘貼、非粘貼、焊接、火焰噴涂等。主要的分類方法是根據敏感元件材料的不同,將應變片分為金屬式和半導體式兩大類。從敏感元件的形態又可進一步分類如下:

應變片金屬屬性半導體式體形薄膜型絲式箔式紙基膠基體型薄模型擴散型外延型Pn結及其它形式

半導體式體型薄膜型、擴散型、外延型、PN結及其他形式金屬電阻應變片常見的形式有絲式、箔式、薄膜式等。絲式應變計是最早應用的品種。金屬絲彎曲部分可作成圓弧、銳角或直角,如圖所示。彎曲部分作成圓弧（U）形是最早常用的一種形式,制作簡單但橫向效應較大。直角（H）形兩端用較粗的鍍銀銅線焊接,橫向效應相對較小,但制作工藝復雜,將逐漸被橫向效應小、其他方面性能更優越的箔式應變片所代替。

圖

絲式應變計箔式應變計的線柵是通過光刻、腐蝕等工藝制成很薄的金屬薄柵（厚度一般在0.003～0.01mm）。與絲式應變計相比有如下優點:(1)工藝上能保證線柵的尺寸正確、線條均勻,大批量生產時,阻值離散程度小。(2)可根據需要制成任意形狀的箔式應變片和微型小基長（如基長為0.1mm）的應變片。

(3)敏感柵截面積為矩形,表面積大,散熱好,在相同截面情況下能通過較大電流。(4)厚度薄,因此具有較好的可撓性,它的扁平狀箔柵有利于形變的傳遞。(5)蠕變小,疲勞壽命高。(6)橫向效應小。(7)便于批量生產,生產效率高。圖幾種箔式應變片

圖中畫出了幾種箔式應變片。

薄膜式應變片是采用真空濺射或真空沉積技術,在薄的絕緣基片上蒸鍍金屬電阻薄膜（厚度在零點幾納米到幾百納米）,再加上保護層制成。其優點是靈敏度高,允許通過的電流密度大,工作溫度范圍廣,可工作于-197～317°C,也可用于核輻射等特殊情況下。制作應變計敏感元件的金屬材料應有如下要求:

(1)k0大,并在盡可能大的范圍內保持常數。(2)電阻率ρ大。這樣,在一定電阻值要求下,同樣線徑,所需電阻絲長度短。(3)電阻溫度系數小。高溫使用時,還要求耐高溫氧化性能好。(4)具有良好的加工焊接性能。

常用的敏感元件材料是康銅（銅鎳合金）、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金等。常溫下使用的應變片多由康銅制成。半導體應變計應用較普遍的有體型、薄膜型、擴散型、外延型等。體型半導體應變計是將晶片按一定取向切片、研磨、再切割成細條,粘貼于基片上制作而成。幾種體型半導體應變計示意圖如圖所示。體型半導體應變計示意圖半導體材料的應變電阻效應主要基于壓阻效應

半導體應變片是用半導體材料制成的，其工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。壓阻效應是指半導體材料，當某一軸向受外力作用時，其電阻率ρ發生變化的現象。當半導體應變片受軸向力作用時，其電阻相對變化為

式中dρ/ρ為半導體應變片的電阻率相對變化量，其值與半導體敏感元件在軸向所受的應變力有關，其關系為

將上式計算可得

實驗證明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半導體應變片的靈敏系數為π-半導休材料的壓阻系數

半導體應變片的靈敏系數比金屬絲式高50～80倍，但半導體材料的溫度系數大，應變時非線性比較嚴重，使它的應用范圍受到一定的限制。用應變片測量應變或應力時，根據上述特點，在外力作用下，被測對象產生微小機械變形，應變片隨著發生相同的變化，同時應變片電阻值也發生相應變化。當測得應變片電阻值變化量為ΔR時，便可得到被測對象的應變值，根據應力與應變的關系，得到應力值σ為σ=E·ε

薄膜型半導體應變計是利用真空沉積技術將半導體材料沉積于絕緣體或藍寶石基片上制成的。擴散型半導體應變計是將P型雜質擴散到高阻的N型硅基片上,形成一層極薄的敏感層制成的。外延型半導體應變計是在多晶硅或藍寶石基片上外延一層單晶硅制成的。半導體應變計有如下優點:

(1)靈敏度高。比金屬應變計的靈敏度約大50~100倍。工作時,可不必用放大器就可用電壓表或示波器等簡單儀器記錄測量結果。(2)體積小,耗電省。(3)由于具有正、負兩種符號的應力效應（即在拉伸時P型硅應變計的靈敏度系數為正值;而N型硅應變計的靈敏度系數為負值。(4)機械滯后小,可測量靜態應變、低頻應變等。五、電阻應變計的特性

應變計是一種重要的敏感元件。首先,它在實驗應力分析中是測量應變和應力的主要傳感元件;其次,某些其他類型的傳感器,如膜片式壓力傳感器、加速度計、線位移傳感器等,也經常使用應變計作為機電轉換元件或敏感元件,廣泛地應用于工程測量和科學實驗中。

應變計之所以成為重要的敏感元件,主要由于具有如下優點:

(1)測量應變的靈敏度和精確度高。能測1～2微應變（1×10-6mm/mm）的應變。誤差一般可小于1%。精度可達0.015%FS（普通精度可達0.05%FS）。(2)測量范圍大。從彈性變形一直可測至塑性變形。變形范圍從1%～20%。(3)尺寸小（超小型應變計的敏感柵尺寸為0.2mm×2.5mm）,重量輕,對試件工作狀態和應力分布影響很小。既可用于靜態測量,又可用于動態測量,且具有良好的動態響應（可測幾十甚至上百赫的動態過程）。

(4)能適應各種環境。可以在高溫、超低壓、高壓、水下、強磁場以及輻射等惡劣環境下使用。(5)價格低廉、品種多樣,便于選擇和大量使用。應變計有如下缺點:在大應變下具有較大的非線性,半導體應變計的非線性更為明顯;輸出信號較微弱,故抗干擾能力較差。應變式傳感器的性能在很大程度上取決于應變計的性能。下面就來討論應變計的主要特性。1、靜態特性①靈敏度系數金屬電阻絲的電阻相對變化與它所感受的應變之間具有線性關系,用靈敏度系數k0表示這種關系。金屬絲做成應變計后,由于基片、粘合劑以及敏感柵的橫向效應,電阻應變特性與單根金屬絲將有所不同,必須重新用實驗來測定。實驗是按規定的統一標準進行的。電阻應變計貼在一維力作用下的試件上,例如受軸向拉壓的直桿、純彎梁等。

試件材料用泊松系數μ=0.285的鋼。用精密電阻電橋或其他儀器測出應變計相對電阻變化,再用其他測應變的儀器測定試件的應變,得出電阻應變計的電阻—應變特性。實驗證明,電阻應變計的電阻相對變化ΔR/R與應變Δl/l=ε之間在很大范圍內是線性的,即式中,為電阻應變計的靈敏度系數。因一般應變計粘貼到試件上后不能取下再用,只能在每批產品中提取一定百分比（如5%）的產品進行測定,取其平均值作為這一批產品的靈敏度系數。這就是產品包裝盒上注明的靈敏度系數,或稱“標稱靈敏度系數”。②橫向效應實驗表明,應變計的靈敏度k恒小于金屬線材的靈敏度系數k0。其原因除了粘合劑、基片傳遞變形失真外,主要是由于存在橫向效應。敏感柵由許多直線及圓角組成,如圖所示。拉伸被測試件時,粘貼在試件上的應變計,被沿應變計長度方向拉伸,產生縱向拉伸應變εx,應變計直線段電阻將增加。但是在圓弧段上,沿各微段（圓弧的切向）的應變并不是εx,與直線段上同樣長的微段所產生的電阻變化不同。圖

最明顯的是在θ=π/2垂直方向的微段,按泊松比關系產生壓應變-εy。該微段電阻不僅不增加,反而減少。在圓弧的其他各微段上,感受的應變是由+εx變化到-εy的。這樣,圓弧段的電阻變化,顯然將小于同樣長度沿x方向的直線段的電阻變化。因此,將同樣長的金屬線材做成敏感柵后,對同樣應變,應變計敏感柵的電阻變化較小,靈敏度有所降低。這種現象稱為應變計的橫向效應。下面計算橫向效應引起的誤差。由彈性力學知,對平面問題,如果已知任一點P處三個應變分量εx,εy,εxy,則任何斜向微小線段的正應變

式中,l、m為斜向小線段的方向余弦。如圖所示,圖斜向小線段的方向余弦則采用半角公式則當電阻絲受到εx,εy,εxy作用時,半圓部分的伸長為式中,ls為半圓弧長,r為圓半徑。設應變計一個直線段的伸長為Δl1=εxl1(l1為直線段長度)若有n個直線段,而半圓弧共有(n-1)個,那么全長為L=nl1+(n-1)ls整個應變計電阻絲受εx,εy,εxy作用后的總伸長為因電阻的變化與電阻絲之伸長有如下關系則得設可寫成對其他型式應變計也適用的一般形式式中,kx為對軸向應變的靈敏度系數,它代表εy=0時,敏感柵電阻相對變化與εx之比,ky為對橫向應變的靈敏度系數,它代表εx=0時,敏感柵電阻相對變化與εy之比。因為稱為橫向效應系數。可見ls（r）愈小,l1愈大,H愈小。即敏感柵愈窄,基長愈長的應變計,其橫向效應引起的誤差越小。因為橫向效應系數的測定方法：R1R2兩式相除③其他特性參數(非重點）線性度試件的應變ε和電阻的相對變化ΔR/R,在理論上呈線性關系。但實際上,在大應變時,會出現非線性關系。應變計的非線性度一般要求在0.05%或1%以內。應變極限

粘貼在試件上的應變計所能測量的最大應變值稱為應變極限。在一定的溫度(室溫或極限使用溫度)下,對試件緩慢地施加均勻的拉伸載荷,當應變計的指示應變值對真實應變值的相對誤差大于10%時,就認為應變計已達到破壞狀態,此時的真實應變值就作為該批應變計的應變極限。mee8000lim3機械滯后和熱滯后

貼有應變計的試件進行加載和卸載時,其ΔR/R-ε特性曲線不重合。把加載和卸載特性曲線的最大差值δ稱為應變計的機械滯后值。零漂和蠕變恒定溫度下,粘貼在試件上的應變計,在不承受載荷的條件下,應變量隨時間變化的特性稱為應變計的零漂。在恒溫恒載下,粘貼在試件上的應變計，應變量隨時間變化的特性稱為應變計的蠕變。產生零漂和蠕變的主要原因是,敏感柵通過工作電流后的溫度效應,應變計的內應力逐漸變化,粘接劑固化不充分等。圖應變計的機械滯后圖零漂和蠕變疲勞壽命已安裝的應變計,在恒定幅值的交變應力作用下,可以連續工作而不產生疲勞損壞的循環次數。所謂疲勞損壞是指應變計指示應變的變化超過規定誤差,或者應變計的輸出波形上出現毛刺,或者應變計完全損壞而無法工作。疲勞壽命反映應變計對動態應變的適應能力。應變計的疲勞壽命的循環次數一般可達106次。最大工作電流最大工作電流是指允許通過應變計而不影響其工作的最大電流值。工作電流大,應變計輸出信號就大,因而靈敏度高。但過大的工作電流會使應變計本身過熱,使靈敏系數變化,零漂、蠕變增加,甚至燒壞應變計。工作電流的選取,要根據散熱條件而定,主要取決于敏感柵的幾何形狀和尺寸、截面的形狀和大小、基底的尺寸和材料、粘合劑的材料和厚度以及試件的散熱性能等。通常允許電流值在靜態測量時約取25mA左右,動態測量時可高一些,箔式應變計可取更大些。在測量塑料、玻璃、陶瓷等導熱性差的材料時,工作電流要取小些。絕緣電阻絕緣電阻是指應變計的引線與被測試件之間的電阻值,一般以兆歐計。絕緣電阻過低,會造成應變計與試件之間漏電而產生測量誤差。應變計電阻值R

應變計在未安裝也不受外力的情況下,于室溫時測得的電阻值。這是使用應變計時應知道的一個參數。國內應變計系列習慣上選用120、175、350、500、1000、1500Ω。幾何尺寸圓弧敏感柵應變計敏感柵基長L從圓弧頂部算起,箔式應變計則從橫向粗線的內沿算起。通常應變計L約為2~30mm,箔式應變計最小可達0.2mm,長的達100mm或更長。2、應變計的動態特性

在測量頻率較高的動態應變時,應考慮到它的動態響應特性。在動態情況下,應變以波動形式在材料中傳播,傳播速度為聲速。應力波從試件通過膠層、基片傳到敏感柵需要一定時間。沿應變計長度方向經過敏感柵需要更長一些的時間。敏感柵電阻的變化是對某一瞬時作用于其上應力的平均值的反應。鋼材聲速為5000m/s,膠層聲速為1000m/s。膠層和基片的總厚度約為0.05mm,由試件經過膠層和基片傳到敏感柵的時間約為5×10-8s,可以忽略不計。然而,當應變波沿敏感柵長度方向傳播的影響,應加以考慮。

階躍波沿敏感柵軸向傳播時,由于應變波通過敏感柵需要一定時間,當階躍波的躍起部分通過敏感柵全部長度后,電阻變化才達到最大值。應變計的理論響應特性。由于應變計粘合層對應變中高次諧波的衰減作用,實際波形如圖所示。如以輸出從最大值的10%上升到90%的這段時間為上升時間,則可測頻率

0.35,rft=階躍應變波通過敏感柵及其波形圖

90%100%tr10%tk￡?0.8uLts(a)(b)(c)uL

實際上tr值是很小的。例如,應變計基長L=20mm,應變波速v=5000m/s時,tr=3.2×10-6s,f=110kHz。

當測量按正弦規律變化的應變波時,由于應變計反映的應變波形,是應變計線柵長度內所感受應變量的平均值,因此應變計反應的波幅將低于真實應變波,從而帶來一定誤差。顯然,這種誤差將隨應變計基長的增加而加大。當基片一定時將隨頻率的增加而加大。表示應變計正處于應變波達到最大值時的瞬時情況。應變波的波長為λ,應變計的基長為L,兩端點的坐標為x1和x2,而此時應變計在其基長L內測得的平均應變εp達到最大值。其值為圖設φ=,因而應變波幅測量的相對誤差e為因為λ=

對于鋼材v=5000m/s,若要e=1%時,對L=1mm的應變計,其允許的最高工作頻率為由上式可知,測量誤差e與應變波長對基長的相對比值n=λ/L有關,其關系曲線如圖2.9所示。λ/L愈大,誤差e愈小。一般可取λ/L=10~20,其誤差e小于1.6~0.4%。又有f=v/(nL)。即n愈大,工作頻率愈高。圖2.9六、應變計的溫度特性及補償1、熱輸出及原因（1）敏感柵電阻值（T）（2）線膨脹系數不匹配由于溫度變化引起的應變輸出熱輸出α--敏感材料的電阻溫度系數分別為應變柵與試件材料的膨脹系數。例解：2、熱輸出的補償方法（1）單絲自補償α--敏感材料的電阻溫度系數（2）雙絲自補償（3）橋路補償法——相同的應變片——平衡電阻α--敏感材料的電阻溫度相反返回三、測量電路及電阻應變儀例變化電阻應變計電橋電路機械應變U(I)變化電阻應變儀放大、顯示一、應變電橋雙臂應變電橋單臂應變電橋全臂應變電橋直流電橋：R交流電橋:R、L、C不平衡橋式：偏差測量法（動態）平衡橋式：零位測量法（靜態）半等臂電橋全等臂電橋工作方式橋臂關系電源負載工作臂電壓輸出橋：功率輸出橋：U、I電源端對稱輸出端對稱二、直流電橋及輸出特性初始平衡條件：或此時1、電壓輸出橋的輸出特性ABC：ADC：電橋平衡條件：橋臂比線性部分非線性部分---為非線性系數討論：全等臂電橋半等臂對輸出端對稱電橋線性部分--非線性誤差（1）電橋的靈敏度（2）電橋的非線性補償措施加減特性，雙臂或四臂差動工作方式K：金屬半導體（3）電橋的加減特性對象：全等臂電橋、對輸出端對稱電橋“相鄰臂相減，相對臂相加”①一個橋臂R1工作②兩個相鄰橋臂工作③兩個相對橋臂工作④全臂工作電橋加減特性——“相鄰臂相減，相對臂相加”例：分析橋路補償塊法進行溫度補償的原理解：例解：例

利用全橋測量提高靈敏度并實現溫度補償。解

②恒流源供電法a．恒流源供電電橋特點：橋路供電電流I

=恒量。工作原理分析

設：流過R1、R2支路的電流為I1；流過R3、R4支路的電流為I2。輸出U

0在無應變時為:當有應變發生時R

1→R

1+ΔR

1，在無應變時滿足R1=R2=R3=R4輸出為：取：時，舍掉的非線性因子：比小得多。②恒流源供電法a．恒流源供電電橋2、功率輸出橋的輸出特性輸出功率最大的條件：（1）全等臂電橋（2）半等臂對輸出端對稱電橋三、交流電橋及其平衡

根據直流電橋分析可知，由于應變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產生零漂，因此應變電橋多采用交流電橋。圖為半橋差動交流電橋的一般形式，為交流電壓源，由于供橋電源為交流電源，引線分布電容使得二橋臂應變片呈現復阻抗特性，其中Z1,Z2,Z3,Z4為復阻抗。即相當于兩只應變片各并聯了一個電容，其電源電壓,輸出電壓均應用復數表示。則每一橋臂上復阻抗分別為圖交流電橋輸出電壓的特性方程為平衡條件或1、交流電橋平衡條件（1）電阻調平法2、交流電橋的調平方法①串聯電阻法②并聯電阻法（2）電容調平法①差動電容法②阻容調平法四、電阻應變儀1、分類2、結構及工作原理電橋：電源400~2000Hz，被測應變信號放大器：放大倍數帶寬振蕩器：載波信號、相敏檢波器的參考電壓相敏檢波器：檢波器（解調）、辨別相位圖電阻應變儀方框圖

在測量靜態應變時,不是將由相敏檢波器檢波后的信號直接記錄、處理或顯示,而是采用一個讀數電橋來測定應變。讀數電橋與測量電橋都由同一振蕩器來供電,它們的輸出端反向串聯起來輸入到放大器的輸入變壓器的初級。當測量電橋感受應變,使電橋不平衡而有一輸出電壓e1時,適當改變讀數電橋的橋臂電阻值,使其失去平衡輸出一個幅值大小與測量電橋輸出電壓相等而相位相反的輸出電壓e2。當e1-e2=0時,檢流計指示為零;當e1≠e2時,放大器立即將它放大,引起檢流計很大偏轉,從而能夠很精確地調整讀數電橋的橋臂阻值使e1很精確地等于e2。由于測量電橋與讀數電橋均由同一振蕩器供電,因此電源電壓的波動,將對e1、e2產生同樣比例的影響,所以不會影響應變讀數。另外,在這種情況下,放大器以及檢流計只起平衡指示作用,只要放大器放大系數足夠大,檢流計比較靈敏就夠了。對放大系數的穩定性和檢流計的精度要求就可以大為降低。零值法的優點是,測量精度主要取決于讀數電橋的精度,而不受電橋供電電壓波動以及放大器放大系數波動等的影響,因此測量精度較高。但由于需要進行手調平衡,故一般用于靜態測量。通常的靜、動態電阻應變儀的測量電路有交流供橋載波放大和直流供橋直流放大兩種類型。交流供橋載波放大具有靈敏度高,穩定性好,受外界干擾和電源影響小及造價低等優點。但存在工作頻率上限較低,導線分布電容影響大等缺點。而直流放大器等則相反,工作頻帶寬,能解決分布電容等問題。但它需配用精密電源供橋和穩定的直流放大器,造價較高。在數字應變儀、超動態應變儀中已逐漸采用由參考穩壓電源和運算放大電路組成的直流電橋電路。當然,直流放大器原理上的缺點并未徹底克服,實際運用時,需采取各種輔助技術。由于直流電橋輸出的穩定性和供橋直流電壓的穩定性密切相關,因此,直流電橋必須有一個穩定的直流供橋電壓。采用集成的參考穩壓電源和運算放大電路可以得到穩定的供橋直流電壓,如下圖所示。圖基本電橋驅動電路圖為專用的傳感器電源模塊作為穩定的直流供橋電壓源。圖中(a)為基本電路,圖(b)為電源模塊。因為電橋工作在非零輸出狀態,其激勵電壓發生變化會直接影響到電橋輸出的變化,對于低阻值電橋(應變計使用低阻值應變計時)連接到電橋激勵端的導線上的電壓降可能明顯地改變電橋激勵電壓,從而產生誤差。圖圖為了校正此誤差,常采用四線法(凱爾文法)連接電橋。兩根導線傳送給電橋電流,另兩根導線感受在電橋兩端的實際電壓,此實際電壓反饋回來與參考電壓相比較,以調整供橋電源的輸出電壓維持在所要求的電橋電壓值上。高增益的反饋回路使輸給電橋的電壓必定是比較器輸入為零(Ur-kUB=0)時,所需電壓,因此UB=Ur/k,如圖(a)所示。被測應變信號調幅后輸出電壓一般檢波器檢波相敏檢波器檢波3、環形相敏檢波器拉伸應變壓縮應變——拉伸應變——壓縮應變返回五、電阻應變片式傳感器應用舉例一、應變式傳感器的特點1、優點①應用和測量范圍廣②精度和靈敏度高③頻率響應特性好對復雜環境的適應性強商品化④⑤2、缺點①大應變下的非線性②屏蔽措施③不能測應力梯度的變化0.1%~0.01%幾十~上百KHz二、應變計的使用1、應變計的型號代號2、應變計的選用（1）選擇類型(a)、(f)、(i)：直角應變花(b)、(g)：45。應變花(c)：±45。應變花(d)、(e)：縱向、橫向應變計鏈(h)：殘余應變計例裂紋探測應變計例：膜片式應變壓力傳感器周邊固定的圓形金屬膜片徑向應變切向應變徑向負應變切向正應變（2）材料考慮（3）阻值選擇（4）尺寸選擇敏感柵、基底材料電阻應變儀：120Ω提高靈敏度：大阻值應變梯度較大：柵長較小瞬態及高頻動態應變：柵長較小3、應變計的使用方法（1）粘結劑的選擇（2）應變片的粘貼①②③④⑤⑥準備涂膠貼片復查接線防護應變式測力應變式測力傳感器由彈性體、應變計和外殼組成。彈性體是測力傳感器的基礎,應變計是傳感器的核心。根據彈性體的結構形式的不同可分為:柱式、輪輻式、梁式、環式等。1、柱式傳感器柱式傳感器是稱重(或測力)傳感器應用較普遍的一種形式。它分為圓筒形和柱形兩種。圖2.23畫出了傳感器的結構示意圖和外形。其結構是在圓筒或圓柱上按一定方式貼上應變計。圓筒或圓柱在外力F作用下產生的應變為

圖柱式傳感器(a)圓柱;(b)圓筒;(c)外形2.輪輻式傳感器輪輻式傳感器是一種剪切力傳感器。其結構示意圖如圖所示,由輪轱1、輪圈2、輪輻條3、承壓應變計4和拉伸應變計5等組成。輪輻條成對地連接在輪圈和輪轱之間,可為四根或八根(圖中為四根)。采用鋼球傳遞重力,因為圓球壓頭有自動定中心的功能。測量橋路如圖所示。當外力F作用在輪轱的上端面和輪圈下端面時,使矩形輻條產生平行四邊形的變形,如圖所示。當兩個輪輻條互相垂直時,其最大剪應力及剪應變分別為圖輪輻式傳感器(a)結構示意圖;(b)外形3.懸臂梁式傳感器懸臂梁式傳感器是一種低外形、高精度、抗偏、抗側性能優越的稱重測力傳感器。采用彈性梁及電阻應變計作敏感轉換元件,組成全橋電路。當垂直正壓力或拉力作用在彈性梁上時,電阻應變計隨金屬彈性梁一起變形,其應變使電阻應變計的阻值變化,因而應變電橋輸出與拉力(或壓力)成正比的電壓信號。配以相應的應變儀,數字電壓表或其他二次儀表,即可顯示或記錄重量(或力)。

圖懸臂梁(a)等截面梁;(b)等強度梁圖幾種梁式傳感器外形

4、應用舉例例：筒形結構的稱重傳感器FFF彈性元件傳感元件(應變片)被測非電量電阻應變（1）應變式力傳感器電子自動秤F應變式加速度傳感器主要用于物體加速度的測量。其基本工作原理是：物體運動的加速度與作用在它上面的力成正比，與物體的質量成反比，即a=F/m。圖是應變片式加速度傳感器的結構示意圖，圖中1是等強度梁，自由端安裝質量塊2，另一端固定在殼體3上。等強度梁上粘貼四個電阻應變敏感元件4。為了調節振動系統阻尼系數，在殼體內充滿硅油。（2）應變計式加速度傳感器圖電阻應變式加速度傳感器結構圖慣性系統：aF適用頻率：10~60Hz（3）應變計式位移傳感器測量范圍：0.1um~0.1mm角位移傳感器（4）應變式扭矩傳感器力矩：轉動狀態L、D——扭矩軸的軸長、軸直徑G——扭矩軸的彎曲系數T——扭矩扭矩角：單位：N.m壓縮力拉伸力軸的扭轉彈性形變程度返回①電阻式傳感器有哪些主要類型？②什么是金屬材料的應變效應？什么是半導體材料的壓阻效應？③比較金屬應變片和半導體應變片相同點與不同點？④采用應變片進行測量時為什么要進行溫度補償？常用溫補的方法有哪些？⑤分析采用橋路補償塊法進行溫度補償的原理？⑥如果將100Ω電阻應變片貼在彈性試件上，若試件受力橫截面積S=0.5×10-4m2，彈性模量正E=2×1011N／m2，若有F=5×104N的拉力引起應變電阻變化為1Ω。試求該應變片的靈敏度系數?課本上42頁3.53.63.9三道題五、第三次作業課后閱讀材料電阻應變式稱重傳感器

電阻應變式稱重傳感器是基于這樣一個原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發生變化（增大或減小），再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。

由此可見，電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。下面就這三方面簡要論述