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第2章 電阻應(yīng)變式傳感器,2.1 電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理,電阻應(yīng)變式傳感器，就是由于某些物理量的變化引起應(yīng)變，應(yīng)變引起電阻變化的一種傳感器。,粘貼在彈性敏感元件表面的電阻應(yīng)變片將隨著彈性敏感元件產(chǎn)生應(yīng)變，因此電阻應(yīng)變片的電阻值也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。,主要是由彈性敏感元件和電阻應(yīng)變片組成。,彈性敏感元件的材料是彈性物質(zhì)，其作用是在感受被測(cè)量時(shí)將產(chǎn)生變形，其表面產(chǎn)生應(yīng)變；,1,2.2電阻應(yīng)變式的工作原理,2.2.1 金屬的應(yīng)變效應(yīng),根據(jù)電阻定律，金屬絲的電阻隨著它所受的機(jī)械變形（拉伸或壓縮）的大小而發(fā)生相應(yīng)的變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。 電阻應(yīng)變片的工作原理就是基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)設(shè)計(jì)而成的。,2.2.2 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu),右圖2-1 電阻絲應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 1—基底 2—電阻絲 3—覆蓋面 4—引線,2,2.2.3 應(yīng)變片的特性,根據(jù)電阻定律，一根金屬絲的電阻為,(2-1),）；,R為金屬絲的電阻（,為金屬絲的電阻率,L為金屬絲的長(zhǎng)度（m）；A為金屬絲的截面積（㎡）。,ρ,3,取一段金屬絲如圖2-2所示。當(dāng)金屬絲受拉而伸長(zhǎng)dL時(shí)，其截面積將相應(yīng)減小dA，電阻率則因金屬晶格發(fā)生變形等因素的影響也將改變dρ，這些量的變化，必然引起金屬絲電阻改變dR。,圖 2-2 金屬導(dǎo)線受力變形情況,2.2.3 應(yīng)變片的特性,4,2.2.3 應(yīng)變片的特性,,（2-2）,以R除式（2-2）的左邊，得,,（2-3）,,（r為金屬絲半徑） （2-4）,（2-5）,5,2.2.3 應(yīng)變片的特性,為金屬絲材料的泊松比。,將式（2-4）、式（2-5）代入式（2-3）得,,,（2-6）,（2-7）,或,令,,（2-8）,,稱為金屬絲的靈敏系數(shù) 。表示金屬絲產(chǎn)生單位變形時(shí)，電阻相對(duì)變化的大小。,6,2.2.3 應(yīng)變片的特性,實(shí)驗(yàn)證明，在金屬絲變形的彈性范圍內(nèi)，電阻的相對(duì)變化,與應(yīng)變,成正比，因而,為一常數(shù)。,式（2-8）以增量表示為,,（2-9）,2.2.4 應(yīng)變片的測(cè)試原理,用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，是將應(yīng)變片粘貼于對(duì)象上。在外力作用下，被測(cè)對(duì)象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形，粘貼在其表面上的應(yīng)變片亦隨其發(fā)生相同的變化，因此應(yīng)變片的電阻也發(fā)生相應(yīng)的變化。,7,2.3 電阻應(yīng)變片的種類、材料和參數(shù),2.3.1 電阻應(yīng)變片的種類,1. 絲式應(yīng)變片,（1）回線式應(yīng)變片，見圖 2-3,（2）短接式應(yīng)變片，見圖2-4,2. 薄膜應(yīng)變片,3. 半導(dǎo)體應(yīng)變片,半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的電阻率隨作用應(yīng)力而變化的所謂“壓阻效應(yīng)”。所有材料在某種程度都呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別顯著，能直接反映出很小的應(yīng)變。,見圖2-5 a）,見圖2-5 b）,8,圖 2-3 回線式應(yīng)變片,圖2-4 短接式應(yīng)變片,圖2-5 a)薄膜應(yīng)變片 b)半導(dǎo)體應(yīng)變片,9,2.3 電阻應(yīng)變片的種類、材料和參數(shù),2.3.2 電阻應(yīng)變片的材料,1. 敏感柵材料,2. 應(yīng)變片基底材料,3. 引線材料,,10,2.3 電阻應(yīng)變片的種類、材料和參數(shù),2.3.2 電阻應(yīng)變片的參數(shù),1. 應(yīng)變片電阻值R0,2. 絕緣電阻,3. 靈敏系數(shù)K,指未安裝的應(yīng)變片在不受外力的情況下，于室溫條件測(cè)定的電阻值，也稱原始阻值。已趨于標(biāo)準(zhǔn)化，120 歐姆最為常用。,敏感柵與基底間的電阻值，一般應(yīng)大于 歐姆。,是指應(yīng)變片安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變片的阻值相對(duì)變化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比。,11,4. 允許電流,5. 應(yīng)變極限,2.3 電阻應(yīng)變片的種類、材料和參數(shù),2.3.2 電阻應(yīng)變片的參數(shù),是指不因電流產(chǎn)生熱量影響測(cè)量精度，應(yīng)變片允許通過的最大電流在靜態(tài)測(cè)量時(shí)，允許電流一般為25mA；在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，允許電流可達(dá)75~100mA。,指在溫度一定時(shí)，指示應(yīng)變值和真實(shí)應(yīng)變值的相對(duì)差值不超過一定數(shù)值時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變數(shù)值，一般差值規(guī)定為10%，當(dāng)指定應(yīng)變值大于真實(shí)應(yīng)變值的10%時(shí)，真實(shí)應(yīng)變值稱為應(yīng)變片的極限應(yīng)變。,12,6. 機(jī)械滯后、零漂和蠕變,2.3 電阻應(yīng)變片的種類、材料和參數(shù),2.3.2 電阻應(yīng)變片的參數(shù),應(yīng)變片的機(jī)械滯后是指對(duì)粘貼的應(yīng)變片，在溫度一定時(shí)，增加和減少機(jī)械應(yīng)變過程中同一機(jī)械應(yīng)變量下指示應(yīng)變值的最大差值。 零點(diǎn)漂移（簡(jiǎn)稱零漂）是指已粘貼好的應(yīng)變片，在溫度一定和無機(jī)械應(yīng)變時(shí)，指示應(yīng)變值隨時(shí)間的變化。 蠕變是指已粘貼好的應(yīng)變片，在溫度一定并承受一定的機(jī)械應(yīng)變時(shí)，指示應(yīng)變值隨時(shí)間的變化。,13,2.4 粘合劑和應(yīng)變片的粘貼技術(shù),2.4.1 粘合劑,電阻應(yīng)變片工作時(shí)，總是被粘貼到試件上或傳感器的彈性元件上。在測(cè)試被測(cè)量時(shí)，粘合劑所形成的膠層起著非常重要的作用，它應(yīng)準(zhǔn)確無誤地將試件或彈性元件的應(yīng)變傳遞到應(yīng)變片的敏感柵上去。所以粘合劑和粘貼技術(shù)對(duì)于測(cè)量結(jié)果有直接影響，不能忽視它們的作用。 對(duì)粘合劑有如下要求：①有一定的粘結(jié)強(qiáng)度；②能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變；③蠕變?。虎軝C(jī)械滯后??；⑤耐疲勞性能好，韌性好；⑥長(zhǎng)期穩(wěn)定性好；⑦具有足夠的穩(wěn)定性能；⑧對(duì)彈性元件和應(yīng)變片不產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用；⑨有適當(dāng)?shù)膬?chǔ)存期；⑩有較大的使用溫度范圍。,14,2.4 粘合劑和應(yīng)變片的粘貼技術(shù),2.4.2 應(yīng)變片粘貼工藝,1. 應(yīng)變片檢測(cè) 根據(jù)測(cè)試要求而選用的應(yīng)變片，要做外觀的檢查和電阻值的檢測(cè)，對(duì)精度要求較高的測(cè)試還應(yīng)檢測(cè)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)和橫向靈敏度。 （1）外觀檢查 線柵或箔柵的排列是否整齊均勻，是否有造成短路、斷路的部位或有銹蝕斑痕；引出線焊接是否牢固；上下基底是否有破損部位。 （2）電阻值檢測(cè) 對(duì)經(jīng)過外觀檢查合格的應(yīng)變片，要逐個(gè)進(jìn)行電阻值測(cè)量，其值要求準(zhǔn)確到0.05,,15,2.4 粘合劑和應(yīng)變片的粘貼技術(shù),2.4.2 應(yīng)變片粘貼工藝,2. 修整應(yīng)變片 1）對(duì)沒有標(biāo)出中心線標(biāo)記的應(yīng)變片，應(yīng)在其上基底上標(biāo)出中心線。 2）如有需要應(yīng)對(duì)應(yīng)變片的長(zhǎng)度和寬度進(jìn)行修整，但修整后的應(yīng)變片不可小于規(guī)定的最小長(zhǎng)度和寬度。 3）對(duì)基底較光滑的膠底應(yīng)變片，可用細(xì)砂布將基底輕輕地稍許打磨，并用溶劑洗凈。 3. 試件表面處理 為了使應(yīng)變片牢固地粘貼在試件表面上，必須使將要貼應(yīng)變片的試件表面部分平整光潔，無油漆、銹斑、氧化層、油污和灰塵等。,16,2.4 粘合劑和應(yīng)變片的粘貼技術(shù),2.4.2 應(yīng)變片粘貼工藝,4. 劃粘貼應(yīng)變片的定位線 為了保證應(yīng)變片粘貼位置的準(zhǔn)確，可用畫筆在試件表面劃出定位線。粘貼時(shí)應(yīng)使應(yīng)變片的中心線與定位線對(duì)準(zhǔn)。 5. 粘貼應(yīng)變片 在處理好的粘貼位置上和應(yīng)變片基底上，各涂抹一層薄薄的粘合劑，稍待一段時(shí)間（視粘合劑種類而定），然后將應(yīng)變片粘貼到預(yù)定位置上。在應(yīng)變片上面放一層玻璃紙或一層透明的塑料薄膜，然后用手滾壓擠出多余的粘合劑，使粘合劑層的厚度盡量減薄。 6. 粘合劑的固化處理 對(duì)粘貼好的應(yīng)變片，依粘合劑固化處理。,17,2.4 粘合劑和應(yīng)變片的粘貼技術(shù),2.4.2 應(yīng)變片粘貼工藝,7. 應(yīng)變片粘貼質(zhì)量的檢查 （1）外觀檢查 最好用放大鏡觀察粘合層是否有氣泡，整個(gè)應(yīng)變片是否全部粘貼牢固，有無造成短路、斷路等危險(xiǎn)的部位，還要觀察應(yīng)變片的位置是否正確。 （2）電阻值檢測(cè) 應(yīng)變片的電阻值在粘貼前后不應(yīng)有較大的變化。 （3）絕緣電阻值檢測(cè) 應(yīng)變片電阻絲與試件之間的絕緣電阻值一般應(yīng)大于200M,18,2.4 粘合劑和應(yīng)變片的粘貼技術(shù),2.4.2 應(yīng)變片粘貼工藝,8. 引出線的固有保護(hù) 粘貼好的應(yīng)變片引出線與測(cè)量用導(dǎo)線焊接在一起，為了防止應(yīng)變片電阻絲和引出線被拉斷，用膠布將導(dǎo)線固定于試件表面，但固定時(shí)要考慮使引出線有呈彎曲性的余量和引出線與試件之間的良好絕緣。 9. 應(yīng)變片的防潮處理 應(yīng)變片粘貼好固化以后，要進(jìn)行防潮處理，以免潮濕引起絕緣電阻和粘合強(qiáng)度降低，影響測(cè)試精度。 簡(jiǎn)單的方法是在應(yīng)變片上涂一層中性凡士林，有效期為數(shù)月。最好是石蠟或蜂蠟熔化后涂在應(yīng)變片表面上（厚度約為2mm），這樣可長(zhǎng)時(shí)間防潮。,19,2.5.1 溫度誤差及其產(chǎn)生原因,1. 溫度變化引起應(yīng)變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應(yīng)變,,,（2-12）,(2-13),為溫度為t時(shí)的電阻值;,為溫度為t0時(shí)的電阻值,,,為溫度的變化值 ;,,為溫度變化,時(shí)的電阻變化,,為敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)。,20,將溫度變化折合為應(yīng)變,，則,1. 溫度變化引起應(yīng)變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應(yīng)變,,(2-14),K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù),2. 試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變,如果粘貼在試件上一段長(zhǎng)度為,,的應(yīng)變絲，當(dāng)溫度變化,,時(shí)，應(yīng)變絲受熱膨脹至,,而應(yīng)變絲下的試件伸長(zhǎng)至,,，則,21,2. 試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變,,,,,（2-15）,(2-16),（2-17）,（2-18）,為溫度為t0時(shí)的應(yīng)變絲長(zhǎng)度； 為溫度為t時(shí)的應(yīng)變絲長(zhǎng)度； 為溫度為t時(shí)應(yīng)變絲下的試件長(zhǎng)度；βg為應(yīng)變絲的線膨脹系數(shù)；βm為試件的線膨脹系數(shù)； 、 分別為溫度變化 時(shí)應(yīng)變絲和試件的膨脹量。,,,,,,22,由式（2-16）和式（2-18）可知，如果,不相等，則,也不等。但是應(yīng)變絲和試件是粘貼在一起的，,拉長(zhǎng)至,，就使應(yīng)變絲產(chǎn)生附加變形,，即,2. 試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變,若應(yīng)變絲被迫從,,（2-19）,折算為應(yīng)變，則,23,2. 試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變,,（2-20）,引起的電阻變化為,,因此，由于溫度變化,而引起的總阻值變化為,（2-21）,,,（2-22）,24,總附加虛假應(yīng)變量為,2. 試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變,,（2-23）,2.5.2 溫度補(bǔ)償方法,溫度補(bǔ)償方法，分為橋路補(bǔ)償和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。 1. 橋路補(bǔ)償法 橋路補(bǔ)償法也稱補(bǔ)償片法。應(yīng)變片通常是作為平衡電橋的一個(gè)臂測(cè)量應(yīng)變的，圖2-6中,,為工作片，,,為補(bǔ)償片。,25,2.5 電阻應(yīng)變式傳感器的溫度誤差及其補(bǔ)償,2.5.2 溫度補(bǔ)償方法,工作片 粘貼在試件上需要測(cè)量應(yīng)變的地方，補(bǔ)償片 粘貼在一塊不受力的與試件相同材料上，這塊材料自由地放在試件上或其附近，如圖2-6b所示。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，工作片 和補(bǔ)償片 的電阻都發(fā)生變化，而它們的溫度變化相同， 和 為同類應(yīng)變片，又粘貼在相同的材料上，因此 和 分別接入電橋的相鄰兩橋臂，則因溫度變化引起的電阻變化 和 的作用相互抵消，這樣就起到了溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?,,,,,26,圖2-6 橋路補(bǔ)償法,27,值的應(yīng)變片只能用在一種材料上，因,2. 應(yīng)變片自補(bǔ)償法,2.5 電阻應(yīng)變式傳感器的溫度誤差及其補(bǔ)償,粘貼在被測(cè)部位上的是一種特殊應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒@種特殊應(yīng)變片稱為應(yīng)變片自補(bǔ)償法。下面介紹兩種自補(bǔ)償應(yīng)變片。 （1）選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片 由式(2-23)可知，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)臈l件為,,則,,(2-24),被測(cè)試件材料確定后，就可以選擇適合的應(yīng)變片敏感柵材料滿足式（2-24），達(dá)到溫度補(bǔ)償。這種方法的缺點(diǎn)是一種,此局限性很大。,28,雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片也稱組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片。它是利用兩種電阻絲材料的電阻溫度系數(shù)不同（一個(gè)為正，一個(gè)為負(fù)）的特性，將二者串聯(lián)繞制成敏感柵，如圖2-7所示。若兩段敏感柵的電阻,和,而產(chǎn)生的電阻變化,和,大小相等而符號(hào)相反，,和,的比值關(guān)系可由下,（2）雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片,2.5 電阻應(yīng)變式傳感器的溫度誤差及其補(bǔ)償,，由于溫度變化,就可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，電阻,式?jīng)Q定：,而其中,29,。,圖2-7 雙金屬絲柵法,30,3. 熱敏電阻補(bǔ)償法,如圖2-8所示，圖中的熱敏電阻RT處在與應(yīng)變片相同的溫度條件下，當(dāng)應(yīng)變片的靈敏度隨溫度升高而下降時(shí)，熱敏電阻RT的阻值也下降，使電橋的輸入電壓隨溫度升高而增加，從而提高電橋的輸出，補(bǔ)償因應(yīng)變片引起的輸出下降。選擇分流電阻,可以得到良好的補(bǔ)償。,的值，,圖2-8 熱敏電阻補(bǔ)償法,31,2.6電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路,2.6.1 測(cè)量電橋的工作原理,平衡電橋多用直流供電，四臂中任一電阻可用應(yīng)變片代替，因?yàn)閼?yīng)變片工作過程中阻值變化很小，所以可認(rèn)為電源供出的電流I在工作過程中是不變的，即加在3~4間的電壓是一個(gè)定值，如圖2-9所示。假定電源為電動(dòng)勢(shì)源，內(nèi)阻為零，則在檢流計(jì)中流過的電流 和電橋各參數(shù)間的關(guān)系為,1. 平衡電橋的工作原理,,（2-25）,32,為檢流計(jì)的內(nèi)阻。應(yīng)變片的阻值變化可以用 的大小來表示（偏轉(zhuǎn)法），也可以用橋臂阻值的改變量來表示（零度法）。若采用零度法時(shí)，電橋的平衡條件為流過檢流計(jì)的電流等于零，此時(shí)式（2-25）要滿足下列條件：,,,,（2-26）,,即,2.6電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路,2.6.1 測(cè)量電橋的工作原理,1. 平衡電橋的工作原理,33,圖2-9 直流電橋,34,若第一臂用應(yīng)變片代替，應(yīng)變片由應(yīng)變引起的電阻變化為,，使式（2-26）的關(guān)系被破壞，檢流計(jì)中有電流,使它變?yōu)?，則有,2.6電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路,2.6.1 測(cè)量電橋的工作原理,1. 平衡電橋的工作原理,流過，此時(shí)可調(diào)節(jié)其余臂的電阻，使重新滿足式（2-26）,的關(guān)系。若調(diào)節(jié),,（2-27）,,（2-28）,由,和式（2-28）得,,35,2.6電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路,2.6.1 測(cè)量電橋的工作原理,1. 平衡電橋的工作原理,若,和,為定值時(shí)，可用,表示,的大小，一,和,稱為比例臂，改變它們的比值，可以改變,的測(cè)量范圍，而,稱為調(diào)節(jié)臂，用它來改變被測(cè),般將,應(yīng)變值。平衡電橋和一般電橋的不同點(diǎn)是在測(cè)量前和測(cè)量時(shí)需要作兩次平衡。靜態(tài)應(yīng)變儀的電橋多采用這種原理制成。若應(yīng)變?yōu)閯?dòng)態(tài)量，則電阻變化較快，平衡電橋已經(jīng)來不及了，此時(shí)只能采取偏轉(zhuǎn)法，即不平衡電橋法。,36,實(shí)際上電橋后面連接的放大器的輸入阻抗都很高，比電橋的輸出電阻大得多，此時(shí)必須要求電橋具有較高的電壓靈敏度，當(dāng)有小的 變化時(shí)，能產(chǎn)生較大的 值 。,2. 不平衡電橋的工作原理,2.6電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路,2.6.1 測(cè)量電橋的工作原理,不平衡電橋是利用電橋輸出電流或電壓與電橋各參數(shù)間的關(guān)系進(jìn)行工作的，此時(shí)在橋的輸出端接入檢流計(jì)或放大器。在輸出電流時(shí)，為了使電橋有最大的電流靈敏度，希望電橋的輸出電阻盡量和指示器內(nèi)阻相等。,37,2. 不平衡電橋的工作原理,2.6電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路,2.6.1 測(cè)量電橋的工作原理,圖2-10為由交流電壓u供電的交流電橋電路，第一臂是應(yīng)變片，其他三臂為固定電阻。應(yīng)變片未承受應(yīng)變時(shí)阻值為 ，電橋處于平衡狀態(tài)，電橋輸出電壓為零。當(dāng)承受應(yīng)變時(shí)，產(chǎn)生 的變化，電橋變?yōu)椴黄胶?，輸出電壓? 。由圖2-10可知：,,,,圖2-10 交流電橋,38,2. 不平衡電橋的工作原理,2.6電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路,2.6.1 測(cè)量電橋的工作原理,,假設(shè)n=R2/R1，并考慮電橋初始平衡條件R2/R1=R4/R3,以及略去分母中的微小變化 ， 則式（2-29）,（2-29）,可以寫為,,(2-30),39,2. 不平衡電橋的工作原理,2.6電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路,2.6.1 測(cè)量電橋的工作原理,電橋的電壓靈敏度為,(2-31),研究式（2-31）可以發(fā)現(xiàn)：,1）電橋的電壓靈敏度正比于電橋的供電電壓，電橋的供電電壓愈高，電壓靈敏度愈高。,2）電橋的電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，即和電橋各臂的初始比值有關(guān)。,當(dāng)n=1時(shí)電壓靈敏度最大,此時(shí)R1=R2,R3=R4,40,對(duì)于這類對(duì)稱，式（2-29）、式（2-30）和式（2-31）可以分別簡(jiǎn)化為,2. 不平衡電橋的工作原理,2.6電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路,2.6.1 測(cè)量電橋的工作原理,(2-32),(2-33),（2-34）,41,在以上研究電橋工作狀態(tài)時(shí)，都是假定應(yīng)變片的參數(shù)變化很小，所以在分析電橋輸出電流或電壓與各參數(shù)關(guān)系時(shí)，都忽略了分母中的 ，最后得到的刻度特性 都是線性關(guān)系。但是若應(yīng)變片所承受的應(yīng)變太大，使它的阻值變化和本身的初始電阻可以比擬時(shí)，分母中的 就不能忽略，此時(shí)得到的刻度特性 是非線性的。實(shí)際的非線性特性曲線與理想的線性特性曲線的偏差稱為絕對(duì)非線性誤差。下面我們以R1 =R2 、R3 =R4 對(duì)稱情況為例求非線性誤差 的大小。,2.6電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路,2.6.1 測(cè)量電橋的工作原理,3. 電橋電路的非線性誤差及其補(bǔ)償,,,,,,,42,設(shè)理想情況下,，則,2.6電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路,2.6.1 測(cè)量電橋的工作原理,3. 電橋電路的非線性誤差及其補(bǔ)償,,(2-35),所以對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)變片的測(cè)量電路要做特殊處理，以減小非線性誤差。一般消除非線性誤差的方法有以下幾種：,43,2.6電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路,2.6.1 測(cè)量電橋的工作原理,3. 電橋電路的非線性誤差及其補(bǔ)償,（1）采用差動(dòng)電橋,正如前面所述，根據(jù)被測(cè)量零件的受力情況，兩應(yīng)變片一個(gè)受拉，一個(gè)受壓，應(yīng)變符號(hào)相反，工作時(shí)將兩個(gè)應(yīng)變片接入電橋的相鄰臂內(nèi)，如圖2-11a所示，稱為半橋差動(dòng)電路，在傳感器中經(jīng)常使用這種接法。有時(shí)工作應(yīng)變片也可能是四個(gè)，兩個(gè)受拉，兩個(gè)受壓，接入橋路時(shí)，將兩個(gè)變形符號(hào)相同的應(yīng)變片接在相對(duì)臂內(nèi)，符號(hào)不同的接在相鄰臂內(nèi)，如圖2-11b所示，稱為全橋差動(dòng)電路。,44,2.6電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路,2.6.1 測(cè)量電橋的工作原理,3. 電橋電路的非線性誤差及其補(bǔ)償,（1）采用差動(dòng)電橋,圖2-11 差動(dòng)電橋電路 a）半橋差動(dòng)電路 b）全橋差動(dòng)電路,45,2.6電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路,2.6.1 測(cè)量電橋的工作原理,3. 電橋電路的非線性誤差及其補(bǔ)償,（1）采用差動(dòng)電橋,半橋差動(dòng)電路的輸出電壓為,,（2-36）,若電橋初始時(shí)是平衡的，即R1 /R2 =R3 /R4 成立，在對(duì)稱 情況下，R1 =R2、R3 =R4 、dR1 =dR2 ， 則式（2-36） 可簡(jiǎn)化為,,（2-37）,46,比較式（2-37）和式（2-33）可知，半橋差動(dòng)電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度（,）也比單一工作應(yīng)變片工作時(shí)提高了一倍，同時(shí)還能起溫度補(bǔ)償作用。,2.6電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路,2.6.1 測(cè)量電橋的工作原理,3. 電橋電路的非線性誤差及其補(bǔ)償,（1）采用差動(dòng)電橋,同理，全橋差動(dòng)電路的輸出電壓為,,（2-38）,全橋差動(dòng)電路的電壓靈敏度比單一工作應(yīng)變片的電壓靈敏度提高了3倍，全橋差動(dòng)電路也得到廣泛的應(yīng)用。,47,產(chǎn)生非線性的原因之一是在工作過程中通過橋臂的電流不恒定，所以有時(shí)用恒流電源供電，如圖2-12所示。一般半導(dǎo)體應(yīng)變電橋都采用恒流源供電，供電電流為I，通過各臂的電流為,（2）采用高內(nèi)阻的恒流源電橋,2.6電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路,2.6.1 測(cè)量電橋的工作原理,3. 電橋電路的非線性誤差及其補(bǔ)償,和,圖2-12 恒流源電橋,48,,（2）采用高內(nèi)阻的恒流源電橋,2.6電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路,2.6.1 測(cè)量電橋的工作原理,3. 電橋電路的非線性誤差及其補(bǔ)償,若電橋初始處于平衡狀態(tài)，即 R1R4=R2R3 ，而且 R1=R2 =R3 =R4 =R，當(dāng)?shù)谝槐垭娮鑂1 變?yōu)镽1 +dR1時(shí)，電橋的輸出電壓為,49,,（2）采用高內(nèi)阻的恒流源電橋,2.6電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路,2.6.1 測(cè)量電橋的工作原理,3. 電橋電路的非線性誤差及其補(bǔ)償,(2-40),由式（2-40）可知，分母中的,被4R除，與恒壓源電路,相比，它的非線性誤差減小了一倍。,50,2.7 電阻應(yīng)變式傳感器,前幾節(jié)講述了應(yīng)變片的工作原理和結(jié)構(gòu)，了解到應(yīng)變片能將應(yīng)變直接轉(zhuǎn)換成電阻的變化。在測(cè)量構(gòu)件時(shí)，直接將應(yīng)變片粘貼在構(gòu)件上即可。若要測(cè)量其他物理量（力、壓力、加速度等），就需要先將這些物理量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變，然后再用應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量，比直接測(cè)量時(shí)多了一個(gè)轉(zhuǎn)換過程，完成這種轉(zhuǎn)換的元件通常稱為彈性元件。由彈性元件和應(yīng)變片，以及一些附件（補(bǔ)償元件、保護(hù)罩等）組成的裝置稱為應(yīng)變式傳感器。,51,2.7.1 電阻應(yīng)變式力傳感器,2.7.2 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,52,作業(yè),P30: 2.1; 2.2,53,