傳感器62電阻樣式編輯母版文本樣式

1、2 2 電阻式轉(zhuǎn)換元件電阻式轉(zhuǎn)換元件3 3 電電感轉(zhuǎn)換元件感轉(zhuǎn)換元件4 4 電容轉(zhuǎn)換元件電容轉(zhuǎn)換元件5 5 磁電式轉(zhuǎn)換元件磁電式轉(zhuǎn)換元件6 6 壓電式轉(zhuǎn)換元件壓電式轉(zhuǎn)換元件7 7 光電式轉(zhuǎn)換元件光電式轉(zhuǎn)換元件磁敏式轉(zhuǎn)換元件磁敏式轉(zhuǎn)換元件 8 8 熱電式轉(zhuǎn)換元件熱電式轉(zhuǎn)換元件2.1 2.1 電位器式電阻傳感器電位器式電阻傳感器 2.2 2.2 應(yīng)變片式電阻傳感器應(yīng)變片式電阻傳感器 2.3 2.3 固態(tài)壓阻固態(tài)壓阻元件元件 2.4 2.4 熱電阻和熱敏電阻熱電阻和熱敏電阻 2.5 2.5 氣敏電阻氣敏電阻 2.6 2.6 光敏電阻光敏電阻 2.72.7 濕敏電阻濕敏電阻 應(yīng)變式傳感器的核心元件是電

2、阻應(yīng)變片，應(yīng)變式傳感器的核心元件是電阻應(yīng)變片，它可將試件上的應(yīng)力變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。它可將試件上的應(yīng)力變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。 應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng) 導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受到外界力的作用時，產(chǎn)生機械變形，機械變形導(dǎo)致其阻值變化，這種因形變而使阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)。 1金屬電阻應(yīng)變片:絲式、箔式、薄膜式。(1)(1)金屬絲式應(yīng)變片：金屬絲式應(yīng)變片：將金屬電阻絲將金屬電阻絲（一般是合金，（一般是合金，電阻率較高，直徑電阻率較高，直徑約約0.02mm0.02mm）粘貼在）粘貼在絕緣基片上，上面絕緣基片上，上面覆蓋一層薄膜，使它們變成一個整體。覆蓋一層薄膜，使它們變成一個整體。 金屬電阻應(yīng)變片金屬

3、電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片基底覆蓋層金屬絲引線（2 2）金屬箔式應(yīng)變片）金屬箔式應(yīng)變片利用光刻、腐蝕等工藝制成一種很薄的金屬箔柵，厚度一般在0.0030.010 mm，粘貼在基片上，上面再覆蓋一層薄膜而制成。其優(yōu)點是表面積和截面積之比大，散熱條件好，允許通過的電流較大，可制成各種需要的形狀，便于批量生產(chǎn)。箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片金屬薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸鍍或濺射金屬薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸鍍或濺射式陰極擴散等方法，在薄的基底材料上制成式陰極擴散等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以形成應(yīng)變片。一層金屬電阻材料薄膜以形成應(yīng)變片。 這種應(yīng)變片有較高的靈敏度系數(shù)，允許這種應(yīng)變片

4、有較高的靈敏度系數(shù)，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。電流密度大，工作溫度范圍較廣。 金屬應(yīng)變片金屬應(yīng)變片2 2半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(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)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件 。當(dāng)半導(dǎo)體材料某一軸向受外力作用時，其電阻率會發(fā)生變化。 對于一長為對于一長為L、橫截面積為、橫截面積為A、電阻率為、電阻率為的金的金屬絲，其電阻值屬絲，其電阻值R為：為：）（242 ALR如果對電阻絲長度作用均勻應(yīng)力，則如果對電阻絲長度作用均勻應(yīng)力，則、L、A的變化的變化(d(d、d dL L、d dA) )將引起電阻將引起電阻R變化變化d dR ，d dR可通過對上式的全微分求得：

5、可通過對上式的全微分求得：）（22 . 6 2dAALdALdLAdR電阻相對變化量為：電阻相對變化量為： AdAdLdLRdR若電阻絲是圓形的，則A=r ,對r 微分得dA=2r dr，則： 222rdrrrdrAdAll+ dl2r2(r-dr)F 金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)金屬的徑向應(yīng)變金屬的軸向應(yīng)變令yxrdr LdL 由材料力學(xué)的知識：在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受由材料力學(xué)的知識：在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短，則軸向應(yīng)拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短，則軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系為：變和徑向應(yīng)變的關(guān)系為：為金屬材料的泊松系數(shù)。為金屬材料的泊松系數(shù)。）（或）（72

6、. 6 )21 (62 . 6 )21 ( xxxdRdRdRdR將（將（6.2-46.2-4）式、（）式、（6.2-56.2-5）代入（）代入（6.2-36.2-3）式得：）式得：）（令82 . 6 )21 ( xxSdRdRKKS稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，表示單位應(yīng)變所引稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，表示單位應(yīng)變所引起的電阻的相對變化。起的電阻的相對變化。對于確定的材料，對于確定的材料，(1+2(1+2) )項是常數(shù)，其數(shù)值約項是常數(shù)，其數(shù)值約在在1 12 2之間，實驗證明之間，實驗證明d d/ /x 也是一個常也是一個常數(shù)。數(shù)。上式表示金屬絲的電阻相對變化與軸向應(yīng)變成正比關(guān)上式表示金屬絲的電阻相對變

7、化與軸向應(yīng)變成正比關(guān)系。系。）（，或92 . 6 xSxSRdRKKRdR根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系: :半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的的壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件而制成的一種純電阻性元件 。當(dāng)半導(dǎo)體材料某一軸向受外力作用時，其電當(dāng)半導(dǎo)體材料某一軸向受外力作用時，其電阻率會發(fā)生變化。阻率會發(fā)生變化。）（102 . 6 )21xRR）（112 . 6 xllE式中式中 為半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率的相對為半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率的相對變化，其值與半導(dǎo)體敏感條在軸向所受的應(yīng)變化，其值與半導(dǎo)體敏感條在軸向所受的應(yīng)力之比為一常數(shù)。即力之

8、比為一常數(shù)。即 ）（122 . 6 )21xlERR上式中上式中1+21+2項隨幾何形狀而變化，項隨幾何形狀而變化，LE項為項為壓阻效應(yīng)，隨電阻率而變化。壓阻效應(yīng)，隨電阻率而變化。實驗證明實驗證明LE比比1+21+2大近百倍，所以大近百倍，所以1+21+2可可以忽略，因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為：以忽略，因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為： ）（132 . 6 ERRKlxB半導(dǎo)體應(yīng)變片的突出優(yōu)點是體積小，靈敏度高，頻率響應(yīng)范圍寬，輸出幅值大，不需要放大器，可直接與記錄儀連接，使測量系統(tǒng)簡單。但其溫度系數(shù)大，應(yīng)變時非線性較嚴(yán)重。 金屬應(yīng)變絲的電阻相對變化與它所感受的應(yīng)金屬應(yīng)變絲的電阻相對變化與它所感

9、受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)變之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)KS表示。當(dāng)表示。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻應(yīng)變特性與應(yīng)變特性與金屬金屬單絲單絲情況不同。因此，須用實驗方法對應(yīng)變片的情況不同。因此，須用實驗方法對應(yīng)變片的電阻電阻應(yīng)變特性重新測定。實驗表明，金屬應(yīng)變應(yīng)變特性重新測定。實驗表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對變化與應(yīng)變片的電阻相對變化與應(yīng)變在很寬的范圍內(nèi)均為在很寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系。線性關(guān)系。K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。 測量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)測量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小恒小于線材的靈敏系數(shù)于線材的靈敏系數(shù)KS。原因主

10、要是膠層傳遞變。原因主要是膠層傳遞變形失真及橫向效應(yīng)。形失真及橫向效應(yīng)。 KRR）（或142.6 RRK 金屬絲式應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧金屬絲式應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測量應(yīng)變時，構(gòu)件的軸向應(yīng)變形的橫柵，測量應(yīng)變時，構(gòu)件的軸向應(yīng)變使敏使敏感柵電阻發(fā)生變化，而其橫向應(yīng)變感柵電阻發(fā)生變化，而其橫向應(yīng)變r也使敏感柵也使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。 bOlrdld0r應(yīng)變片的這種既受應(yīng)變片的這種既受軸向應(yīng)變影響，又軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)引起電阻變化的現(xiàn)象稱為象稱為。當(dāng)當(dāng)r=0時，可得時，可得RRKxryRR

11、KrnnlrnKKHxy121當(dāng)當(dāng)=0時，可得時，可得：橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)之比值，稱為橫橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)之比值，稱為橫向效應(yīng)系數(shù)向效應(yīng)系數(shù)H。即：。即：可見，可見，r愈小、愈小、l愈大，則愈大，則H愈小。即敏感柵越窄、基長愈小。即敏感柵越窄、基長越長的應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)引起的誤差越小。越長的應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)引起的誤差越小。應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當(dāng)溫度恒定時，其加應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當(dāng)溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不重合，即為載特性與卸載特性不重合，即為。1機械應(yīng)變R卸載加載指示應(yīng)變i 機械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有機械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時

12、的機械應(yīng)變愈大，卸載時的滯后也關(guān)，加載時的機械應(yīng)變愈大，卸載時的滯后也愈大。所以，通常在實驗之前應(yīng)將試件預(yù)先加、愈大。所以，通常在實驗之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機械滯后所產(chǎn)生的實驗卸載若干次，以減少因機械滯后所產(chǎn)生的實驗誤差。誤差。 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機械應(yīng)變后的殘余變：應(yīng)變片在承受機械應(yīng)變后的殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時，敏感柵受到的不適當(dāng)?shù)淖冊旎蛘迟N應(yīng)變片時，敏感柵受到的不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘辰Y(jié)劑固化不充分等。形或粘結(jié)劑固化不充分等。 對于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時，不承對于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫

13、度恒定時，不承受應(yīng)變時，其電阻值隨時間增加而變化的特性，受應(yīng)變時，其電阻值隨時間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的稱為應(yīng)變片的。產(chǎn)生的原因：產(chǎn)生的原因：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。 如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機械如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機械應(yīng)變，其電阻值隨時間增加而變化的特性稱為應(yīng)變，其電阻值隨時間增加而變化的特性稱為。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的方向相反。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的方向相反。由于膠層之間發(fā)生由于膠層之間發(fā)生“滑動滑動”，使，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少

14、。力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。 用作測量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值用作測量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變變化，而不受其它因素的影響。實際僅隨應(yīng)變變化，而不受其它因素的影響。實際上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度( (包括被測試件的溫包括被測試件的溫度度) )影響很大。由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變影響很大。由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，從而產(chǎn)生很大的測量誤差，稱為應(yīng)變數(shù)量級，從而產(chǎn)生很大的測量誤差，稱為應(yīng)變片的片的，又稱，又稱。 因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素：應(yīng)變片的電阻絲

15、應(yīng)變片的電阻絲( (敏感柵敏感柵) )具有一定溫度系數(shù)；具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。 1tRRt 由于敏感柵材料和被測構(gòu)件材料兩者線膨脹由于敏感柵材料和被測構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)系數(shù)不同，當(dāng)t t 存在時，引起應(yīng)變片的附加存在時，引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變，應(yīng)變，相應(yīng)的電阻相對變化為相應(yīng)的電阻相對變化為:K應(yīng)變片靈敏系數(shù)應(yīng)變片靈敏系數(shù); ; e試件試件材料線膨脹系數(shù)；材料線膨脹系數(shù)；g敏感柵敏感柵材料線膨脹系數(shù)。材料線膨脹系數(shù)。）（182.6 2 tKRRge溫度變化溫度變化t形成的總電阻相對變化：形成的總電阻相對變化： 21

16、tKtRRRRRRgett ttKKRRgettt相應(yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)橄鄳?yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)?可見，應(yīng)變片熱輸出的大小不僅與應(yīng)變計敏感可見，應(yīng)變片熱輸出的大小不僅與應(yīng)變計敏感柵材料的性能柵材料的性能(t,g)有關(guān)，而且與被測試件材料有關(guān)，而且與被測試件材料的線膨脹系數(shù)的線膨脹系數(shù)(e)有關(guān)。有關(guān)。 在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對測試值的在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對測試值的真實應(yīng)變的相對誤真實應(yīng)變的相對誤差不超過規(guī)定范圍差不超過規(guī)定范圍（一般為（一般為10%10%）時的）時的最大真實應(yīng)變值。最大真實應(yīng)變值。真實應(yīng)變是由于工真實應(yīng)變是由于工作溫度變化或承受作溫度變化或承受機械載荷，在被測機械載荷，在被

17、測試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力時試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力時所引起的表面應(yīng)變。所引起的表面應(yīng)變。j真實應(yīng)變g指示應(yīng)變i100%190% 當(dāng)被測應(yīng)變值隨時間變化的頻率很高時，當(dāng)被測應(yīng)變值隨時間變化的頻率很高時，需考慮應(yīng)變片的動態(tài)特性。因應(yīng)變片基底和粘需考慮應(yīng)變片的動態(tài)特性。因應(yīng)變片基底和粘貼膠層很薄，構(gòu)件的應(yīng)變波傳到應(yīng)變片的時間貼膠層很薄，構(gòu)件的應(yīng)變波傳到應(yīng)變片的時間很短很短( (估計約估計約0.2s)0.2s)，故只需考慮應(yīng)變沿應(yīng)變，故只需考慮應(yīng)變沿應(yīng)變片軸向傳播時的動態(tài)響應(yīng)。片軸向傳播時的動態(tài)響應(yīng)。01lxtx 設(shè)一頻率為設(shè)一頻率為 f 的正弦應(yīng)變波在構(gòu)件中以的正弦應(yīng)變波在構(gòu)件中以速度速度 v 沿應(yīng)變片柵長方向傳播，

18、在某一瞬時沿應(yīng)變片柵長方向傳播，在某一瞬時 t，應(yīng)變量沿構(gòu)件分布如圖所示。應(yīng)變量沿構(gòu)件分布如圖所示。 2sinsin00 xtxtzx2sin0應(yīng)變片中點的應(yīng)變?yōu)閼?yīng)變片中點的應(yīng)變?yōu)閼?yīng)變片測得的應(yīng)變?yōu)闁砰L l 范圍內(nèi)的平均應(yīng)變m，而不是xt點的應(yīng)變，其數(shù)值等于 l 范圍內(nèi)應(yīng)變波曲線下的面積除以 l。llxxdxltxxpltltsin2sin2sin10022平均應(yīng)變平均應(yīng)變m m與中點應(yīng)變與中點應(yīng)變t t相對誤差相對誤差為：為： 1- sin1llzpzzp）（966 )(612l令令 ln由下頁表可知，由下頁表可知，n=20n=20時誤差很小，而時誤差很小，而所以所以 fv）（996 20m

19、axlvf因此，相對誤差因此，相對誤差的大小只決定于的大小只決定于l/ /的比值，的比值，下表給出了下表給出了l/ /為為1/101/10和和1/201/20時時的數(shù)值：的數(shù)值：可見，應(yīng)變片柵長與正弦應(yīng)變波的波長之比可見，應(yīng)變片柵長與正弦應(yīng)變波的波長之比愈小，相對誤差愈小，相對誤差愈小。愈小。誤差誤差的計算結(jié)果的計算結(jié)果 l/ 若已知應(yīng)變波在某材料內(nèi)傳播速度若已知應(yīng)變波在某材料內(nèi)傳播速度，由可，由可計算出柵長為計算出柵長為L的應(yīng)變片粘貼在某種材料上的可的應(yīng)變片粘貼在某種材料上的可測動態(tài)應(yīng)變最高頻率。測動態(tài)應(yīng)變最高頻率。例 應(yīng)變片長度為10mm，應(yīng)變波在鋼材中的傳播速度為5000m/s，求其最高

20、可測頻率。（25k）2.2.3 2.2.3 溫度誤差及其補償溫度誤差及其補償溫度變化溫度變化t形成的總電阻相對變化：形成的總電阻相對變化： 21tKtRRRRRRgett 相應(yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)橄鄳?yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)?ttKKRRgettt由由(6.2-19)(6.2-19)式知，若使應(yīng)變片在溫度變化式知，若使應(yīng)變片在溫度變化t時時的熱輸出值為零，必須使的熱輸出值為零，必須使0getK egtK 單絲自補償應(yīng)變片的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制單絲自補償應(yīng)變片的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造和使用都比較方便，但它必須在具有一定線造和使用都比較方便，但它必須在具有一定線膨脹系數(shù)材料的試件上使用，否則不能達到溫膨脹系數(shù)材料的試件上

21、使用，否則不能達到溫度自補償?shù)哪康?。度自補償?shù)哪康摹?Ra) t= (Rb) t焊點焊點RaRb這種應(yīng)變片的自補償條件要求粘貼在某種試件這種應(yīng)變片的自補償條件要求粘貼在某種試件上的兩段敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增上的兩段敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號相反，即：量大小相等，符號相反，即： 測量應(yīng)變時，使用兩個應(yīng)變片，一片貼在被測量應(yīng)變時，使用兩個應(yīng)變片，一片貼在被測試件的表面測試件的表面, ,稱為工作應(yīng)變片稱為工作應(yīng)變片R1 。另一片貼在。另一片貼在與被測試件材料相同的補償塊上，稱為補償應(yīng)變與被測試件材料相同的補償塊上，稱為補償應(yīng)變片片R2。在工作過程中補償塊不承受應(yīng)變，僅

22、隨溫。在工作過程中補償塊不承受應(yīng)變，僅隨溫度發(fā)生變形。度發(fā)生變形。R1R2補償塊補償塊試件試件把把R1與與R2接入電橋相鄰臂上，接入電橋相鄰臂上，當(dāng)被測試件不承受應(yīng)變時，當(dāng)被測試件不承受應(yīng)變時，R1和和R2處于同一溫度場，處于同一溫度場，調(diào)整電橋參數(shù)，可使電橋調(diào)整電橋參數(shù)，可使電橋輸出電壓為零，即：輸出電壓為零，即： 4332110RRRRRREU 選擇選擇R1=R2=R及及R3=R4=r。 當(dāng)溫度升高或降低當(dāng)溫度升高或降低t 時，若時，若R1t=R2t，即，即兩個應(yīng)變片的熱輸出相等，則電橋的輸出電壓兩個應(yīng)變片的熱輸出相等，則電橋的輸出電壓為：為：02121213224110ttttttttR

23、RArRrRrRrRrArRRrRRARRRRRRAU 若被測試件受應(yīng)變作用時，工作片若被測試件受應(yīng)變作用時，工作片R1感受感受應(yīng)變，阻值變化應(yīng)變，阻值變化R1 ；補償片；補償片R2不承受應(yīng)變，不承受應(yīng)變，阻值不變。此時電橋輸出電壓為阻值不變。此時電橋輸出電壓為ArRKRAr RRRRRRRAUtt132241110 由上式可知，電橋輸出電壓由上式可知，電橋輸出電壓U0只與應(yīng)變只與應(yīng)變有有關(guān)，與溫度無關(guān)。關(guān)，與溫度無關(guān)。電橋補償法要達到全補償，需滿足下列三個電橋補償法要達到全補償，需滿足下列三個條件：條件： R1和和R2須屬于同一批號的，即它們的須屬于同一批號的，即它們的電阻溫度系數(shù)電阻溫度系

24、數(shù)、線膨脹系數(shù)、線膨脹系數(shù)、應(yīng)變靈敏系、應(yīng)變靈敏系數(shù)數(shù)K都相同，兩片的初始電阻值也要求相同；都相同，兩片的初始電阻值也要求相同； 用于粘貼補償片的構(gòu)件和粘貼工作片用于粘貼補償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件二者材料必須相同，即要求兩者線膨脹的試件二者材料必須相同，即要求兩者線膨脹系數(shù)相等；系數(shù)相等； 兩應(yīng)變片處于同一溫度環(huán)境中。兩應(yīng)變片處于同一溫度環(huán)境中。 此方法簡單易行，能在較大溫度范圍內(nèi)進此方法簡單易行，能在較大溫度范圍內(nèi)進行補償。缺點是條件不易滿足，尤其是條件。行補償。缺點是條件不易滿足，尤其是條件。在某些測試條件下，溫度場梯度較大，在某些測試條件下，溫度場梯度較大，R1和和R2很難處于相同溫

25、度點。很難處于相同溫度點。 根據(jù)被測試件承受應(yīng)變的情況，可以不另加根據(jù)被測試件承受應(yīng)變的情況，可以不另加專門的補償塊，而是將補償片貼在被測試件上，專門的補償塊，而是將補償片貼在被測試件上，這樣既能起到溫度補償作用，又能提高輸出的靈這樣既能起到溫度補償作用，又能提高輸出的靈敏度。敏度。 梁受彎曲應(yīng)變時，應(yīng)變片梁受彎曲應(yīng)變時，應(yīng)變片R1和和R2的變形方向相反，上面的變形方向相反，上面受拉，下面受壓，應(yīng)變絕對值相等，符號相反，將它們受拉，下面受壓，應(yīng)變絕對值相等，符號相反，將它們接入電橋的相鄰臂后，可使輸出電壓增加一倍。當(dāng)溫度接入電橋的相鄰臂后，可使輸出電壓增加一倍。當(dāng)溫度變化時，應(yīng)變片變化時，應(yīng)變

26、片R1和和R2阻值變化的符號相同，大小相等，阻值變化的符號相同，大小相等，電橋不產(chǎn)生輸出，達到了補償?shù)哪康?。電橋不產(chǎn)生輸出，達到了補償?shù)哪康摹?構(gòu)件受單向應(yīng)力時，將工作應(yīng)變片構(gòu)件受單向應(yīng)力時，將工作應(yīng)變片R2的軸線順著應(yīng)的軸線順著應(yīng)變方向，補償應(yīng)變片變方向，補償應(yīng)變片R1的軸線和應(yīng)變方向垂直，的軸線和應(yīng)變方向垂直，R1和和R2接入電橋相鄰臂，其輸出為接入電橋相鄰臂，其輸出為1210KRARU構(gòu)件受彎構(gòu)件受彎曲應(yīng)力曲應(yīng)力熱敏電阻熱敏電阻Rt與應(yīng)變片處在相同的溫度下，當(dāng)應(yīng)與應(yīng)變片處在相同的溫度下，當(dāng)應(yīng)變片的靈敏度隨溫度變化而下降時，熱敏電阻變片的靈敏度隨溫度變化而下降時，熱敏電阻Rt的阻值下降，使

27、電橋的阻值下降，使電橋的輸入電壓增加，從而的輸入電壓增加，從而提高了電橋的輸出電壓。提高了電橋的輸出電壓。選擇分流電阻選擇分流電阻R的值，的值，可以使應(yīng)變片靈敏度下可以使應(yīng)變片靈敏度下降對電橋輸出的影響得到很好的補償。降對電橋輸出的影響得到很好的補償。（4）熱敏電阻補償法）熱敏電阻補償法）（1056 4332110RRRRRREU0ERRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRREU)1)(1 ()()()(3412113411 43211414321143241433211110 U101120RRnnEU 12110nnERRUkV0)1 (1042nnnkV

28、 21114111110RRRREU 41110RREU 41ESV（1 1）非線性誤差）非線性誤差 實際的非線性特性曲線與理想的線性特實際的非線性特性曲線與理想的線性特性曲線的偏差稱為性曲線的偏差稱為； 絕對非線性誤差與理想的線性特性曲線絕對非線性誤差與理想的線性特性曲線的比稱為的比稱為，用，用r 表示。表示。 11121112121211341211343412111134000002111111111)1)(1 ()()1 ()()(1)(1RRRRRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRERRRRUUUUUr 4332211110RRRRRRRRREU 21110RREU43

29、2121RRRRRR，110RREU 43213241433211ZZZZZZZZZZZZZZUUSRSC ZZ 43213241ZZZZZZ或， 4111ZZUUSRSC 2111ZZUUSRSC 11ZZUUSRSC由于引線產(chǎn)生的分布電容的容抗由于引線產(chǎn)生的分布電容的容抗( (引線電引線電感忽略感忽略) )、供電電源的頻率及被測應(yīng)變片的性、供電電源的頻率及被測應(yīng)變片的性能差異，交流電橋的初始平衡條件和輸出特性能差異，交流電橋的初始平衡條件和輸出特性都將受到嚴(yán)重影響，因此必須對電橋預(yù)調(diào)平衡。都將受到嚴(yán)重影響，因此必須對電橋預(yù)調(diào)平衡。2.3 2.3 固態(tài)壓阻元件固態(tài)壓阻元件壓阻式傳感器的工作原

30、理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻式傳感器的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體（單晶硅）材料某一軸向：當(dāng)半導(dǎo)體（單晶硅）材料某一軸向受外力作用時，其電阻率會發(fā)生變化。（半導(dǎo)受外力作用時，其電阻率會發(fā)生變化。（半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理。）體應(yīng)變片的工作原理。） 21dRdR21RdRxllE對半導(dǎo)體材料對半導(dǎo)體材料對金屬材料對金屬材料電阻相對變化量電阻相對變化量半導(dǎo)體電阻的相對變化近似等于電阻率的相對半導(dǎo)體電阻的相對變化近似等于電阻率的相對變化，而電阻率的相對變化與應(yīng)力成正比，二變化，而電阻率的相對變化與應(yīng)力成正比，二者的比例系數(shù)定義為者的比例系數(shù)定義為壓阻系數(shù)壓阻系數(shù)。 /xlE壓阻系數(shù)

31、為壓阻系數(shù)為: 用集成電路工藝技術(shù)，在硅片上制造出四個等值的薄膜電阻，組成電橋。當(dāng)不受力時，電橋無電壓輸出；受力時，電橋失去平衡，輸出與應(yīng)力成正比的電壓。1 1N-SiN-Si膜片膜片 2 2P-SiP-Si導(dǎo)電層導(dǎo)電層 3 3粘貼劑粘貼劑 4 4硅底座硅底座 5 5引壓管引壓管 6 6Si Si 保護膜保護膜 7 7引線引線 固態(tài)壓阻器件固態(tài)壓阻器件 利用固體擴散技術(shù)，將利用固體擴散技術(shù)，將P型雜質(zhì)擴散到一片型雜質(zhì)擴散到一片N型硅底層上，形成一層極薄的導(dǎo)電型硅底層上，形成一層極薄的導(dǎo)電P型層，再型層，再裝上引線接點。若在圓形硅膜片上擴散出四個裝上引線接點。若在圓形硅膜片上擴散出四個P型電阻，

32、構(gòu)成惠斯登電橋的四個臂，這樣的敏型電阻，構(gòu)成惠斯登電橋的四個臂，這樣的敏感器件通常稱為固態(tài)壓阻器件。感器件通常稱為固態(tài)壓阻器件。(a)(a)實心圓柱實心圓柱(b)(b)空心圓柱空心圓柱軸向布置一個或幾個軸向布置一個或幾個應(yīng)變片，在圓周方向應(yīng)變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應(yīng)變布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片，后者取符號相反片，后者取符號相反的應(yīng)變，以構(gòu)成差動的應(yīng)變，以構(gòu)成差動對。由于應(yīng)變片沿圓對。由于應(yīng)變片沿圓周方向分布，所以周方向分布，所以非非軸向軸向載荷分量被補償。載荷分量被補償。由材料力學(xué)知識，在彈性限度內(nèi)由材料力學(xué)知識，在彈性限度內(nèi): ESFll楊氏模量楊氏模量面積面積三式聯(lián)立解得三式聯(lián)立解得: E

33、SF ESFkkRRESkkZ FkRRz彈性元件上應(yīng)變片的粘貼和電橋連接，應(yīng)彈性元件上應(yīng)變片的粘貼和電橋連接，應(yīng)盡可能消除偏心和彎矩的影響，一般將應(yīng)變片盡可能消除偏心和彎矩的影響，一般將應(yīng)變片對稱地貼在應(yīng)力均勻的圓柱表面中部，構(gòu)成差對稱地貼在應(yīng)力均勻的圓柱表面中部，構(gòu)成差動對動對,且處于對臂位置，以減小彎矩的影響且處于對臂位置，以減小彎矩的影響 。橫。橫向粘貼的應(yīng)變片具有溫度補償作用。向粘貼的應(yīng)變片具有溫度補償作用。 U0R1R3R5R7R6R8R2R4R6R7R8R2R3R4R5R1例例2 2 梁式力傳感器梁式力傳感器 (1) (1) 等強度梁等強度梁一端固定，一端自由，厚一端固定，一端自

34、由，厚度為度為h, ,長度長度l，固定端寬，固定端寬度度為為b b0 0, ,力力F 作用在三角作用在三角形頂點。形頂點。其表面應(yīng)變?yōu)槠浔砻鎽?yīng)變?yōu)?： 620EhbFlE4 4只應(yīng)變片只應(yīng)變片此位置上下兩側(cè)分別粘有此位置上下兩側(cè)分別粘有4 4只應(yīng)只應(yīng)變片，變片，R1、R4同側(cè)；同側(cè)；R3 、R2同同側(cè)，這兩側(cè)的應(yīng)變方向剛好相側(cè)，這兩側(cè)的應(yīng)變方向剛好相反，且大小相等，可構(gòu)成全差反，且大小相等，可構(gòu)成全差動電橋。動電橋。RRlKEhbFEhbFlKKRRSSS662020EURR0由于是全差動電橋，應(yīng)有：由于是全差動電橋，應(yīng)有：EUlKhEbFS0206所以：所以：供橋電壓供橋電壓輸出電壓輸出電壓(2) 等截面梁等截面梁4 4只應(yīng)變片只應(yīng)變片 4 62EbhFl一端固定，一端自由，一端固定，一端自由，厚度為厚度為h, ,寬度寬度為為b b, ,懸臂懸臂外端到外端到應(yīng)變片中心的距應(yīng)變片中心的距離離l。其應(yīng)變?yōu)槠鋺?yīng)變?yōu)?全橋全橋p93) ：4 4只應(yīng)變片只應(yīng)變片(3) 固定梁固定梁 32EbhFl 懸臂梁是一端固定、一端自由的彈性敏感元懸臂梁是一端固定、一端自由的彈性敏感元件。它的特點是靈敏度比較高。所以多用于較件。它的特點是靈敏度比較高。所以多用于較小力的測量。例如，民用電子稱中就多采用懸小力的測量。例如，民用電子稱中就多采用懸臂梁。當(dāng)力臂梁。當(dāng)力F F