第2章2电阻式传感器

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1、2.3 2.3 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器的电阻式传感器的基本原理基本原理是将被测的非电量转换是将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。成电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。测量原理测量原理结构结构测量参数：测量参数：力、压力、位移、应变、加速度、温度等力、压力、位移、应变、加速度、温度等特点：特点：结构简单、性能稳定、灵敏度较高结构简单、性能稳定、灵敏度较高品名品名 型号型号 特性参数特性参数 用途及使用方用途及使用方法法 外观外观 应变应变式力式力传感传感器器 LYB-5-A 测量范围：测量范围：01kg安全超载：安全超载：150%工作温度工作温

2、度()：-20+60：工作电压：工作电压：DC5V综合精度：综合精度：0.03Kg 称重，应变测量，触力测称重，应变测量，触力测量量方法：方法：指定压力方向，将砝码等指定压力方向，将砝码等质量块放上，标定后即可质量块放上，标定后即可使用使用 实用传感器样品举例实用传感器样品举例举例：举例：电子称电子称原理原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变将物品重量通过悬臂梁转化结构变形，再通过应变片转化为电量输出。形，再通过应变片转化为电量输出。应变片应变片举例：冲床生产记数举例：冲床生产记数 和生产过程监测和生产过程监测举例：机器人握力测量举例：机器人握力测量第一节第一节 应变式传感器应变式传感器目前自动测

3、力或称重中应用最普遍的是应变式传感器。目前自动测力或称重中应用最普遍的是应变式传感器。应变式传感器是基于金属电阻的应变式传感器是基于金属电阻的应变效应应变效应制成的。制成的。一、工作原理一、工作原理（一）、金属的电阻应变效应（一）、金属的电阻应变效应金属导体的电阻随着机械变形（伸长或缩短）的金属导体的电阻随着机械变形（伸长或缩短）的大小发生变化的现象称为大小发生变化的现象称为金属的电阻应变效应金属的电阻应变效应。取一根长度为取一根长度为L，截面积为截面积为S，电阻率为电阻率为 的金属丝，未受的金属丝，未受力时其电阻力时其电阻R为：为：.LRS（2-1）llrrFF 当电阻丝受到拉力当电阻丝受到

4、拉力F作用时作用时,将伸长将伸长L,横截面横截面积相应减小积相应减小S,电阻率将因电阻率将因晶格发生变形等因素而晶格发生变形等因素而改变改变,故引起电阻值相对变化量为：故引起电阻值相对变化量为：SSLLRR式中式中L/L是长度相对变化量是长度相对变化量,即轴向应变，即轴向应变，用用应变应变表示表示LLS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即即 rrSS2（2-2）（2-3）（2-4）（即将式（即将式（2-1）取对数再微分，得到电阻值相对变化）取对数再微分，得到电阻值相对变化量量）（书上公式有错）（书上公式有错）由材料力学可知由材料力学可知,在弹性范围内在弹性范围内

5、,金属丝受拉力时金属丝受拉力时,沿轴向伸沿轴向伸长长,沿径向缩短沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为那么轴向应变和径向应变的关系可表示为LLrr式中式中:电阻丝材料的泊松比电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。负号表示应变方向相反。（2-5）将式（将式（2-3）,式（式（2-5）代入式（）代入式（2-2）,可得可得 或或)21(RR（2-6）)21(RR（2-7）通常把单位应变能引起的电阻值变化称为金属电通常把单位应变能引起的电阻值变化称为金属电阻丝的阻丝的灵敏度系数灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引起的。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量电阻相对变化量,其表达式为其

6、表达式为012K（2-8）0RkR（2-9）因此因此由式由式2-8可知，灵敏度系数受两个因素影响可知，灵敏度系数受两个因素影响:受力后材料几何尺寸的变化受力后材料几何尺寸的变化,即（即（1+2）;受力后材料的电阻率发生的变化受力后材料的电阻率发生的变化,即即/。对于金属材料而言，对于金属材料而言，k0=1+2u；对半导；对半导体，体，k0值主要由电值主要由电阻率相对变化所决阻率相对变化所决定。通常金属电阻定。通常金属电阻丝的灵敏系数丝的灵敏系数k0=2左右。左右。(二)应变片的基本结构及测量原理应变片的结构应变片的结构 应变片由电阻丝（敏感栅）、基底、引线和粘合剂组成。应变片由电阻丝（敏感栅）

7、、基底、引线和粘合剂组成。敏感栅常用下列材料制成敏感栅常用下列材料制成：（1）康铜（铜镍合金）：康铜（铜镍合金）：最常用；最常用；（2）镍鉻合金：镍鉻合金：多用于动态；多用于动态；（3）镍鉻铝合金：镍鉻铝合金：作中、高温应变片；作中、高温应变片；（4）镍鉻铁合金：镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片；疲劳寿命要求高的应变片；（5）铂及铂合金：铂及铂合金：高温动态应变测量。高温动态应变测量。（1）敏感栅）敏感栅 感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感栅感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有丝式、有丝式、箔式和薄膜式三种。箔式和薄膜式三种。各部分的作用各部分的作用（2）基底）基底 绝缘及传递

8、应变。测量时应变片的基底通过粘结剂粘在绝缘及传递应变。测量时应变片的基底通过粘结剂粘在试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。由纸箔、胶质膜等制成。由纸箔、胶质膜等制成。（3）粘结剂）粘结剂 敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结。敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结。（4）覆盖层）覆盖层保护作用，防湿、腐蚀、灰尘。保护作用，防湿、腐蚀、灰尘。（5）引线）引线连接电阻丝与测量电路，输出电参量。连接电阻丝与测量电路，输出

9、电参量。用应变片测量时，将其贴在被测对象表面上。当用应变片测量时，将其贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，这是用来直接测量应变。为电压或电流的变化，这是用来直接测量应变。通过弹性敏感元件将位移、力、力矩、加速度、通过弹性敏感元件将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，则可用应变片测量上压力等物理量转换为应变，则可用应变片测量上述各量，而做成各种应变式传感器。述各量，而做成各种应变式传感器。应变片的测量原理应变片的

10、测量原理二、应变片的类型二、应变片的类型1.金属丝式应变片（两种结构）金属丝式应变片（两种结构）a）回线式：横向效应较大）回线式：横向效应较大b）短接式：克服了横向效应）短接式：克服了横向效应金属丝式应变片材料要求：金属丝式应变片材料要求：灵敏系数高、电阻率高、稳定性好、灵敏系数高、电阻率高、稳定性好、温度系数小、机械强度高、抗氧化、温度系数小、机械强度高、抗氧化、耐腐蚀。耐腐蚀。2.金属箔式应变片金属箔式应变片箔式应变片箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为是在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻电阻箔材，箔材，利用照相制版或光刻技术，制成各种需要的形状。利用照相制版或光刻技术，制成各

11、种需要的形状。优点：优点：1）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅；）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅；2）与被测件粘）与被测件粘结面积大；结面积大；3）散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏）散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；度；4）横向效应小；）横向效应小；5）蠕变和机械滞后小，寿命长。）蠕变和机械滞后小，寿命长。缺点：电阻值的分散性大缺点：电阻值的分散性大3.金属薄膜应变片金属薄膜应变片 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片上形成厚度在0.10.1微米以下的金属电阻材料微米以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层

12、。薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。优点：优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，可在应变灵敏系数大，允许电流密度大，可在-197317温度范围内工作。温度范围内工作。存在问题：存在问题：温度稳定性差温度稳定性差三、金属应变片的主要特性和参数三、金属应变片的主要特性和参数(一一)灵敏系数灵敏系数RRK/应变片的电阻应变片的电阻-应变特性与应变特性与金属金属单丝单丝(其灵敏系数近似为其灵敏系数近似为k0=1+2u)可能不同，需要通过可能不同，需要通过实验对应实验对应变片的灵敏系数进行测定。变片的灵敏系数进行测定。通过实验发现，通过实验发现，实际应变片的实际应变片的K值比单丝的值比单丝的K值要值要小，

13、小，造成此现象原因是造成此现象原因是横向效应横向效应。试件材料泊松系数试件材料泊松系数定义：定义：(二二)横向效应横向效应将直的电阻丝绕成敏感栅将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系应变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称为数降低了。这种现象称为横向效应横向效应。定性分析：定性分析：当将应变片粘贴在被测试件上时当将应变片粘贴在被测试件上时,则其敏感栅是由则其敏感栅是由n条长度条长度为为l1的直线段和（的直线段和（n-1）个半径为）个半径为r的半圆组成。的半圆组成。总的作用结果：将直的电阻丝绕成敏感栅后总的作用结果：将直的电阻丝绕成敏感栅后,虽

14、然虽然长度不变长度不变,应变状态相同应变状态相同,但圆弧段的阻值变化量但圆弧段的阻值变化量减小。减小。因而同样应变，阻值变化减小，因而同样应变，阻值变化减小，K值减小，值减小，此现象为此现象为横向效应。横向效应。l0PP 横向效应在圆弧段产生，消除圆弧段即可横向效应在圆弧段产生，消除圆弧段即可消除横向效应。（例如消除横向效应。（例如金属丝式应变片采用金属丝式应变片采用短短接式接式结构结构）为了减小横向效应产生的测量误差，现在为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用一般多采用箔式应变片箔式应变片，其圆弧部分尺寸较栅，其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，电阻值较小，因而电阻变化量丝尺寸大得多，电

15、阻值较小，因而电阻变化量也就小得多。也就小得多。怎样消除横向效应？怎样消除横向效应？(三三)机械滞后、零漂和蠕变机械滞后、零漂和蠕变加载和卸裁特性曲线之间的最大加载和卸裁特性曲线之间的最大差值称为应变片的差值称为应变片的滞后值（也就滞后值（也就是回程误差）是回程误差）。粘贴在试件上的应变片，在温度粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定没有机械应变的情况下，保持恒定没有机械应变的情况下，电阻值随时间变化的特性称为应电阻值随时间变化的特性称为应变片的变片的零漂（零点漂移）零漂（零点漂移）。粘贴在试件上的应变片，温度保持恒定，在承受某一恒粘贴在试件上的应变片，温度保持恒定，在承受某一恒定的机械应变，其

16、电阻值随时间变化而变化的特性称为定的机械应变，其电阻值随时间变化而变化的特性称为应变片的应变片的蠕变蠕变。一般来说，蠕变的方向与原应变量变化。一般来说，蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。的方向相反。（四）最大工作电流（四）最大工作电流最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其工作特最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流。性的最大电流。工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高，但过大工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高，但过大的电流会把应变片烧毁。的电流会把应变片烧毁。（五）应变片的电阻值（五）应变片的电阻值通常应变片的电阻值在通常应变片的电阻值在120欧姆左右。欧姆左右。电

17、阻值大可加大应变片承受电压，因此输出信号电阻值大可加大应变片承受电压，因此输出信号大，但敏感栅尺寸也增大。大，但敏感栅尺寸也增大。（六）栅长（六）栅长l，又称基长，一般在，又称基长，一般在2-30mm之间之间（七）基宽（七）基宽b，一般在，一般在10mm之内之内（八）绝缘电阻，指已粘贴的应变片的引线与（八）绝缘电阻，指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值，在被测件之间的电阻值，在50-100M欧以上欧以上 转换电路的作用：将电阻的变化量转换为电压转换电路的作用：将电阻的变化量转换为电压输出。输出。通常应变片传感器转换电路采用通常应变片传感器转换电路采用直流电桥直流电桥和和交交流电桥流电桥。

18、现在的工程应用中，多采用。现在的工程应用中，多采用直流直流电桥。电桥。四、转换电路四、转换电路直流电桥电路如图所示，它的四个桥臂由电阻直流电桥电路如图所示，它的四个桥臂由电阻1,2,3,4R R R R组成组成AC端接直流电压端接直流电压UBD端为端为输出输出电压电压0U一般情况桥路应接成一般情况桥路应接成等臂电桥等臂电桥,即即R1=R2=R3=R4=R,电桥电桥平衡，则输出平衡，则输出Uo为零。为零。这样无论哪个桥臂上受到外来信号作用后，桥路都这样无论哪个桥臂上受到外来信号作用后，桥路都将失去平衡，就会有信号输出。将失去平衡，就会有信号输出。一、一、直流电桥直流电桥 1.直流电桥工作原理直流

19、电桥工作原理当当电桥输出端接入电桥输出端接入输入阻抗很高输入阻抗很高的指示仪表或放大器的指示仪表或放大器时，时，可认为电桥负载为无穷大，电桥输出端相当于开路。此时，可认为电桥负载为无穷大，电桥输出端相当于开路。此时，桥路的电流为：桥路的电流为：112UIRR234UIRRAB之间和之间和AD之间的电位差分别为：之间的电位差分别为：11ABUI R23ADUI R02311()BDBDABADUUUUUUI RI R 空载输出为：空载输出为：313412URURRRRR323141034121234()()()RR RR RRUUURRRRRRRR当电桥平衡时当电桥平衡时,即即Uo=0，则有：，

20、则有：4321RRRR故得到故得到电桥平衡条件电桥平衡条件：相邻两臂电阻的比值应：相邻两臂电阻的比值应相相等等,或相对两臂电阻的乘积相等。或相对两臂电阻的乘积相等。再化简得：再化简得：R1R4=R2R3 或或2不平衡直流电桥的工作原理及电压灵敏度不平衡直流电桥的工作原理及电压灵敏度 这里假设电桥的一臂这里假设电桥的一臂R1接入电阻应变片，应接入电阻应变片，应变片工作时，其电阻变化变片工作时，其电阻变化 ，此时电桥失去平衡，此时电桥失去平衡，输出电压为：输出电压为：311011234()RRRUURRRRR1R当电桥接入当电桥接入电阻应变片电阻应变片时，即为应变桥（应时，即为应变桥（应变片的变片

21、的转换电路转换电路）。如果一个桥臂接入应变片，相）。如果一个桥臂接入应变片，相应的电桥为应的电桥为单臂桥单臂桥；对应的两个桥臂或四个桥臂接；对应的两个桥臂或四个桥臂接入应变片，相应的电桥称为入应变片，相应的电桥称为半桥半桥和和全桥全桥。4131124113(1)(1)RRRRURRRRRR4131124113(1)(1)RRRRURRRRRR 设桥臂比设桥臂比n=R2/R1,由电桥平衡条件可知由电桥平衡条件可知R4/R3 R2/R1n，并且并且忽略忽略分母中分母中R1/R1得到：得到：1021(1)RnUUnR由由电桥灵敏度电桥灵敏度的定义有：的定义有：0211(1)uUynKURxnR根据根

22、据 Uo ，所以，所以提高电桥灵敏度的措施有：提高电桥灵敏度的措施有：提高供电电源的电压提高供电电源的电压U（在功耗允许的范围内）（在功耗允许的范围内）提高提高 的取值的取值由由dKU/dn=0，求，求KU的最大值（极值）的最大值（极值）,得：得：0)1(132nnUdndKU 故故 n=1时，时，即即R1=R2，R3=R4，KU取得最大值。取得最大值。2(1)unKUn根据2(1)nn直流电桥的优点：直流电桥的优点：高稳定度直流电源易于获得；高稳定度直流电源易于获得；电桥调节平衡电路简单；电桥调节平衡电路简单；传感器及测量电路分布参数影响小等。传感器及测量电路分布参数影响小等。104RUUR

23、4UUK从上面的讨论可知：当从上面的讨论可知：当R1=R2，R3=R4时时,电桥电压电桥电压灵敏度最高灵敏度最高,此时有：此时有：n1时的电桥，称为时的电桥，称为对称电桥对称电桥，实际应用中常采用，实际应用中常采用这种电桥的形式。这种电桥的形式。（二）电桥的（二）电桥的非线性误差非线性误差单臂桥实际输出为：单臂桥实际输出为：（不忽略（不忽略分母中的分母中的R1/R1）非线性误差为非线性误差为11011(1)(1)RnRUURnnR 11110001RRnRRUUUL对于对称电桥，对于对称电桥，n=11111212LRRRR（1）采用差动电桥减小非线性误差）采用差动电桥减小非线性误差在试件上安装

24、两个工作应变片，R1 受拉，R2受压，且应变量相同。接入电桥相邻桥臂,则电桥输出电压为：3110112234()RRRUURRRRRR将1/(1+)按幂级数展开代入 ,再略去高阶量，可得非线性误差：非线性误差：11/(2)RRL112LRR可见非线性误差 与 成正比。对金属电阻丝应变片，因为R非常小，电桥非线性误差可以忽略，但对半导体应变片，因为灵敏度比金属丝式大得多（50-70倍），受应变时R很大，非线性误差将不可忽略。L11RR为了减小非线性误差，常采用的措施为：设初始时有：设初始时有：R1=R2=R3=R4=R,且应变量相同即且应变量相同即R1=R2，则得：则得：102RUUR结论：差动

25、电桥（半桥差动电路）结论：差动电桥（半桥差动电路）消除了非线性消除了非线性误差误差（输出电压表达式的分母不含（输出电压表达式的分母不含R1/R1），），灵敏度比单臂电桥提高了一倍。且具有温度补偿灵敏度比单臂电桥提高了一倍。且具有温度补偿作用。作用。全桥差动电路：全桥差动电路：R1R4受拉应变受拉应变,R2R3两个受压应变两个受压应变,即将两个应变符号相同的应变片接即将两个应变符号相同的应变片接入相对桥臂上。入相对桥臂上。3311011223344()RRRRUURRRRRRRR101RUURUKU 结论：全桥差动电路电压灵敏度为单臂电桥的结论：全桥差动电路电压灵敏度为单臂电桥的4倍，倍，也消除

26、了非线性误差，且具有温度补偿作用。也消除了非线性误差，且具有温度补偿作用。若应变量若应变量R1=R2=R3=R4,且且R1=R2=R3=R4,则则(2)采用采用恒流源恒流源电桥电桥减小减小非线性误差非线性误差041(/4)IRURR 可见非线性误差比单臂恒压源电桥减少可见非线性误差比单臂恒压源电桥减少1/2110114(1)2RRUURR 而而单臂恒压源单臂恒压源电桥输出为：电桥输出为：(三)交流电桥 当被测量为复阻抗时，转换电路采用交流电桥。由于供电电源为交流电源,分布电容使得两桥臂应变片呈现复阻抗特性,相当于二只应变片各并联了一个电容,则每一桥臂上复阻抗分别为：11111RZjwRC222

27、21RZjwR C33RZ 44RZ)()(432132410ZZZZZZZZUU输出电压 要使电桥平衡,即U0=0,则有：Z1 Z4=Z2 Z3 将Z1、Z4、Z2、Z3复阻抗值代入上式得：3222411111RCjwRRRCjwRR 整理上式得24241313CjwRRRCjwRRR故交流电桥的平衡条件为：3412RRRR2112CCRR结论结论：交流电桥除了要满足电阻平衡条件外,还必须满足电容平衡条件。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。24241313CjwRRRCjwRRR根据由实部与虚部都分别相等得电桥平衡条件设交流电桥的初始状态是平衡的，当被测应力变化引起Z1=Z

28、0+Z,Z2=Z0-Z变化时,则电桥输出为：002UZUZ102RUUR(直流电桥半桥输出)对比形式相同五、温度误差及其补偿五、温度误差及其补偿(一一)温度误差温度误差：用应变片测量时，用应变片测量时，由于测量现场环境温度的改变所引由于测量现场环境温度的改变所引起的电阻变化而给测量带来的附加误差起的电阻变化而给测量带来的附加误差,称为应变片的温度误差。称为应变片的温度误差。温度误差主要包括两部分：温度误差主要包括两部分：环境温度变化时，环境温度变化时，敏感栅电阻敏感栅电阻随温度的变随温度的变 化引起的误差。化引起的误差。)1(0tRRtt00ttRRtR01ttRtR敏感栅的电阻丝阻值随温度变

29、化的关系可用下式表示：敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：式中式中:t金属丝的电阻温度系数金属丝的电阻温度系数;t温度变化值温度变化值,tt t0。当温度变化当温度变化t时时 引起电阻引起电阻相对变化（相对变化（即误差即误差）为：为：环境温度变化时，环境温度变化时，试件材料的线膨胀试件材料的线膨胀引起的误差引起的误差ktaakRRsgt)(2gasa应变片灵敏系数应变片灵敏系数试件膨胀系数试件膨胀系数应变片敏感栅材料的膨胀系数应变片敏感栅材料的膨胀系数因此，由于温度变化形成总的电阻相对变化为：因此，由于温度变化形成总的电阻相对变化为：k()tgsRtaatR 当温度变化当温度变化

30、时，因试件材料和敏感栅材料的线时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化为：引起的电阻相对变化为：t(二二)温度补偿温度补偿通常补偿温度误差的方法有通常补偿温度误差的方法有自补偿法自补偿法和和线路补偿法。线路补偿法。1自补偿法自补偿法(1)单丝自补偿法单丝自补偿法：用热处理的方法调整栅丝的温度系数：用热处理的方法调整栅丝的温度系数taatkkRRsgtt)(/要实现温度自补偿要实现温度自补偿,即使即使 ，必须有，必须有 电阻丝材料与试件材料配合恰当，就可以满足上式，电阻丝材料与试件材料配合恰当，就

31、可以满足上式，以消除温度误差。以消除温度误差。()tgsk 0t热输出应变为：热输出应变为：(2)组合式自补偿法组合式自补偿法应变片敏感栅丝由两种不同应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成。温度系数的金属丝串接组成。12()()ttRR 例如选用两种不同符号的例如选用两种不同符号的电阻温度系数，一正一负，电阻温度系数，一正一负，最终使：最终使：2.线路补偿法线路补偿法常用的最好的补偿方法是常用的最好的补偿方法是电桥补偿法电桥补偿法。补偿原理：桥路相邻两臂增加相同电阻（指增加由于相同温度变化补偿原理：桥路相邻两臂增加相同电阻（指增加由于相同温度变化引起的相同电阻变化），对电桥输出无影响

32、。引起的相同电阻变化），对电桥输出无影响。R1工作应变片；工作应变片；RB补偿应变片补偿应变片 这里：这里：R1RB，R3=R4R1与与RB为特性一致的应变片，它们处于同一温度场，且为特性一致的应变片，它们处于同一温度场，且仅工作仅工作应变片应变片R1承受应变承受应变。补偿过程：当温度升高或降低t=tt0时,工作应变片由R1变为R1+R1t，补偿应变片由RB 变为RB+RBt。且R1t=RBt。此时电桥仍然处于平衡状态，输出为0。若此时被测试件有应变的作用,则工作应变片电阻R1又有新的增量R1=R1K,而补偿片因不承受应变,故不产生新的增量,根据单臂电桥的输出电压为：所以电桥输出电压为：Uo=

33、AR4R1K 即Uo 与成单值函数关系，与温度无关。URRRRRRRRUBB)(4313410差动电桥补偿法差动电桥补偿法测量梁的弯曲应变时，将两个应变片分贴于上下两面对称位置，特性相同，所以二电阻变化值相同而符号相反。按图接入电路，构成半桥差动电桥，因而电桥输出电压比单片时增加1倍(灵敏度提高一倍)。1BRR与1BRR与当梁上下面温度一致时，可起温度补偿温度补偿作用（相减抵消）。1BRR与31431013413411()()()2()BBBBBRR RR RRUUURRRRRRRRRRURR 热敏电阻法热敏电阻法RtRtUoR5 一、压阻效应一、压阻效应半导体应变片的工作原理是基于半导体材料

34、半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的的压阻效应压阻效应。所谓压阻效应，是指单晶半导。所谓压阻效应，是指单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率率发生变化的现象。发生变化的现象。半导体应变片的电阻变化可由下式表示：半导体应变片的电阻变化可由下式表示：电阻率)21(RR第二节第二节 压阻式传感器压阻式传感器q 半导体应变片电阻率变化引起的半导体应变片电阻率变化引起的/远大于由几远大于由几何变形引起的何变形引起的(1+2)，其电阻变化率为：，其电阻变化率为：)21(RRRRE-LLLLERER 半导体材料压阻系数,沿某晶向的应力半导体材料的弹性模量q

35、 半导体应变片的灵敏度为：半导体应变片的灵敏度为：50-70LSE，比应变片灵敏度高倍二、半导体应变片的结构特点二、半导体应变片的结构特点半导体应变片分为两类：半导体应变片分为两类：1.体型体型半导体应变片半导体应变片体型体型半导体应变片半导体应变片是将半导体单晶硅是将半导体单晶硅或者锗加工成条状，或者锗加工成条状，在两端焊上引线后在两端焊上引线后粘贴在胶膜基地上粘贴在胶膜基地上即成。即成。2.扩散型半导体应变片扩散型半导体应变片扩散型半导体应变片是在电阻率很大的单晶硅扩散型半导体应变片是在电阻率很大的单晶硅支持片上，定域扩散一层支持片上，定域扩散一层P型型(硼硼)或或N型型(磷、磷、砷砷)杂

36、质，形成极薄的导电层，焊上电极即成。杂质，形成极薄的导电层，焊上电极即成。二、半导体应变片的结构特点二、半导体应变片的结构特点半导体应变片的突出特点半导体应变片的突出特点是灵敏度高，可测微小应是灵敏度高，可测微小应变。变。半导体应变片的另一个特半导体应变片的另一个特点是体积小，结构简单，点是体积小，结构简单，机械滞后小，耗电少。机械滞后小，耗电少。半导体应变片的半导体应变片的缺点缺点：1.电阻温度系数大，对环电阻温度系数大，对环境温度的变化敏感；境温度的变化敏感；2.测量大应变时灵敏度的测量大应变时灵敏度的非线性严重。非线性严重。二、半导体应变片的结构特点二、半导体应变片的结构特点因为半导体应变片的两个缺点，在使用半导因为半导体应变片的两个缺点，在使用半导体应变片时，必须进行温度补偿和非线性补体应变片时，必须进行温度补偿和非线性补偿，为此研制了相应的补偿型半导体应变片：偿，为此研制了相应的补偿型半导体应变片：