1、项目二,温度传感器,一、项目要求,应变式传感器是应用最广泛的传感器之一。它是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。【知识要求】1.掌握电阻应变效应、电阻应变片的工作原理。2.了解电阻应变片的分类及其特点。3.掌握电阻应变片的检测线路桥路的三种形式。4.了解检测线路的补偿方法。5.了解电阻应变式传感器的应用。重点：理解应变式传感器的工作原理，掌握它的性能特点，了解其常用结构的形式及应用。难点：线性与非线性电位器的测量原理，应变式传感器的测量原理、温度误差及其补偿。,一、项目要求,【能力要求】1.能够正确地识别各种应变式传感器及其特点和其在整个工作系统中的作用。2.在设计中，能够根据工作系统
2、的特点，找出匹配的应变式传感器。3.能够准确判断出传感器的好坏，熟练掌握应变式传感器的测量方法。4.能够设计一个简单的测量电路。,二、相关知识,（一）应变式传感器工作原理1金属的应变效应电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应。金属丝的电阻随着它所受的机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。金属丝的电阻为什么会随着其发生的应变而变化呢?道理很简单，因为金属丝的电阻(R=L/S)与材料的电阻率()及其几何尺寸(长度L和截面积S)有关，而金属丝在承受机械变形的过程中，这三者都要发生变化，因而引起金属丝的电阻变化。,二、相关知识,2电阻应变片的工作原理按其构造材料可
3、划分成金属电阻应变片和半导体电阻应变片两大类。如图所示为丝绕式应变片，金属导线的电阻值与其导线长度L成正比而与导线截面积S成反比，即一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为,金属电阻丝应变效应,式中 电阻丝的电阻率；L电阻丝的长度；S电阻丝的截面积。,二、相关知识,当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长L，横截面积相应减小S，电阻率将因晶格发生变形等因素而改变，故引起电阻值相对变化量为 式中，L/L是长度相对变化量，用应变表示S/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量， 即,二、相关知识,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，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为式中，为电
4、阻丝材料的泊松比，负号表示与应变方向相反。 或,二、相关知识,通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达式为灵敏度系数受两个因素影响，一个是受力后材料几何尺寸的变化，即1+2，另一个是受力后材料的电阻率发生的变化，即(/)/。对金属材料电阻丝来说，灵敏度系数表达式中1+2的值要比(/)/大得多，而半导体材料的(/)/的值比1+2大得多。大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。,二、相关知识,用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同
5、时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为R时，便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系，可得到应力值为式中 试件的应力；试件的应变；E试件材料的弹性模量。由此可知，应力值正比于应变，而试件应变正比于电阻值的变化，所以应力正比于电阻值的变化，这就是利用应变片测量应变的基本原理。,二、相关知识,（二） 电阻应变片种类及特性1.电阻应变片的种类电阻应变片品种繁多，形式多样。但常用的应变片可分为金属电阻应变片和半导体电阻应变片两类。敏感栅是应变片的核心部分，它黏贴在绝缘的基片上，其上再黏贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。,金属
6、电阻应变片的结构示意图,二、相关知识,（1）丝式应变片（2）箔式应变片,回线式应变片,箔式应变片,二、相关知识,（3）薄膜式应变片薄膜式应变片是薄膜技术发展的产物，其厚度在0.1m以下。它是采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成应变片。这种应变片灵敏系数高，易实现工业化生产，是一种很有前途的新型应变片。,半导体电阻应变片的结构形式,二、相关知识,半导体电阻应变片的突出优点是灵敏度高，动态响应好。尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏系数极大，比金属丝式高5080倍，因而输出也大，可以不需放大器直接与记录仪器连接，使得测量系统简化。它的缺点是电阻值和灵敏系数的
7、温度稳定性差；测量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变，且分散度大，一般在3% 5%之间，因而使测量结果有（3% 5%）的误差。,二、相关知识,2.横向效应因此，应变片感受应变时，其电阻变化应由两部分组成，一部分与纵向应变有关，另一部分与横向应变有关，对于如图所示U型应变片，其电阻相对变化的理论计算式为式中 l金属电阻丝总长度；r圆弧部分半径；n敏感栅直线段数目。,横向效应,二、相关知识,设式可写为对其他形式应变片也适用的一般形式：,二、相关知识,式中 Kx应变片对轴向应变的灵敏系数，它代表y=0 时，敏感栅电阻相对变化与x之比；Ky应变片对横向应变的灵敏系数，它代表x=0 时，敏感栅
8、电阻相对变化与y之比； c应变片横向灵敏度，它表示横向应变对应变片电阻相对变化的影响程度。通常可以用实验方法来测定Kx和Ky，然后再求出c。,（三）黏合剂和应变片的黏贴技术1.黏合剂电阻应变片工作时，总是被黏贴到试件上或传感器的弹性元件上。在测试被测量时，黏合剂所形成的胶层起着非常重要的作用，它应准确无误地将试件或弹性元件的应变传递到应变片的敏感栅上去。所以黏合剂与黏贴技术对于测量结果有直接影响，不能忽视它们的作用。对黏合剂应有以下几点要求：有一定的黏结强度；能准确传递应变；蠕变小；机械滞后小；耐疲劳性能好，韧性好；长期稳定性好；具有足够的稳定性能；对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用；有适当
9、的贮存期；有较大的使用温度范围。,二、相关知识,二、相关知识,2.应变片黏贴工艺（1）应变片检查根据测试要求而选用的应变片，要做外观和电阻值的检查，对精度要求较高的测试还应复测应变片的灵敏系数和横向灵敏度。外观检查线栅或箔栅的排列是否整齐均匀，是否有造成短路、断路的部位或有锈蚀斑痕；引出线焊接是否牢固；上下基底是否有破损部位。电阻值检查对经过外观检查合格的应变片，要逐个进行电阻值测量，其值要求准确到0.05，配对桥臂用的应变片电阻值应尽量相同。,二、相关知识,（2）修整应变片对没有标出中心线标记的应变片，应在其上基底上标出中心线。如有需要应对应变片的长度和宽度进行修整，但修整后的应变片不可小于
10、规定的最小长度和宽度。对基底较光滑的胶基应变片，可用细砂布将基底轻轻地稍许打磨，并用溶剂洗净。（3）试件表面处理为了使应变片牢固地黏贴在试件表面上，必须使黏贴应变片的试件表面部分平整光洁且无油漆、锈斑、氧化层、油污和灰尘等。,二、相关知识,（4）划黏贴应变片的定位线为了保证应变片黏贴位置的准确性，可用划笔在试件表面划出定位线。黏贴时应使应变片的中心线与定位线对准。（5）黏贴应变片 在处理好的黏贴位置上和应变片基底上，各涂抹一层薄薄的黏合剂，稍待一段时间(视黏合剂种类而定)，然后将应变片黏贴到预定位置上。在应变片上面放一层玻璃纸或一层透明的塑料薄膜，然后用手滚压挤出多余的黏合剂，使黏合剂层的厚度
11、尽量减薄。（6）黏合剂的固化处理 对黏贴好的应变片，依黏合剂固化要求进行固化处理。,二、相关知识,（7）应变片黏贴质量的检查外观检查电阻值检查绝缘电阻检查（8）引出线的固定保护 黏贴好的应变片引出线与测量用导线焊接在一起，为了防止应变片电阻丝和引出线被拉断，用胶布将导线固定于试件表面，但固定时要考虑使引出线呈弯曲形的余量和引线与试件之间的良好绝缘。（9）应变片的防潮处理应变片黏贴好固化以后，要进行防潮处理，以免潮湿引起绝缘电阻和黏合强度降低，影响调试精度。简单的方法是在应变片上涂一层中性凡士林。最好是石蜡或蜂蜡熔化后涂在应变片表面上(厚约2 mm)，这样可长时间防潮。,二、相关知识,（四）应变
12、片的温度误差及补偿1.应变片的温度误差（1）温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变式中 Rt温度为t时的电阻值；R0温度为t0 时的电阻值；敏感栅材料的电阻温度系数；t温度变化值，t=tt0。,二、相关知识,当温度变化t时， 电阻丝电阻的变化值为将温度变化t时的电阻变化折合成应变t，则（2）试件材料与敏感栅电阻丝材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变总附加应变量为,二、相关知识,2.电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法通常有桥路补偿法、应变片的自补偿法和热敏电阻补偿法三大类。（1）桥路补偿法桥路补偿法是最常用的且效果较好的线路补偿法，桥路补偿法也称补偿片法。电桥输出电压
13、Uo与桥臂参数的关系为,电桥补偿法R1工作应变片；RB补偿应变片,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。,二、相关知识,（2）应变片的自补偿法这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片，黏贴在被测部位上的一种特殊应变片。当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种特殊应变片称为温度自补偿应变片。利用温度自补偿应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。温度自补偿应变片要实现温度自补偿，必须有,二、相关知识, 选择式自补偿应变片 双金属丝敏感栅自补偿应变片（3）热敏电阻补偿法如图所示，图中的热敏电阻Rt处在与应变片相同的温度条件下，当应变片的灵敏度随
14、温度升高而下降时，热敏电阻Rt的阻值也下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥的输出，补偿因应变片引起的输出下降。选择分流电阻及RS的值，可以得到良好的补偿。,双金属丝敏感栅,热敏电阻补偿法,二、相关知识,（五）电阻应变片的测量电路1.平衡电桥的工作原理平衡电桥多用直流供电，如图所示。四臂中任一电阻可用应变片代替，因为应变片工作过程中阻值变化很小，所以可认为电源供出的电流I在工作过程中是不变的，即加在3和4间的电压是一个定值。假定电源为电势源E，内阻为零，则在检流计中流过的电流Ig和电桥各参数间的关系为,直流电桥,二、相关知识,式中，Rg为检流计的内阻，应变片的阻值变化量可以用Ig
15、的大小来表示(偏转法)，也可以用桥臂阻值的改变量来表示(零读法)。若采用零读法时，电桥的平衡条件为流过检流计的电流等于零。此时式要满足下列条件即若第一桥臂用应变片代替，应变片由应变引起的电阻变化为R，使式的关系被破坏，检流计有电流流过，此时可调节其余臂的电阻，使其重新满足式的关系。若调节R2，使其变为,二、相关知识,若R3和R4为定值时，可用R2表示R1的大小，一般将R3和R4称为比例臂，改变它们的比值，可以改变R1的测量范围，而R2称为调节臂，用它来调节被测应变值。它和一般电桥的不同点是在测量前和测量时需要作两次平衡。静态应变仪的电桥多采用这种原理制成。若应变为动态量，则电阻变化较快，平衡电
16、桥已经来不及了，此时只能采取偏转法，即不平衡电桥法。2.不平衡电桥的工作原理不平衡电桥是利用电桥输出电流或电压与电桥各参数间的关系进行工作的。此时在电桥的输出端接入检流计或放大器。在输出电流时，为了使电桥有最大的电流灵敏度，希望电桥的输出电阻应尽量和指示器内阻相等。,二、相关知识,实际上电桥后面连接的放大器的输入阻抗都很高，比电桥的输出电阻大得多，此时必须要求电桥具有较高的电压灵敏度，当有小的R/R变化时，能产生较大的U值。图中是由交流电压U供电的交流电桥电路，第一臂是应变片，其他三臂为固定电阻。应变片未承受应变，此时阻值为R1。电桥处于平衡状态，电桥输出电压为0。当承受应变时，产生R1的变化
17、，电桥变化，不平衡电压输出Uo。由图可知：,交流电桥电路,二、相关知识,假设n=R2/R1，并考虑电桥初始时条件R2/R1=R4/R3 ，以及略去分母中的微小项R1/R1。则有电桥的电压灵敏度为,二、相关知识,研究式可以发现：电桥的电压灵敏度正比于电桥供电电压，电桥电压愈高，电压灵敏度愈高。但是电桥电压的提高受两方面的限制，一方面是应变电桥电阻的温度误差，另一方面是应变片的允许温升，所以一般供给电桥的电压为13 V。电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，即和电桥各臂的初始比值有关。当U一定时，由KU/n可求得n=1时，电压灵敏度KU最大，此时R1=R2、R3=R4，这种对称情况正是我们进行温度
18、补偿所需的电路，所以它在非电量电测量电路中得到广泛的应用。对于这类对称的式可以简化为,二、相关知识,根据直流电桥分析可知，由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。,二、相关知识,3.电桥电路的非线性误差及其补偿一般消除非线性误差的方法有以下两种。（1）采用差动电桥（2）采用高内阻的恒流源电桥,差动电桥电路,恒流源电桥,三、项目实施,（一）实施要求(1)通过本项目的实施，在掌握应变式传感器的基本结构和工作原理的基础上掌握应变式传感器的器件识别、故障判断、测量方法和实际应用。(2)该项目需要应变式传感器实训台或相关设备、导线若干、相关的仪表、
19、万用表、示波器。,三、项目实施,（二）实施步骤（1）找出应变式传感器在电路中的位置，并判断是什么类型的传感器。（2）分析测量电路的工作原理，观察应变式传感器工作过程中的现象。（3）找出各个单元电路，记录其电路组成形式。（4）按照原理图用导线将电路连接好，检查确认无误后，启动电源。（5）观察各单元电路的工作情况，记录其在工作过程中不同状态下的数据。,四、拓展知识,（一） 应变式力传感器被测物理量为荷重或力的应变式传感器，统称为应变式力传感器。其主要用做各种电子秤与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。 应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性，当传感器在受到侧向作用力或
20、力的作用点发生轻微变化时，不应对输出有明显的影响。,柱（筒）式力传感器,环式力传感器结构图及应力分布图,四、拓展知识,（二）应变式压力传感器（三）应变式容器内液体重量传感器,膜片式压力传感器,应变式容器内液体重量传感器,四、拓展知识,（四）应变式加速度传感器,应变式加速度传感器的结构示意图,五、项目实训,（一）金属箔式应变片单臂电桥性能实验1.实验目的了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。2.实验仪器应变式传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、15V和4V电源、万用表（自备）。,五、项目实训,3.实验原理电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，
21、描述电阻应变效应的关系式为：R/R=K，式中R/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，=l/l为电阻丝长度相对变化。金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件，如图所示，四个金属箔应变片分别黏贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸或被压缩。,金属箔式应变片,五、项目实训,通过这些应变片转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图所示R5、R6、R7为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压,五、项目实训,E为电桥电源电压，R为固定电阻值，式中表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为4.实验内容与步骤（1）应变式传感
22、器上的各应变片已分别接到应变式传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350 。（2）差动放大器调零。从主控台接入15 V电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui短接并与地短接，输出端Uo2接数显电压表（选择2 V挡）。将电位器RW3调到增益最大位置（顺时针转到底），调节电位器RW4使电压表显示为0 V。关闭主控台电源（RW3、RW4的位置确定后不能改动）。,五、项目实训,（3）按图中所示连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥。（4）加托盘后电桥调零。电桥输出接到差动放
23、大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，预热5 min，调节RW1使电压表显示为零。,五、项目实训,（5）在应变式传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200 g砝码加完，记下实验结果，填入表中，关闭电源。,实验结果,5.实验报告根据表计算系统灵敏度KU/W（U输出电压变化量，W重量变化量）和非线性误差f1=m/yFS 100%，式中m为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；yFS为满量程（200 g）输出平均值。6.注意事项加在应变式传感器上的压力不应过大，以免造成应变式传感器的损坏！,五、项目实训,五、项目实训,（二） 金
24、属箔式应变片半桥性能实验1.实验目的比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。2.实验仪器应变式传感器实验模块、托盘、砝码，数显电压表、15 V和4 V电源、万用表（自备）。,五、项目实训,3.实验原理不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，如图所示。电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善，当两只应变片的阻值相同、应变数也相同时，半桥的输出电压为,E为电桥电源电压，式中表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。,应变式传感器实训电路,五、项目实训,4.实验内容与步骤（1）应变式传感器已安装在应变式传感器实验模块上，可参考“金属箔式应变片”图。（2）差动放大器调零，从主控台接入15 V电源，检查
25、无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui短接并与地短接，输出Uo2接数显电压表（选择2 V挡）。将电位器PW3调到增益最大位置（顺时针转到底），调节电位器RW4使电压表显示为0 V。关闭主控台电源（RW3、RW4位置确定后不能改动）。（3）按“应变式传感器实训电路”图所示接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两只应变片接入电桥的邻边。,五、项目实训,（4）加托盘后电桥调零。电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，预热5min，调节RW1使电压表显示为零。（5）在应变式传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到2
26、00 g砝码加完，记下实验结果，填入表中，关闭电源。,实验结果,五、项目实训,5.实验报告根据表中的实验资料，计算灵敏度K=U/W和非线性误差f2。6.思考题引起半桥测量时非线性误差的原因是什么？,五、项目实训,（三） 金属箔式应变片全桥性能实验1.实验目的了解全桥测量电路的优点。2.实验仪器应变式传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、15 V和4 V电源、万用表（自备）。,五、项目实训,3.实验原理全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，如图所示，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出电压为,全桥测量电路连接图,五、项目实训,（3）按“全桥测量电路连接图”所示接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两对应变片分别接入电桥的邻边。 图全桥测量电路连接图 （4）加托盘后电桥调零。电桥输出接到差动放大器的输入端Ui,检查接线无误后，合上主控台电源开关，预热5 min，调节RW1使电压表显示为零。 （5）在应变式传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200 g砝码加完，记下实验结果，填入表中，关闭电源。,实验结果,五、项目实训,5.实验报告根据记录表中的实验资料，计算灵敏度K=U/W和非线性误差f3。6.思考题比较单臂、半桥、全桥测量电路的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。,本章结束,
