第三章 电阻式传感器
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工作原理
- 应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象
电阻式传感器是利用弹性元件和电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器
- 结构：应变式传感器有弹性元件上粘贴电阻应变片构成
广泛应用于力、力矩】压力、加速度、重量测量
应变效应
导体或半导体在力的作用下产生机械形变时阻值产生相应变化。
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。
电阻应变片种类
两种：金属电阻应变片、半导体应变片
金属电阻应变片（应变效应为主）
灵敏度取决于尺寸变化。
半导体应变片（压阻效应为主）
灵敏度取决于电导率变化
对不同半导体，施加电荷方向不同，压阻响应不一样。
应变片的温度补偿及误差
- 应变片的温度误差：由于测量现场环境温度的改变给测量带来的附加误差。
- 产生温度误差主要因素有两个方面：
- 电阻温度系数影响
- 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数不同，产生附加变形，从而导致电阻值发生变化
因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还和应变片自身的性能参数以及试件线膨胀系数有关。
电阻应变片的温度补偿方法
线路补偿和应变片自补偿两大类
- 电桥补偿法
当温度变化时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍然平衡。
相邻臂贴上电阻应变片
电桥的输出电压仅与被测试试件的应变有关，与环境温度无关。
补偿注意条件
- 工作过程中，应保证R3 = R4（灵敏度最高）
- R1、R2两个应变片应有相同的电阻温度系数，线膨胀系数，应变灵敏度系数和初始电阻值
- 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样
- 两应变片必须处于同一温度场
测量电路
直流电桥
直流电桥平衡条件
相邻两臂的比值应相等
电压灵敏度
应变片工作时，电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般徐加入放大器进行放大，由于放大器输入阻抗较大，所以仍视为开路。
分析：
- 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压
- 电桥电压灵敏度时桥臂电阻比值n的函数
当电源电压和电阻相对变化量一定时，电桥输出电压及其灵敏度为定值，与各桥臂电阻大小无关。
非线性误差
使用差动电桥 ，
半桥差动：在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂，灵敏度为单臂的两倍。
全桥差动：在四个臂接入四片应变片，两个受拉、两个受压，灵敏度为4倍
交流电桥：由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，但直流放大器容易产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。
应变式传感器应用
应变片能将应变直接转换成电阻变化
其他物理量需要现将这些量转化成应变-弹性元件。
应变式传感器组成： 弹性元件、应变片、附件（补偿元件、保护罩）
应变式力传感器
被测量物理量：荷重或力
筒式、柱式、环式、悬臂式
应变式压力传感器
用来测量流动介质的动态或静态压力。