应变片的测量电路
桥式测量电路
Ｒ１、R2、R3、Ｒ4为４个应变片电阻,组成了桥式测量电路，R ｍ为温度补偿电阻，e 为激励电压，V 为输出电压。
若不考虑Ｒm,在应变片电阻变化以前,电桥的输出电压为： V=e R R R R R R ⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+434211 由于桥臂的起始电阻全等,即R １ = R2 ＝ R3 ＝ R4 = Ｒ，所以V=0 。
当应变片的电阻R1、Ｒ2、Ｒ3、R4变成R+△R １、R+△Ｒ2、R+△R3、R+△R4时，电桥的输出电压变为: V=e R R R R R R R R R R R R ⎪⎭⎫ ⎝⎛∆++∆+∆+-∆++∆+∆+434211 通过化简，上式则变为： V=4e ⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-∆+∆-∆R R R R R R RR 4321 也就是说，电桥输出电压的变化与各臂电阻变化率的代数和成正比。
如果四个桥臂应变片的灵敏系数相同,且R R ∆ ＝ K ε,则上式又可写成: V=(4eK ε1 - ε2 + ε3 - ε４ ） 式中K 为应变片灵敏系数，ε为应变量。
上式表明,电桥的输出电压和四个轿臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比。
在电阻应变式称重传感器中，4个应变片分别贴在弹性梁的４个敏感部位，传感器受力作用后发生变形。
在力的作用下，Ｒ１、R3被拉伸，阻值增大，△R1、△R ３正值,R ２、R4被压缩，阻值减小,△Ｒ２、△R ４为负值。
再加之应变片阻值变化的绝对值相同，即△R １ = △Ｒ3 = ＋ △R 或ε1 = ε３ = +ε△R2 = △R4= - △R 或ε2 = ε4 = － ε因此,V=4eK ×4ε ＝ e K ε。
若考虑 Ｒm,则电桥的输出电压变成:Ｖ=e Rm R R R R R RR R ⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛∆--∆+222 =e RR Rm R R ∆+2 = Rm R R 2+ Ｋ εe 令S Ｕ = eV ，则 ＳU =Rm R R 2+ Ｋ ε ＳU 称为传感器系数或传感器输出灵敏度。
测试实验二 称重
实验一 应变片单臂电桥性能实验一、实验目的：了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。
二、基本原理：电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。
一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。
此类传感 器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元 件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输 出。
它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等， 在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。
1、应变片的电阻应变效应所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变 而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。
以圆柱形导体为例： 设其长为：L 、半径为r 、材料的电阻率为ρ时，根据电阻的定义式得2rLA L R ⋅==πρρ（1—1） 当导体因某种原因产生应变时，其长度L 、截面积A 和电阻率ρ的变化为dL 、dA 、d ρ相应的电阻变化为dR 。
对式（1—1）全微分得电阻变化率 dR/R 为：ρρd r dr L dL R dR +-=2 （1—2） 式中：dL/L 为导体的轴向应变量εL ; dr/r 为导体的横向应变量εr 由材料力学得： εL = - μεr (1—3)式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5 左右；负号表示两者的变 化方向相反。
将式（1—3）代入式（1—2）得：ρρεμd R dR ++=)21( （1—4） 式（1—4）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能 （压阻效应）。
2、应变灵敏度它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。
(1)、金属导体的应变灵敏度K ：主要取决于其几何效应；可取l RdRεμ)21(+≈ （1—5） 其灵敏度系数为：K=)21(με+=RdRl 金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其 轴向应变成正比。
应变式压力传感器的测量电路
(
R3
R4 R
R R4
R
)
R Ui R
Ui K
桥式电路输出电压计算公式
8
课程回顾——
重点： 应变式传感器测量电路——桥式电路 做一做：计算教材中关于应变式电阻
输出电压的计算题目
9
电桥平衡被打破 （R1+∆R）R3≠R2R4 UO=f（∆R）
Ui R 4R
差动半桥
R1+∆R
5
R2-∆R
Uo
Ui 2
R R
差动全桥
R1+∆R R4-∆R
6
R2-∆R
R3+∆R
Uo
Ui
R R差动全桥来自R1+∆RR2-∆R
R4-∆R
R3+∆R
7
U0 Ub Ud
U
i
(
R1
R1 R
R R2
R
)
U
i
项目五 力的检测
任务三 电子秤压力的检测
应变式压力传感器测量电路
1
应变式压力传感器工作原理
受力件受 力产生机
械变形
应变片产生 应变效应
应变片电 阻值变化
测量转换电 路电压变化
无无法法直直接接测测量量！！
2
应变片在悬臂梁上的粘贴 R+∆R
R-∆R
3
单臂电桥
R1+∆R
4
电桥平衡条件 R1R3=R2R4 UO=0
第3-2章 测量电路(电阻应变测量技术)
当试件受静态压缩应变ε-时，将使Rl变为Ro-△R t，对应的电桥输出电压为
1 Rt 1 Vm sint k Vm sin(t ) 4 R0 4 相位与载波电压相差π ，其余与拉应变的情况相仿 。 U BD
§3-2 测量电路
应变片的接入方式： 单 桥
半 桥
全 桥
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3
§3-2 测量电路
一、直流电桥
由四个电阻Rl，R2， R3，R4，组 成四个桥臂； A ， C 为供桥端， 接电压为E的直流电源，B，D为 输出端，电桥的输出电压为
U BD
R1 R3 R2 R4 .E ( R1 R2 )( R3 R4 )
§3-2 测量电路
• 第一次转换：应变片将应变信号转换成电阻相对变 化量。 • 第二次转换：应变基本测量电路则是将电阻相对变 化量再转换成电压或电流信号，以便显示、记录和 处理。 • 电阻应变仪 －应变测量电路 ：通常转换后的信号很 微弱，必须经调制、放大、解调、滤波等变换环节 才能获得所需的信号 。 • 惠斯登电桥电路 ：按电源供电方式分，直流电桥和 交流电桥。电桥电路可有效地测量10-3~10-6数量级 的微小电阻变化率，且精度很高，稳定性好，易于 进行温度补偿，所以，在电阻应变仪和应变测量中 应用极广。
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17
2r kR
零位测量法与电源电压无关，电源电压变化不影响测量结果，故测量精度较高，但 测量时电桥需要重新平衡，较麻烦，只用于静态测试 。
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10
导线温度变化的影响？
金属箔式应变片与电桥测量电路
金属箔式应变片与电桥测量电路实验一金属箔式应变片与电桥测量电路本实验包含两个部分:(1) 单臂电桥说明金属箔式应变片及单臂直流电桥的原理和工作情况，(2) 单臂、半桥、全桥特性比较。
实验1.1 单臂电桥一、实验原理:况。
本实验说明金属箔式应变片及单臂直流电桥的原理和工作情应用应变片测试时，应变片牢固地粘贴在被测件表面上。
当被测件受力变形时，应变片的敏感栅随同变形，电阻值也发生相应的变化。
通过测量电路，将其转换为电压或电流信号输出。
电桥电路是非电量电测最常用的一种方法。
当电桥平衡时，即 R1=R2 、R3=R4 ，电桥输出为零。
在桥臂 R1 、 R2 、 R3 、 R4 中，电阻的相对变化分别为? R1/R1 、? R/R 、? R2 , R2 、? R/3R3 、? R4/R4 。
桥路的输出与当使用一个应变片时，当使用二片应变片时，如二片应变片工作，差动状态。
则有用四片应变片组成二个差动对工作，R1=R1=R3,R4=R ，于是，所以，由此可知，单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。
二、实验所需部件直流稳压电源、电桥、差动放大器、测微头，电压表(毫伏表)三、实验步骤1. 按图 1 所示将全部部件连接其中差动放大器和毫伏表使用前都要调零，(电压表可不必调零)。
毫伏表放在500mV 一挡比较合适，图1 电桥电路连接2. 将差动放大器调零方法是用导线正负输入端连接起来，然后将输出端接到毫伏表的输人端，调整差动胶大器的增益旋钮，使增益尽可能大，同时调整差动放大器上的调零按钮，使毫伏表指示到零，调好后旋钮就不可再动。
3. 确认接线无误时开启电源4. 在测微头离开悬臂梁，悬臂梁处于水平状态的情况下，通过调整电桥平衡电位器，系统愉出为零。
5. 装上侧微头，调整到系统输出为零，此时测微头读数为梁处于水平位置( 自由状态)，然后向上旋动测微头，从此位置开始，记下梁的位移与电压表指示值，继续往下悬臂梁，一直到水平下 7 一 8mm为止，并记下对应位置的电压表的值。
3.4 电阻应变片的测量电路
3
令：
求得：
dKu dn
1 n2 (1 n)4
0
n 1
当R1=R2=R3=R4时，此时，电压灵敏度最高，输出 电压为：
Uo
E 4
R1 R1
KU
E 4
4
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非线性误差及其补偿方法
输出电压如果不忽略R1/R1，输出为：
n R1
U
' o
E
(1
n
R1 R1 )(1
n)
非线性误差为：
R1
R1
L
Uo Uo' Uo
R1
1 n R1
R1
5
为了减小和克服非线性误差，可以采用差动电桥，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，称为半桥差动电路。
输出电压为：
Uo
E( R1
R1 R1 R1 R2 R2
R4 R1
E
R3 R1
(1 R1 R2 )(1 R4 )
R1 R1
R3
2
设桥臂比n=R2/R1，由于R1<<R1，考虑到平衡条件：
Uo
n E[(1 n)2
] R1 R1
电桥电压灵敏度定义为：
KU
UO R1
E
n (1 n)2
R1
结论（1）电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压；
（2）电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数。
R3
R3 R1
jwR3C1
R4 R2
jwR4C2
R2 R4 R1 R3
R2 C1 R1 C2
9
R3 R3 R4
(完整版)4-2电阻应变片测量电桥电路
12K1
若应变片灵敏系数近似等于2，则 e 。1这表明，略去非线性部分
所引入的相对误差与被测应变值大小相当。比如应变达到5000με
时，e50 01001 0。 06 可见0.，5% 在一般应变范围内分析应变 100
电桥的输出电压时，只取线性部分是足够精确的。
UU 1E 4 R R 11 R R 22 R R 33 R R 44
U E 4 1 2 R R 1 R R 2 1 2 R R 3 R R 4
R1 R
K01
R2 R
K02
R3 R
K03
R4 R
K04
U E 4 1 2 R R 1 R R 2 1 2 R R 3 R R 4 E 4 0 1 2 K 1 2 1 2 3 4
（1）电阻值的增量可正可负。考虑到测点应变的正负，根据电桥的性
质，在构件上布置应变片时，一般力图使应变电桥相邻桥臂的电
阻变化异号，相对桥臂的电阻变化同号。这样上式中各项相互抵
消，使e最小。
（2）考虑一种最坏的情况，即只有一臂接入应变片，而其他三臂接入
固定电阻，其阻值不变。此时的非线性误差为：
e 1 R1 2 R1
R1 R
K01
R2 R
K02
U E 4 1 2 R R 1 R R 2 E 4 K 2 0 1 2 E 4 0 1 K 2 2
仪 E 4 U 0 K 1 22P M 2P M P
1PM
2 PM
此方案既排除了载荷偏心的影响，又使温度效应得到补偿。
(完整版)4-2电阻应变片测量电桥电路
§4.2 电阻应变片的测量电路
电阻应变片中的电桥线路如图所示。它以应变片或电阻元件作为桥臂， 在电桥中A、B、C、D四个特殊点不能弄混，顶点A、C称为电桥的输入 端（电源端），顶点B、D称为电桥的输出端（测量端）。
应变片测量原理 ppt课件
• 一是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即 1+2μ，往往称之为几何效应；
• 二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即
（dρ/ρ）/ε ，往往称之为压阻效应。 很。难用解析
• 对金属材料：1+2μ＞＞(dρ/ρ)/ε
式描述
• 对半导体材料：(dρ/ρ)/ε＞＞1+2μ
PPT课件
• 对于金属材料，其压阻效应是很小的， 可以忽略不计，电阻应变效应主要是几
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片上 形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅， 再加上保护层。
优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范 围广，易实现工业化生产。
PPT课件
目前箔式应变片应用较多。 金属丝式应变片使用最早。金属丝式应变片蠕变较大， 金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格 便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。 当传感器的弹性体很薄、尺寸很小时，采用箔式应变 片会由于基底材料和粘结剂的存在而对传感器特性产生 不利影响，可采用薄膜式应变片。
机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的 机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之 前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生 的实验误差。
PPT课件
•零漂
对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其 电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。
产生的原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐 渐变化；粘结剂固化不充分等。
• 选用粘合剂时要根据应变片材料，测试 件材料，应变片的工作条件，如工作温 度、潮湿程度、有无化学腐蚀、稳定性 要求，加温加压固化的可能性，粘贴时 间长短等因素来考虑。
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一、直流电桥的输出电压
•应变片或电阻元件作为电桥桥臂。
•多种形式选择：R 1；R 1和R 2；R 1 -R 4，
其余为精密无感电阻。
•A 、C 为电桥的输入端，B 、D 为电桥的
1. 直流电桥的基本结构
输出端。
•E 为直流源。
2. 电压桥
（1）什么是电压桥
•应变片通常后接放大电路为高输入阻抗。
•测量端通常工作在小电流状态，主要是电
位差起作用。
•近似认为输出端开路，是为电压桥。
（2）电压桥的输出电压及平衡条件
设E 恒定，分支电流为
1,212E
I R R =+3,434
E
I R R =+R 1、R 4的电压降为
1AB A B ER U U U =-=12
R R +434
AD A D ER U U U R R =-=+则B 、D 间的电位差U 为
14
1234
1324
1234()()()
D B AB AD R R U U U U U E
R R R R R R R R E
R R R R =-=-=-++-=++
3. 电桥负载为有限值时的情形
依据等效电源原理（戴维南定理）
1324
1234()()
R R R R U E
R R R R -=++等效电压源
电源内阻
U R
R L
B D
I L U L 1
23401234R R R R
R R R R R =+++输出电流（负载电流）
0L L U
I R R =+
P 1
P
补偿片与工作片分别安装在构件上、下表面并平行
测量受弯、拉组合载荷梁的梁的表面弯曲应变。
2112,M P P εεε=-=弹性元件受到偏心压力，欲测量仅由压力引起的构件表面应变。
12,P P P εε==313, P P M εμεεμε=-=-)]
)]
21
21T r E
M πεμ=+枚应变片，沿圆轴母线±45︒角对称布置，采用全桥接法234T T T M M M εε==-=34P P P
εεε===3444)()]T M M P M εεε-++需要考虑测量导线和应变片分布电容的影响。