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1、第三章力、相軀和卷力怯感器I 第一节 测力传感器直流测量电桥一、电阻应变式测力传感器4 应变片的布置和接桥方式(1)应变仪中所用电桥的特性应变式传感器与应变仪配套使用进行 力的测量。应变仪中多采用交流电桥。 四个桥臂均为电阻，由可调电容平衡 分布电容，基本公式与直流电桥具有 相似的形式。第三章力、相軀和卷力怯感器I 第一节 测力传感器第三章力、相軀和卷力怯感器I 第一节 测力传感器U。RRq - R2R3 u（尺+讪严4）第三章力、相軀和卷力怯感器I 第一节 测力传感器第三章力、相軀和卷力怯感器I 第一节 测力传感器R&4 - R2R3 U（尺+讪3+心）直流测量电桥第三章 力、相耳和层力怯感
2、器 第一节测力传感器 一、电阻应变式测力传感器4 应变片的布置和接桥方式应变仪中所用电桥的特性若电桥为等宥电桥，HI =R2=R3=R4 四个桥臂上的电阻变化为XR2.则输出电压为:U =U （尺 + 血1）（尺4 + 朋4）- （尺2 + 2X3 + 血3） 。（尺 +A/?+/?2+A/?J（/?3+M + 0+A/?4）一.电阻应变式测力传感器4应变片的布置和接桥方式(1)应变仪中所用电桥的特性u =u+ &)-(忌 + 尺2X& + 唱) i(R + 尺 + 冬 + A2X/?3 + A/?3 + 0 + &)r T 7?j A/? + Rq 卜R RrbRg=U iz4R2_ Ui
3、(RX A7?2 A/?3 MJ一 4 I /?R R R 当各桥臂应变片的灵敏度系数都相等时，上式可写为第三章力、相軀和卷力怯感器| 第一节测力传感器一.电阻应变式测力传感器4应变片的布置和接桥方式(1)应变仪中所用电桥的特性U.UO =才( _$2 _$3 +*4) 单臂U = K双宥匕=心一勺)全桥第三章力、相懸和层力怯感器 第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器4 应变片的布置和接桥方式(2)应变片的布置和接桥方式应变片的布置和电桥连接应根据测量目的.对载荷分布的估 计以及在复合栽荷下测童应变时应能消除相互影响等情况而从表32. 33中可以看到，不同的布置和接桥方法对灵敏度. 温度补
4、偿情况和消除弯矩的彩响亦不同.一般应优先选用输 出信号大，能实现温度朮金，粘贴方便.并便于分析的方案.第三章力、扭耳和怎力怯感器| 第一节测力传感器温度谋崔及其*W因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素:III第三章力、相懸和层力怯感器 第一节测力传感器第三章力、相懸和层力怯感器 第一节测力传感器应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数;-电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。应变片温度決差及其杠设环境引起的构件温度变化为厶t CC）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为a t ,则应变片产生的电阻相对变化为:第三章力、相懸和层力怯感器 第一节测力传感器由于敏感栅材料和被测构
5、件材料两者线膨胀系数不同，当方 存在时，引起应变片的附加应变，相应的电阻相对变化为：K应变片灵敏系数；P c试件材料线膨胀系数；P 敏感栅材料线膨胀系数。第三章力、相懸和层力怯感器 第一节测力传感器温度知L及其杠温度变化厶彪成的总电阻相对变化:相应的虚假应变为:= A/ + K(用一 0A/(2-18)第三章力、相懸和层力怯感器 第一节测力传感器第三章力、相懸和层力怯感器 第一节测力传感器= a/4-(a-z?Ja/矗应变片灵敏系数；P eY件材料线膨胀系数；P厂敏感播材料线膨胀系数。可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能 （a t,fi P有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数
6、e）有关。温度谋崔及其林虚假应变： = Ar + (/3c - p：,) ArK温度补偿方法:K应变片灵敏系数；0 e试件材料线膨胀系数；P gtt感栅材料线膨胀系数。At 温度变化at敏感栅材料电阻温度系数1单丝自补偿应变片2.双丝组合式自补偿应变片3.电路补偿法丨第一节测力传感器&应变片灵敏系数； 几一试件材料线診胀系数;QgTt材料线膨胀系效。At 一温度变化L单丝自补偿应变片m Tt材料电阻温度系数由上式知，若使应变片在温度变化广时的热输出值为零，必须使 匕+ k（q_qJ=o职务二K（0厂仅）单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用都比较 方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料的
7、试件上使用，否 则不能达到温度自补偿的目的。丨第一节测力传感器2双敛纽合式自补偿应变片由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感 栅，以达到一定温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿.这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某 种试件上的两段敏感栅，随温度变化而 产生的电阻增量大小相等，符号相反， 即：一节测力传感器3、电略补偿法测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被測试件的表面，称 为工作应变片鸟。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上, 称为补偿应变片禺。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度 发生变形。试件补偿块补偿应变片粘贴示意3蚁补偿法试件补偿块第一节测绘U厂A(R
8、R-R2Rj = 0iii-桥路补偿法3JL谟蛊及斗HI把尺与禺接入电桥相邻臂上，当被测试件不承受应变时，尺和禺处于同一温度 场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即:选择亍当温度升髙或降低时，若尽t，即两个应 变片的热输出相等，则电桥的输出电压为：= M(尺+“)& ($+“)“ =/4(/? +A/?lz)r-(/? +A/?2z)r =ARr+ rA/?lf 一 Rr 一 rA/?2z =Xr(A7?lr -A/?2z) = 0潘度谋薑及其彳金3也路补偿法第一节试件补偿块I1|-桥路补偿法若被测试件受应变作用时，工作片尺感 受应变，阻值变化/?】;补偿片尺不承受应 变，阻值不变。此时电
9、桥输出电压为：Uq = A(R + A/?“ + A/? J/?4 - (尺2 + 朋2=ArA/?j = ArRKs由上式可知，电桥输岀电压Q只 与应变弟关，与温度无关。第一节测力传感器溪废及冀3崛补偿法试件补偿块电桥补偿法如果要达到全补偿.需满足下Rt 1 列三个条件： 尺和尺须属于同一批号的，即它们的电 阻温度系数线膨胀系数0.应变灵敏系数 &都相同，两片的初始电阻值也要求相同； 用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的 试件二者材料必须相同，即要求两者线膨胀 系数相等； 两应变片处于同一温度环境中。bl桥路补偿法丨第一节第一节测力传感器第一节测力传感器3崛补偿法补偿块试件第一节测力传感器第一
10、节测力传感器此方法简单易行，能在较大温度范围内 进行补偿。缺点是条件不易满足，尤其是 条件。在某些测试条件下，温度场梯度 较大，鸟和花很难处于相同温度点。N-桥路补偿法第一节测绘3啣补偿法根据被测试件承受应变的情况，可补偿块另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测 试件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提髙输出的灵敏度。构件受弯曲应力11桥路补偿法构件受单向应力第一节测绘上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相 反，将它们接入电桥的相邻脅后，可使输出电压 增加一倍。当温度变化时，应变片鸟和尺阻值变|化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达桥路补偿法到了补偿的目的。第一节测力传感器构件受单向应
11、力时，将工作应变片尺的轴线顺着 应变方向，木催应变片尺的轴线和应变方向垂直, 尺和尽接入电桥相邻骨，其输岀为：U（）= ARXR2K（1 + JLL）桥路补偿法第一节测力传感器(一)柱式力传感器轴向布置一个或几个面积S应变片，在圆周方向Ft截面积S(b)空心圆柱柱式力传感器布置同样数目的应变 片，后者取符号相反 的应变，以构成差动 对。由于应变片沿圆(a)实心圆柱图2-14周方向分布，所以非 轴向载荷分量被补偿。测力传感器柱式力传感器在圆筒(柱)上按一定方式粘贴应变片,柱(筒)在外力F作用下产生形变，从而应变片产生形变:轴向应变二M (y FP =I E SE式中：L为弹性元件的长度，S为弹性
12、元件的横截面积F外力；e为应力，a =F/S；E为弹性模量第一节测力传感器部，构成动对，且处于对脅位置，以诚小弯矩的影响。横向粘贴的应变片具有温度弹性元件上应变片的粘贴和电桥连接, 应尽可能消除偏心和弯矩的影响，一般将 应变片对称地贴在应力均匀的圆柱表面中补偿作用。R1 尺2尺3尺4(b)桥路连接(a)圆柱面展开图柱式力传感器应变片的粘贴与桥路连接（b）桥路连接5 4(a)圆柱面展开图5 ( A/?, _ A/?2A/?3R RR他、）才 K（-勺 +6 _$4）由于巧=3= & 勺=5=代入上式得:11FU o =刁口(1 + “) = 3(7点(1 + “)亦第一节 测才传感器b（二）梁式
13、力传感器El4只应变片E h()h2E第一节测力传感器且大小相等，可构成全差动电桥。4只应变片K( $2 + 3 4)U=UiK6FIboh2E(a)等强度悬晴梁第一节 测力传感器(1)等强度梁一端固定，一端自由，厚度为 力,长度厶固定端宽度为方，力 尸作用在三角形顶点。其表面 应变为c 6FIe = = b为弹性横童(杨氏模量)(a)等强度悬背梁此位置上下两侧分别粘有4只应 变片9 尽同侧；屁2 Rq同 侧，这两侧的应变方向刚好相反,(1)等强度架_ ? _ 6FIe为弹性模量(杨氏模量)8 E bJi2Eq 第一节 测力传感器传实吝q 第一节 测力传感器传实吝q 第一节 测力传感器传实吝q
14、 第一节 测力传感器传实吝打第一节测力传感器传实吝q 第一节 测力传感器传实吝q 第一节 测力传感器传实吝固定梁3FIbh2E(c)双端固定梁o）翠真瀚伶康佛传感器悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。它的特点是灵敏度比较高。 所以多用于较小力的测量。例如，民用电子称中就多釆用悬臂梁。当力”（例如苹果的重力）以垂直方向作用于电子秤中的铝质悬臂梁的末端时，梁 的上表面产生拉应变，下表面产生压应变，上下表面的应变大小相等符号相 反。粘贴在上下表面的应变片也随之拉伸和缩短。得到正负相间的电阻值的 变化，接入桥路后，就能产生输出电压。第三章力、相軀和层力怯感器 第一节测力传感器第三章力、相鬆和层力
15、怯感器 第一节测力传感器第三章力、相鬆和层力怯感器 第一节测力传感器第三章力、相鬆和层力怯感器 第一节测力传感器第三章力、相鬆和层力怯感器 第一节测力传感器第三章力、相鬆和层力怯感器 第一节测力传感器第三章力、相鬆和层力怯感器 第一节测力传感器第三章力、相鬆和层力怯感器 第一节测力传感器第三章力、相鬆和层力怯感器 第一节测力传感器第三章力、相鬆和层力怯感器 第一节测力传感器第三章力、相鬆和层力怯感器 第一节测力传感器第三章力、相鬆和层力怯感器 第一节测力传感器第三章力、扭懸和在力幺一、电阻应变式测力传虑5 应变式测力传感器举例 应变式拉（压）力传感器 图是这类产品的结构0图3-7 BLR-1拉
16、（压）力传感器结构1 一弹性圆筒 2应变片 3壳体 4一接线座 5密封圈 6 内压环 7压盖一.电阻应变式测力传感器5 应变式测力传感器举例应变式拉（压）力传感器的定型产品BLR-1型已经形成系列, 图是这类产品的结构图.弹性元件圆筒1,筒的两端有螺纹，以便传递外力.筒的 中间贴有应变片2,通过壳体3上的接线座4将佶号引出. 为了防止灰尘和水蒸气进入，两端与壳体连接的地方放置 密封圈5 端利用内压环6压在简体上，并通过压盖7压 紧在外壳上.另一端直接压在外壳上.一.电阻应变式测力传感器5 应变式测力传感器举例荷重传感器已经形成系列的图3-8 BHR-4荷重传感器的结构1 一弹性圆筒 2壳体 3
17、接线座4应变片 5-密封垫 6压环7压盖 8防尘圈 9压头B 有应变式荷重传感器的外形及应 变片的粘贴位置荷重传感器用于构件的- 称重荷重传感器 （共3个，120度分布，以 达到均衡日的，另两个 未拍出）.底座电缆垫块一一第三章 力、相軀和卷力怯感器I 第一节测力传感器应变式荷重传感器外形及受力位置第三章力、初距和层力怯嚴器第一节测力传感器第三章 力、相軀和卷力怯感器I 第一节测力传感器第三章 力、相軀和卷力怯感器I 第一节测力传感器一.电阻应变式测力传感器5 应变式测力传感器举例荷重传感器已经形成系列的有BHR-4型和BHR-7型弹性元件圆筒1,通过底座上的螺孔用螺钉固定在测量系 统中.外力
18、通过压头9传给圆筒，筒体上贴应变片4,通过 壳体2上的接线座3将信号引出.为了防止有害气体和灰尘 侵蚀应变片，筒体与壳体之间装有防尘圈8和密封垫5,利 用压环6和压盖7分别压在筒体和壳体上.1 采用阻值R=120Q.灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片 与阻值R=120H的固定电阻组成电桥，供桥电压为10V。 当应变片应变为lOOOp时，若要使输出电压大于10mV,则 可釆用何种工作方式（设输出阻抗为无穷大）？鼻寺寺辛辛寺手辛辛手学寺辛辛寺寺丰寺夺寺辛学手辛寺孝I学*丰辛04丰备*孕辛寺号 学X孕:AP2:酗：= = 2xl0-3:：K411:单臂电桥的偷出电丿尺：I；。=丄E = 5 mV
19、1 OmV ：魯:RI!1所以要采用全桥差动的T.作方式。FI|第三章 力、相柜和卷力怯感器I 第一节 测力传感器2为了测某悬臂梁的振动，将应变片贴于梁的上下对称位置， 如图所示。无应变时，Ra=Rb=Ro=12OQ （Ro为固定电阻）， 应变片的应变灵敏度系数K=2。有振动时，应变幅值怖- 1000x106将应变片正确入桥路中，绘出接线图；用E-4V的直流电压作为电桥电源，求电桥的输出电压幅值%；RaQE第三章力、相軀和层力怯感器 第一节测力传感器第三章力、相軀和层力怯感器 第一节测力传感器(b)些誉 R3DOR4第三章力、初軀和层力怯感器第一节测力传感器3.已知拉伸试件的弹性模量E 2 x
20、 105MPa,泊松比p -0.3,如图a所示沿其轴向和横向粘贴四个规格相同的应 变片，并按图b所示方式进行组桥。应变片的灵敏度系 数 K-2.(1) 如何将四个应变片接入电桥才能得到最大输出？写 出输出电压与试件轴向应变的关系式。(2) 若供桥电压Uj = 5V,测得的输出电压为Uo = 5.2mV, 求试件轴向应力。(a)4例：如果将100Q电阻应变片贴在弹性试件上，若试件受 力横截面积S=0.5X10-S弹性模量E= 2X1011N/m2，若F=5X104N的拉力引起应变电阻变化1Q 试求该应变片的 灵敏度系数？解：由题意得应变片电阻相对变化量为 =吕K 100根据材料力学理论，应变e
21、= (a为试件所受应力，a=|),E0F5X104八“L8 =S-E_ 0. 5x10-4x2x10u - 应变片灵敏度系数为K = 必=黑器=280 0055例：一台用等强度梁作为弹性元件的电子秤，在梁的上 面、下面各贴两片相同的电阻应变片（灵敏度为K = 2）, 如图，已知 1=100mm,b=11 mm,t=3mm,E=2*104N/mm2,现 将四个应变片接入图（b）直流桥路中，电源电压U=6V, 当力F=4.9N时，求电桥输出电压U。为多少？解：灵敏度K=2,即A/?】_ A/? _ g R =厂 Ru (b)第三章力、相宛和层力怯嚴器 第一节测力传感器=-=K 第三章力、相軀和层力
22、怯感器 第一节测力传感器第三章力、相軀和层力怯感器 第一节测力传感器R1, R3受拉应力，R2 , R4受压应力，安装方式为全 桥差动电路。根据公式A OU()=U =U Ke根据材料力学知识，这是一个等强度梁6FI壬U十U = K頌 R,bt2EU= n.8mV第三章力、相軀和左、力怯畝器 第一节 测力传感器思考题与练习题1电阻应变片是将敲测试件上的转换成的传感元件。2.电阻应变片由、基片、密盖层和，引线等部分组成4金属电阻应变片敏感柳的形式和材料很多，其中形式以 _卑用的最多，材料以的最广泛。5.电阻应变片的工作原理就是依据应变效应建立与变形之间的量值关系而工作的。第三章力、相軀和左、力怯
23、畝器 第一节 测力传感器6当应变片主糊线与试件轴线方向一致，且受一维应力时.应变片灵敬茶数K是应变片的 试件主应力的之比。7电阻应变片中.电阻丝的灵敏系数小于其灵敏系数的现彖，称为应变片的橫向效&电阻应变片的温度补偿中，若采用电桥补偿法测艮应变片时，工作应变片粘贴在表面上，补偿应变 粘贴在与被测试件完全相同的 . 上.则补偿应变片不a9. 用弹性元件秸及一些附件可以组成应变式传感器。10. 应变片式传感器按用途划分有：应变用式 _传感器、应变片弍传感器、应变片式传感器等丄1电阻应变片的配用测51电路采用差动电轿时，不仅可以.同时还能起到醐作用。13应变片在未使用粘贴前.在室温下测得渤辭态电阻，叫应变片的