第二章_电阻式传感器(4)1

第二章电阻式传感器天津商业大学姚素芬2电位计式传感器1.2第２章电阻式传感器2.12.2应变式传感器2.3压阻式传感器1.22.4概述3定义：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量输出的装置。注：电量的大小反映了被测非电量的大小。应用：力、力矩、压力、位移、加速度、应变、重量等。分类：电位计式传感器应变式传感器压阻式传感器基于应变效应基于压阻效应导体产生机械变形时,它的电阻值相应发生变化。2.1概述4将机械的线位移或角位移的变化电阻或电压的变化一定函数关系变阻器式变压器式2.2电位计式传感器5优点：结构简单、尺寸小、重量轻、精度高(0.1%0.05%)、性能稳定、受环境因素影响小，可实现输出-输入任意函数关系，输出信号较大，一般不用放大。缺点：存在滑动触头与线圈等之间的摩擦，输入能量要求较大，且磨损降低寿命和可靠性，也会降低测量精度。2.2电位计式传感器6电位计分类按输出-输入特性线性电位计非线性电位计按结构形式线绕式—在传感器中应用较多薄膜式—具有较高的精度和线性特性光电式—无摩擦和磨损，分辨率高2.2电位计式传感器7一、线绕电位计的结构2.2电位计式传感器8根据欧姆定律：AlR以线位移型为例若变阻器式：xSLxRRRxSR电阻灵敏度：电刷单位位移引起电阻的变化量若分压器式：xSLxUUVcSV—电压灵敏度：电刷单位位移引起的输出电压的变化量SR、SV均是常数xLUUcRx二、线绕电位计的工作原理2.2电位计式传感器91.阶梯特性和阶梯误差(1)阶梯特性电位计输出电压随x的变化是不连续的，而是一条阶梯形的折线。(2)阶梯误差理论特性曲线通过每个阶梯中点的曲线。阶梯误差阶梯形曲线围绕理论特性曲线上下波动产生的偏差。三、线绕电位计的输出特性2.2电位计式传感器102.负载特性和负载误差(1)负载特性电位计有负载的情况下得到的特性。一般表达式：L2LKrKr1rY负载系数的倒数电刷的相对变化相对输出电压RRKRRrUUYLLxc三、线绕电位计的输出特性2.2电位计式传感器SRSCUUxKxL11对负载特性的讨论当带有负载时，曲线下垂，负载越小，下垂越多，产生的负载误差越大。0LLRR1/Km当时，特性曲线变成直线，它实为空载特性。12(2)负载误差由于负载电阻不是无限大，而是可与电位计电阻值相比的有限值，造成负载特性为一下垂曲线，产生误差，也称非线性误差。电刷在起始和最终位置时，负载误差eL=0电刷在相对行程X=1/2时，负载误差eLmax，且m，eLe三、线绕电位计的输出特性2.2电位计式传感器13•电位计式压力传感器电位计式传感器的应用14•电位计式加速度计电位计式传感器的应用15变阻器式传感器产品电位计式传感器的应用16案例：重量的自动检测--配料设备比较重量设定原材料原理：弹簧-力-位移-电位器-电阻电位计式传感器的应用17案例：煤气包储量检测煤气包钢丝原理：钢丝-收线圈数-电位器-电阻电位计式传感器的应用18案例：玩具机器人（广州中鸣数码）原理：电机-转角-电位器-电阻电位计式传感器的应用19原始输入量变换原理物理现象能量关系输出量位移欧姆定律结构型控制型电阻或电压2.2电位计式传感器20结构简单，体积小，使用方便，性能稳定可靠；易于实现测试过程自动化和多点同步测量，以及远距测量和遥测；灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；可测多种物理量，如：位移、加速度、力、力矩、压力等。定义：利用金属的电阻应变效应，将被测物体的变形转换成电阻变化的传感器。优点：2.3应变式传感器21实质：应变效应。即在导体产生机械变形时,它的电阻值相应发生变化。构成：弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。原理：当被测物理量作用在弹性元件上时,弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。2.3应变式传感器22例子：如图一根金属电阻丝。在其未受力时：受到拉力F作用时：将伸长ΔL,面积减小ΔS,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ,故引起电阻值相对变化量为：Sρ.LR式中:ρ——电阻丝的电阻率;L——电阻丝的长度;S——电阻丝的截面积。SSLLRR（一）应变效应2.3应变式传感器一、工作原理导体受拉伸后的参数变化ΔlΔr)23SSLLRR式中：ΔL/L为电阻的轴向应变,用ε表示LLΔr/r为电阻的径向应变，则：有rrSS2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)/(/llrr式中:μ——电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。εLΔL)ΔL/LΔρ/ρ2μ(1ρΔρ2μ)ε(1RΔRk0应变效应表达式2.3应变式传感器24K0----金属电阻的灵敏系数（简称灵敏度）。K0物理意义：单位应变所引起的电阻相对变化量。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,因此K0为常数（K0为2左右）。RRK/0根据应力与应变的关系,应力值σ为：σ=E·ε式中:σ——测试的应力;ε——应变;E——材料的弹性模量。LLRR可见：kRR0LLσ=E·εRR基本原理（二）工作原理2.3应变式传感器252.3应变式传感器应变效应原理示意图26由基片、敏感栅、覆盖层和引线等部分组成.敏感栅:是应变片的核心部分,由直径为0.025mm左右的合金电阻丝绕制而成。粘贴在绝缘的基片上,其上再粘贴起保护作用的覆盖层,两端焊接引出导线。（一）电阻应变片的结构2.3应变式传感器二、应变片类型及材料27箔式应变片：是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅,其厚度一般在0.003～0.01mm。优点：是散热条件好,允许通过的电流较大,可制成各种所需的形状,便于批量生产。薄膜应变片：是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅,最后再加上保护层。优点:是应变灵敏度系数大,允许电流密度大,工作范围广。电阻应变片根据敏感栅的不同，可分为:金属丝式金属箔式金属薄膜式（二）应变片的类型及材料2.3应变式传感器28应变片类型2.3应变式传感器二、应变片类型及材料291．灵敏系数2．横向效应措施：为了减小横向效应产生的测量误差,应进行必要的修正,现在一般多采用箔式应变片。敏感栅n条长度为l1的直线段和（n-1）个半径为r的半圆组成,若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变εx时,则各直线段的电阻将增加；但在两端点处则产生负的压应变εy，此段电阻将减小；而在半圆弧段则受到从+εx到-εy之间变化的应变,圆弧段电阻的变化将小于沿轴向安放的同样长度电阻丝电阻的变化。2.3应变式传感器三、金属应变片的主要特性304、5、6、见教材3．应变片的电阻值常用电阻系列：60、120、200、350、500、1000欧姆多种。阻值大：可以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2.3应变式传感器三、金属应变片的主要特性316谢谢32机械应变ε一般都很小（一般在5×10-3以下）。测量电路要求：要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来；同时要把电阻相对变化ΔR/R转换为电压或电流的变化。原理：kRR0σ=E·εRR被测量X△R电流I电压U传感器转换电路直流电桥交流电桥转换电路2.3应变式传感器四、测量电路33（一）直流电桥直流电桥：采用直流供电。0)(4332110RRRRRRUUnRRRR34121.直流电桥电桥平衡时:Io=0UB=UD直流电桥平衡条件UU:直流电源,R1、R2、R3\、R4为桥臂电阻,RL:负载电阻。直流电桥特点:电源稳定度高;电桥调节平衡电路简单。R1R4=R2R32.3应变式传感器四、测量电路342.直流电桥工作时（将应变片接入电桥）此时，Io=0，电桥有不平衡输出电压。设RLRi则可视电桥为开路情况。单臂电桥:R1为电阻应变片。当有被测量作用时产生应变,应变片电阻发生变化ΔR1,电桥失去平衡Uo≠0,UoR2R3R4CBDAR1)1)(1()(3412111134433211110RRRRRRRRRRURRRRRRRRUU1120)1(RRnnUUnRRRR3412//11RR2.3应变式传感器四、测量电路35①电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压,供电电压越高,电桥电压灵敏度越高,但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制;②电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数,恰当地选择桥臂比n的值,保证电桥具有较高的电压灵敏度。当n=1R1=R2=R3=R4时,电桥电压灵敏度最高,此时有1104RRUU4UKU当U值确定后,n值取何值时使KU最高？2110)1(nnURRUKU可见：电桥电压灵敏度2.3应变式传感器四、测量电路36)1)(1(11110nRRnRRnUU（二）非线性误差及其补偿方法输出电压：1120)1(RRnnUU实际输出电压：非线性误差为：RRnRRUUUL/1/111000如果是四等臂电桥,R1=R2=R3=R4,则11112/12/RRRRL一般应变片,应变ε通常在5×10-3以下。取ε=1×１0-3若KU=2,则ΔR1/R1=KUε=0.002,非线性误差为0.1%;若KU=130,则ΔR1/R1=0.130,则得到非线性误差为6%,故当非线性误差不能满足测量要求时,必须予以消除。)1)(1(34121111340RRRRRRRRRRUU2.3应变式传感器37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.)(4332211110RRRRRRRRRUU若ΔR1=ΔR2,R1=R2,R3=R4结论：1.Uo与（ΔR1/R1）呈严格线性关系,差动电桥无非线性误差；2.差动电桥电压灵敏度比单臂工作时提高一倍；3.同时还具有温度补偿作用（1）双臂差动电桥1104RRUU1102RRUU双臂差动电桥：单臂电桥：为了减小和克服非线性误差,常采用差动电桥UoR2R3R4CBDAR12.3应变式传感器38（2）四臂（全桥）差动电路即：全桥差动电路不仅没有非线性误差,而且电压灵敏度是单臂的4倍,同时仍具有温度补偿作用。四臂差动电桥：在试件上安装四个工作应变片,两个受拉应变,两个受压应变,将两个应变符号相同的接入相对桥臂上,构成全桥差动电路,若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4,且R1=R2=R3=R4,则110RRUUUKU四臂差动电桥：1102RRUU双臂差动电桥：1104RRUU单臂电桥：UoR2R3R4CBDAR12.3应变式传感器392.3应变式传感器应变片粘贴图例240由于应变电桥输出电压很小,一般都要加放大器。直流放大器：易于产生零漂,因此在测量微变、高温，或温度变化大的场合应采用交流电桥。交流电桥：采用交流供电，交流电源,引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性,即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（三）交流电桥0U11111CjwRRRZ22222CjwRRRZ33RZ44RZ2.3应变式传感器41分析可得要满足电桥平衡条件,即=0,则有Z1Z4=Z2Z3))(()(432132410ZZZZZZZZUU0U取Z1=Z2=Z3=Z4，可得3222411111RCjwRRRCjwRR24241313CjwRRRCjwRRR即其实部、虚部分别相等,并整理可得为:交流电桥的平衡条件RRRR3412CCRR21122.3应变式传感器（三）交流电桥42000.021)212(ZZUZZZUU当被测应力变化引起Z1=Z0+ΔZ,Z2=