第3章 电阻式传感器分析

电阻式传感器主讲：李敏通2020/2/172020/2/17传感器原理与应用2目录3.1电位器式传感器3.2应变式传感器3.3电阻式传感器的应用2020/2/17传感器原理与应用33.1.1电位器式传感器工作原理UabULRLRxcbR////LxLLxxRRUURRRR输出电压UL为：1(1)LxURxxR令x=Rx/R线性情况：UL和x是非线性关系；当RL-∞才是线性的。2020/2/17传感器原理与应用43.1.1电位器式传感器特点组成：骨架绕在骨架上的电阻丝滑动触点（电刷）分类线位移式：滑动触点沿着直线运动。角位移式：滑动触点沿着圆周运动。2020/2/17传感器原理与应用53.1.1电位器式传感器特点分辨力电阻阻值实际上呈微小的阶跃变化。设总圈数为n，最大输出电压为U移动一圈电压变化为：∆U=U/n优缺点性能稳定，主要使用于参数（如：位移）变化较大的情况。分辨力低，耐磨性差。2020/2/17传感器原理与应用63.2.1应变式传感器工作原理应变式电阻传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，由弹性敏感元件上粘贴电阻应变片构成。应变效应导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，电阻值相应发生变化的现象。2020/2/17传感器原理与应用73.2.1应变式传感器工作原理AlR电阻阻值：ρ——电阻率l——长度A——截面积FlrrlF伸长量半径缩短量电阻率亦变化dρ2020/2/17传感器原理与应用83.2.1应变式传感器工作原理电阻值相对变化量计算：dR2lldldAdAAAdRRdldAdlAAlR所以：RRRdldAdlA长度相对变化量，用ε表示截面积相对变化量电阻率相对变化量2020/2/17传感器原理与应用93.2.1应变式传感器工作原理dAdAldlRdR2Ar2dArdrrdrAdA2ldlrdrdRdRK21轴向应变与径向应变的关系：μ：泊松比灵敏系数：灵敏系数计算：2020/2/17传感器原理与应用103.2.2应变片的种类常用应变片有两大类：金属电阻应变片•丝式应变片•箔式应变片半导体应变片2020/2/17传感器原理与应用113.2.3金属电阻应变片金属电阻应变片灵敏系数：dRdRK211+2μ(dρ/ρ)/ε12K实验表明：拉伸极限内k为常数！一般为2-52020/2/17传感器原理与应用123.2.3金属电阻应变片应变片电阻丝要求灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数；ρ值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小；机械强度高，具有优良的机械加工性能。2020/2/17传感器原理与应用133.2.3金属电阻应变片常用材料及其性能金属电阻应变片的粘贴应变片需用粘贴剂粘贴到被测件上。粘贴工艺•粘贴表面处理、贴片位置确定•涂底胶•贴片•干燥固化•贴片质量检查•引线焊接与固定及防护与屏蔽2020/2/17传感器原理与应用143.2.4半导体电阻应变片半导体应变片工作原理基于半导体材料的压阻效应。压阻效应：在半导体的晶体结构上加上外力时，会暂时改变晶体结构的对称性，改变半导体的导电机构，使电阻率发生变化的现象。2020/2/17传感器原理与应用153.2.4半导体电阻应变片灵敏系数：dRdRK21Ed对半导体而言：π——压阻系数σ——所受应变力E——弹性模量ε——应变12KE1+2μπEKE约为：100-200缺点：温度系数大，非线性比较严重。2020/2/17传感器原理与应用163.2.5电阻应变片特性1.弹性敏感元件及其基本特性弹性变形：在外力作用下发生变形，撤去外力后能完全恢复原来形状的变形。弹性元件：具有弹性变形特性的物体。①刚度刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度。定义：弹性元件单位变形下所需要的力，用C表示。2020/2/17传感器原理与应用173.2.5电阻应变片特性dxdFxFClimOFA1230xF——外力x——产生的变形弹性特性曲线2020/2/17传感器原理与应用18dFdxCS13.2.5电阻应变片特性②灵敏度灵敏度：单位力作用下弹性元件产生变形的大小。灵敏度是刚度的倒数。常用弹性元件材料：•合金钢•铍青钢•不锈钢常用弹性元件的结构和特性3.2.5电阻应变片特性常用弹性元件的结构和特性2020/2/17传感器原理与应用19名称类别平薄膜波纹膜挠性膜薄膜式示意图压力测量范围/kPa最小最大输出特性动态性质时间常数/s自振频率/Hz0～100～1050～10－30～1030～10－50～102xpxpxxxpxF(力)x(位移)pxFxpxF,xpx1～10010－2～110～10010－2～10－110～10410－5～10－23.2.5电阻应变片特性常用弹性元件的结构和特性2020/2/17传感器原理与应用20波纹管单圈弹簧管多圈弹簧管弹簧管式波纹管式0～10－30～1030～10－10～1060～10－20～105xpxxpxxpxxpxxpxxpx—10～100—100～100010～10010－2～10－12020/2/17传感器原理与应用213.2.5电阻应变片特性2.横向效应Fll1Frxyar(a)(b)2020/2/17传感器原理与应用223.2.5电阻应变片特性直线部分：受到纵向拉应变εx;圆弧部分：受到从+εx到-μεx之间变化的应变横向效应：将直的电阻丝绕成敏感栅后，其灵敏系数K较整长电阻丝的灵敏系数K0小，这种现象称为应变片的横向效应。2020/2/17传感器原理与应用233.2.5电阻应变片特性3.绝缘电阻绝缘电阻：已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值Rm。通常要求Rm在50~100MΩ及其以上。Rm取决于粘结剂及基底材料的种类及固化工艺。常温下要采取必要的防潮措施。中高温下，要注意选取电绝缘性能良好的粘结剂和基底材料。2020/2/17传感器原理与应用243.2.5电阻应变片特性4.最大工作电流最大工作电流：允许通过敏感栅且不影响其工作特性的最大电流Imax。工作电流大，灵敏度高；但电流过大，可靠性降低。工作电流的选取要根据试件的导热性能及敏感栅形状和尺寸来决定。通常，静态测量时取25mA左右；动态测量时可取75～100mA；箔式可更大一些。2020/2/17传感器原理与应用253.2.5电阻应变片特性5.应变片的动态响应特性应变以应变波的形式传播，速度与声波相同，对于钢材，v≈5000m/s。经粘合层、基片传播到敏感栅，所需的时间非常短。当应变波在纵栅长度方向上传播时，只有在应变波通过敏感栅全部长度后，应变片所反映的波形经过一定时间的延迟，才能达到最大值。可以忽略不能忽略2020/2/17传感器原理与应用263.2.5电阻应变片特性t10%tk90%100%tk＝0.8l0/(a)(b)(c)l0(a)应变波为阶跃波；(b)理论响应特性；(c)实际响应特性①应变片对阶跃应变的响应特性2020/2/17传感器原理与应用273.2.5电阻应变片特性ex1x2λπ2sin0xloox②应变片对正弦应变波的响应特性24,240201lxlx2020/2/17传感器原理与应用283.2.5电阻应变片特性210212sinxxpxdxxx00peex1x2λπ2sin0xloox平均应变εp：相对误差e：结论测量误差e与比值n=λ/l0有关n值愈大，e愈小，一般取n=10～20000sinll001sinll2020/2/1729物体的重量对应应变片的某种变化量，那么器件的变化量怎么展现出来呢？通过设计测量电路实现！能否转换为使用比较方便的电压信号呢？用电阻值传递信息在电路中使用不方便！3.2.6电阻应变片的测量电路2020/2/17传感器原理与应用303.2.6电阻应变片的测量电路E=10VR1=R2=120Ω输出电压值？R1增加1.2Ω呢？输出电压值？5oUV'5.02oUV0oU'0.02oUVR1R2R3R4EUo+_ABCD_+UoR1R2EUo+_ABC2020/2/17传感器原理与应用313.2.6电阻应变片的测量电路电桥电路R2R3R4EABCD_+UoR1R2R3R4EABCD_+UoR1Io2020/2/17传感器原理与应用323.2.6电阻应变片的测量电路①直流电桥平衡条件433211RRRRRREUo电桥输出电压为：令Uo=0，则有：4321RRRR平衡条件R2R3R4EABCD_+UoR1Io2020/2/17传感器原理与应用333.2.6电阻应变片的测量电路②单臂电桥R1为电阻应变片R2R3R4EABCD_+UoR1IoR2、R3、R4为固定电阻2020/2/17传感器原理与应用343.2.6电阻应变片的测量电路单臂电桥电路分析oU31111234RRRERRRRR1411234()()RRERRRRR413112411311RRRRERRRRRR14142311234()()RRRRRRERRRRR=0假定：桥臂比：n=R2/R1工作前：电桥平衡工作后：R1-R1+∆R1R2R3R4EABCD_+UoR1Io2020/2/17传感器原理与应用353.2.6电阻应变片的测量电路单臂电桥电路分析413112411311oRRRRUERRRRRR=n111111RnRERnnR121(1)RnERn略去R2R3R4EABCD_+UoR1Io假定：桥臂比：n=R2/R1工作前：电路平衡工作后：R1-R1+∆R12020/2/17传感器原理与应用363.2.6电阻应变片的测量电路单臂电桥电压灵敏度EnnRRUKoU211)1(讨论灵敏度正比于电桥供电电压；灵敏度是桥臂比n的函数；n取何值KU最大？121(1)oRnUERn2020/2/17传感器原理与应用373.2.6电阻应变片的测量电路4411EKRREUUo由dKU/dn=0求KU的最大值0)1(132nndndKUn=1时，KU最大R1=R2=R3=R4此时：2(1)UnKEn2020/2/17传感器原理与应用383.2.6电阻应变片的测量电路单臂电桥非线性误差)1(11111'nRRnRRnEUo非线性误差：'ooLoUUU实际输出：n=11111212RRRRL太大时须消除11111RRRnR121(1)oRnUERn3.2.6电阻应变片的测量电路2020/2/17传感器原理与应用39oU31111234RRRERRRRR111111RnRERnnR121(1)RnERn单臂电桥非线性误差原因分析非线性误差怎么消除呢？R2R3R4EABCD_+UoR1Io2020/2/17传感器原理与应用403.2.6电阻应变片的测量电路③半桥差动电路R2-ΔR2R3R4EABCD_+UoR1+ΔR1IoR1为受拉应变片R2为受压应变片R3、R4为固定电阻2020/2/17传感器原理与应用413.2.6电阻应变片的测量电路半桥差动电路分析433221111RRRRRRRRREUo电桥输出电压：若Δ