第二章-电阻式传感器

第二章电阻式传感器第一节电位器式电阻传感器第二节应变式电阻传感器第三节电阻应变片的测量电路第四节电阻传感器应用内容提要学习目标理解电位器式传感器形式；了解线绕式电位器原理；掌握应变效应、压阻效应定义及意义；掌握应变电阻传感器工作原理及测量电路；熟悉电阻传感器应用。第二章电阻式传感器一、电位器式电阻传感器常用形式1、滑线式位移传感器2、角位移传感器3、分段电阻角位移传感器4、分段电阻直线位移传感器二、线绕式电位器结构和工作原理第一节电位器式电阻传感器第二章电阻式传感器一、电位器式电阻传感器常用形式1、滑线式位移传感器第二章电阻式传感器2、角位移传感器3、分段电阻角位移传感器第二章电阻式传感器4、分段电阻直线位移传感器第二章电阻式传感器二、线绕式电位器结构和工作原理LR,0UxRxiU若电位器为空载时，根据分压原理得：：工作电压iU：负载电阻两端的输出电压0U：线绕电位器电刷移动的长度：总长度：总电阻xLRxR：对应于电刷移动量x的电阻值RRUUxi0第二章电阻式传感器而对应的电阻变化为：xSLxRRLxRRRxx,表明改变测量电阻值所引起输出电压的变化为线性变化。xSLxUUVi0其中LUSLRSiVR,分别为电阻和电压灵敏度。他们分别表明了电刷单位位移所能引起的输出电阻和输出电压的变化量，均为常数。第二章电阻式传感器若电位器的负载电阻，则输出电压为：0LR20xxLLxixLxLxLxLxixLxLRRRRRRRURRRRRRRRRRURRRRIU代入上式得：，设iRLLxUUYLxXRRKRRr0,,,LRLRRLLKXKXXKrKrr2211Y：电刷的相对行程电阻的相对变化RX:r数：电位器负载系数的倒LK：电位计相对输出电压Y表明当负载电阻不为零时，Y与r为非线性关系，则线绕电位器式传感器的负载特性为非线性。当负载电阻为空载时，U0与x才满足线性关系，则线绕电位器式传感器的负载特性为线性。第二章电阻式传感器第一节电位器式电阻传感器第二节应变式电阻传感器第三节电阻应变片的测量电路第四节电阻传感器应用内容提要第二章电阻式传感器第二节应变式电阻传感器一、工作原理1、应变效应2、金属电阻丝应变原理3、半导体应变原理二、应变片的结构、材料和粘贴1、应变片的结构2、金属电阻应变片的材料3、金属电阻应变片的粘贴4、金属箔式应变片第二章电阻式传感器电阻应变效应演示第二章电阻式传感器一、工作原理1、应变效应导体或半导体材料在外（拉力或压力）力的作用时，产生机械变形，导致其电阻值相应发生变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。2、金属电阻丝应变原理FlrrlF第二章电阻式传感器AlR做全微分求得：dAALdALdLAdR2dAdAldlRdRdA=2πrdr2rArdrrrdrAdA222ldlxyrdrxydRdRx)21(xxdRdR)21(轴向应变径向应变泊松比第二章电阻式传感器电阻丝的灵敏系数：单位应变所引起的电阻相对变化量xxsdRdRK21xsKRdR或xsRdRK表示金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比。电阻率变化几何尺寸变化Ks=1.8~4.8实验证明在应变极限内Ks为常数返回第二章电阻式传感器根据应力与应变的关系，得到应力值σ为σ=E·ε弹性模量测量原理σεdR/RxsKRdREKRdRs第二章电阻式传感器3、半导体应变原理压阻效应：沿一块半导体的某一轴向施加压力使其变形时，它的电阻率会发生显著变化，这种现象称为半导体的压阻效应。利用压阻效应制成的传感器称为压阻传感器或半导体应变片。当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为xxdRdR)21(第二章电阻式传感器xEdπ——半导体材料的压阻系数;σ——半导体材料的所受应变力;E——半导体材料的弹性模量;ε——半导体材料的应变。xERdR)21(实验证明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半ERdRKxs返回第二章电阻式传感器半导体应变片特点优点：灵敏系数比金属丝式高50～80倍缺点：材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，应用范围受到限制。利用应变片测量的基本原理：应力值正比于应变，而应变又正比于电阻值的变化，所以应力正比于电阻值的变化。返回第二章电阻式传感器应变片测量演示第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器二、应变片的结构、材料和粘贴丝式箔式回线式应变片短接式应变片体形薄膜型应变片类型第二章电阻式传感器(a)(b)(c)丝式应变片(a)(b)(c)(a)(b)(c)第二章电阻式传感器箔式应变片(a)(b)(c)(d)(e)(f)厚约0.003－0.01mm第二章电阻式传感器薄膜应变片厚度0.1m以下，是薄膜技术发展的产物第二章电阻式传感器实物第二章电阻式传感器1、应变片的结构2341bl栅长栅宽1-敏感栅，2-基底，3-盖片，4-引线应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。返回第二章电阻式传感器（1）敏感栅对敏感栅的材料的要求：①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；③电阻温度系数要小；④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。第二章电阻式传感器基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。（3）引线：（2）基底和盖片：第二章电阻式传感器2、金属电阻应变片的电阻丝材料第二章电阻式传感器康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于它有很多优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数，进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；当采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在±50×10-6/℃的范围内；康铜的加工性能好，易于焊接，因而国内外多以康铜作为应变丝材料。第二章电阻式传感器3、金属电阻应变片的粘贴选择粘结剂时必须考虑的问题：1.要求粘接力强，粘结后机械性能可靠；2.粘合层要有足够大的剪切弹性模量；3.良好的电绝缘性，滞后小；4.耐湿，耐油，耐老化，动态应力测量时耐疲劳等；5.应变片的工作条件，如温度、相对湿度、稳定性要求以及贴片固化时加热加压的可能性等。第二章电阻式传感器粘结剂分为有机和无机：有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。粘结剂：常用的粘结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙稀酸型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等。第二章电阻式传感器粘贴工艺：1.被测件粘贴表面处理；2.贴片位置确定；3.涂底胶；4.贴片；5.干燥固化；6.贴片质量检查；7.引线的焊接与固定以及防护与屏蔽等。第二章电阻式传感器4、金属箔式应变片箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图。金属箔的厚度—般为(0.003～0.010)mm，它的基片和盖片多为胶质膜，基片厚度一般为(0.03～0.05)mm。金属箔式应变片第二章电阻式传感器金属箔式应变片和丝式应变片相比较:①金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的应力状态更为接近。其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工作。第三，箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度。第二章电阻式传感器②箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，因而可以输出较大信号，提高测量灵敏度。③箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变片的使用范围。④便于成批生产。⑤缺点：电阻值分散性大，有的相差几十Ω，故需要作阻值调整；生产工序较为复杂，因引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量；此外价格较贵。第二章电阻式传感器第一节电位器式电阻传感器第二节应变式电阻传感器第三节电阻应变片的测量电路第四节电阻传感器应用内容提要第二章电阻式传感器第三节电阻应变片的测量电路一、直流电桥测量电路1、电桥平衡2、动态时电阻变化与输出关系3、电压灵敏度4、非线性误差及其补偿方法二、交流电桥测量电路三、电阻应变片的温度误差及其补偿1、温度误差及其产生原因2、温度误差补偿方法第二章电阻式传感器R2R4R1R3EILACDU0BRL目的：将微小应变引起的微小电阻值的变化测量出来，同时，要把电阻相对变化转换为电压或电流的变化。RRE：为电源电压R1、R2、R3及R4：桥臂电阻RL：为负载电阻一、直流电桥测量电路第二章电阻式传感器当电桥平衡时，Uo=0，则有R1R4=R2R3或4321RRRR电桥平衡条件:其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。1、电桥平衡43213241433211RRRRRRRRERRRRRREUo第二章电阻式传感器2、动态时电阻变化与输出关系432143214321432132233232411441414433221133224411RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRRREUo忽略分母中项、分子中忽略的二次交叉项：RR3322441122121432123321441RRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRREUo第二章电阻式传感器3、电压灵敏度43321111RRRRRRRREUo))((4321141RRRRRRR341211113411RRRRRRRRRREER2R4R1R3U0单臂测量电桥固定电阻、、工作片4321RRRR第二章电阻式传感器设桥臂比n=R2/R1112)1(RRnnEUo电桥电压灵敏度定义为211)1(nnERRUSoV3412111134011RRRRRRRRRREU第二章电阻式传感器①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，所以要作适当选择；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。211)1(nnERRUSoV第二章电阻式传感器求得n=1时，电桥电压灵敏度最高,所以实际使用中取RRRRR4321RRERRnnEUo4)1(2输出为：结论：当电源电压E和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，与各桥臂电阻阻值大小无关。当E值确定后，n取何值时才能使SV最高？使用单一应变片时4ESV01142nndndSV第二章电阻式传感器4、非线性误差及其补偿方法)1(11111nRRnRRnEUoU0与ΔR1/R1的关系是非线性的，非线性误差为1111'1RRnRRUUUoooL112)1(RRnnEUo理想情况（略去分母中的ΔR1/R1项）：实际情况（保留分母中的ΔR1/R1项）：第二章电阻式传