电阻式位移传感器

电子技术论坛第五章R、L、C传感技术电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。5.1电阻式传感器电子技术论坛电阻应变式传感器目前自动测力或称重中应用最普遍的是应变式传感器，应变式传感器有下列优点：1.精确度，线性度好，灵敏度高2.滞后和蠕变都较小，寿命高3.容易与二次仪表相匹配实现自动检测4.结构较简单，体积较小应用灵活5.工作稳定和保养方便应变式传感器除可用于测量力参数外，还可用于测量加速度，振幅等其他物理量。电阻应变式传感器是利用金属或半导体的电阻应变效应，将被测量转换为电量输出的一种传感器。电子技术论坛一、工作原理（一）金属的电阻应变效应当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化。取一根长度为L，截面积为S，电阻率为的金属丝，未受力时其电阻R为.LRS电子技术论坛当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长ΔL,横截面积相应减小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SSLLRR式中ΔL/L是长度相对变化量,用应变ε表示LLΔS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即rrSS2电子技术论坛由材料力学可知,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。或)21(RR)21(RR电子技术论坛通常把单位应变能引起的电阻值变化称为金属电阻丝的灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量,其表达式为012K0RkR因此灵敏度系数受两个因素影响:①受力后材料几何尺寸的变化,即（1+2μ）;②受力后材料的电阻率发生的变化,即Δρ/ε。电子技术论坛用应变片测量时，将其贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，这是用来直接测量应变。通过弹性敏感元件将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，则可用应变片测量上述各量，而做成各种应变式传感器。(二)应变片的基本结构及测量原理电子技术论坛（1）敏感栅感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。（2）基底绝缘及传递应变。测量是应变片的基底提高粘结剂粘在试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。由纸薄、胶质膜等制成。电子技术论坛（3）粘结剂敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结。（4）覆盖层保护作用。防湿、蚀、尘。（5）引线连接电阻丝与测量电路，输出电参量。电子技术论坛二、应变片的类型和材料（一）应变片的类型和材料1.金属丝式应变片回线式：横向效应较大短接式：克服横向效应金属丝式应变片材料要求电子技术论坛2.金属箔式应变片箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电阻箔材，利用照相制版或光刻技术，制成各种需要的形状。优点：①可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅；②与被测件粘结面积大；②散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；④横向效应小；⑥蠕变和机械滞后小，寿命长。缺点：电阻值的分散性大电子技术论坛3.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0.1微米以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大。存在问题：温度稳定性差(二)应变片的粘贴应变片是用粘合剂粘贴到被测件上的。粘合剂形成的胶层必须准确迅速地将披测件应变传进到敏感栅上。粘合剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数，线性以及它们受温度变化影响的程度。对粘合剂和粘贴工艺有严格要求电子技术论坛电路的作用：将电阻的变化量转换为电压输出。通常采用直流电桥和交流电桥。一、直流电桥1.直流电桥工作原理三、转换电路电子技术论坛直流电桥电路如图所示，它的四个桥臂由电阻1,2,3,4RRRR组成AC端接直流电压UBD端输出电压0U一般情况桥路应接成等臂电桥,输出为零。这样无论哪个桥臂上受到外来信号作用后，桥路都将失去平衡，就会有信号输出。电子技术论坛电桥输出端接入输入阻抗很高的指示仪表或放大器时，可认为电桥负载为无穷大，电桥输出端相当于开路，只能输出电压信号，称为电压输出。此时，桥路的电流为：112UIRR234UIRRAB之间和CD之间的电位差分别为：11ABUIR23ADUIR电子技术论坛01123ABADUUUIRIR314231012341234()()()RRRRRRUUURRRRRRRR311234URURRRRR空载输出当电桥平衡时,Uo=0,则有R1R4=R2R3或4321RRRR电桥平衡条件：相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积相等。电子技术论坛电桥接入的是电阻应变片时，即为应变桥。当一个桥臂、两个桥臂乃至四个桥臂接入应变片时，相应的电桥为单臂桥、半桥和全臂桥。2．不平衡直流电桥的工作原理及电压灵敏度当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗很高，比电桥输出电阻大很多，可把电桥输出端看成开路。R1为电阻应变片，RL→∞。311401123411234()()()RRRRUUURRRRRRRRRR电子技术论坛413113124113(1)(1)RRRRURRRRRRRR同除以设桥臂比n=R2/R1,分母中ΔR1/R1可忽略。由电桥平衡条件R2/R1=R4/R3。1021(1)RnUUnR电桥电压灵敏度定义为0211(1)UUnKURnR电子技术论坛提高灵敏度的措施①提高供电电源的电压U（在功耗允许的范围内）②n=1R1=R2=R3=R4由dKU/dn=0求KU的最大值,得0)1(132nndndKUn=1时,KU为最大值。当R1=R2=R3=R4时,电桥电压灵敏度最高,此时有电子技术论坛1044URUURUK得出单臂电桥电桥输出为04UUK直流电桥的优点：高稳定度直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器及测量电路分布参数影响小等。电子技术论坛（二）电桥的非线性误差单臂桥实际输出为：非线性误差为11011(1)(1)RnRUURnnR11110001RRnRRUUUL对于对称电桥，n=1KKRRRRL211212121111电子技术论坛（1）采用差动电桥减小非线性误差试件上安装两个应变片，R1受拉，R2受压。接入电桥相邻桥臂,则电桥输出电压为对于一般应变片来说,所受应变ε通常在5×10-3以下,若取KU=2,则ΔR1/R1=KUε=0.01,代入式（3-38）计算得非线性误差为0.5%;若KU=130,ε=1×１0-3时,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。3110112234()RRRUURRRRRR电子技术论坛如果ΔR1=ΔR2,R1=R2,R3=R4,则得1012RUUR结论：差动电桥消除了非线性误差，灵敏度比单臂电桥提高了一倍。且具有温度补偿作用。全桥差动电路：R1R4受拉应变,R2R3两个受压应变,将两个应变符号相同的接入相对桥臂上电子技术论坛3311011223344()RRRRUURRRRRRRR101RUURUKU结论：全桥电路电压灵敏度为单臂桥的4倍，消除了非线性误差，且具有温度补偿作用。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4,且R1=R2=R3=R4,则(2)采用恒流源电桥减小非线性误差电子技术论坛(二)交流电桥当被测量为动态量时，应变电桥采用交流电桥。由于供桥电源为交流电源,引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性,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11111CjwRRRZ22222CjwRRRZ33RZ44RZ))(()(432132410ZZZZZZZZUU输出电压电子技术论坛要满足电桥平衡条件,U0=0,则有Z1Z4=Z2Z3将Z1、Z4、Z2、Z3值代入得3222411111RCjwRRRCjwRR整理上式得24241313CjwRRRCjwRRR电子技术论坛交流电桥的平衡条件为3412RRRR2112CCRR结论：交流电桥除了要满足电阻平衡条件外,还必须满足电容平衡条件。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。http