第3章-電阻式傳感器課件

1、第三章 電阻式傳感器 工作原理： 將被測(cè)物理量（如壓力、速度、位移等非電量）的變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，再變?yōu)殡娏枯敵觥ｋ娮枋絺鞲衅鞯姆诸愲娢黄魇剑簯?yīng)變式：壓阻式： 物理量變化電阻變化傳感轉(zhuǎn)換元件屬于大電阻變化型，R：0R傳物理量變化變形（應(yīng)力、應(yīng)變）敏感元件屬于微電阻變化型，R：020%R傳傳感轉(zhuǎn)換元件電阻變化 物理量變化敏感元件 電阻率傳感轉(zhuǎn)換元件電阻變化屬于微電阻變化型，靈敏度比應(yīng)變式高5070倍3-1 應(yīng)變式電阻傳感器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠；易于實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程自動(dòng)化和多點(diǎn)同步測(cè)量，以及遠(yuǎn)距測(cè)量和遙測(cè)； 靈敏度高，測(cè)量速度快，適合靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量； 可測(cè)多種物理量，如：位移、

2、加速度、力、力矩、壓力等。 缺點(diǎn)：?jiǎn)吸c(diǎn)測(cè)量一片電阻應(yīng)變片只能測(cè)定構(gòu)件表面上一點(diǎn)的某個(gè)方向的應(yīng)變 ;并且只代表柵長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均應(yīng)變。應(yīng)變片一般只能測(cè)量構(gòu)件表面的應(yīng)力應(yīng)變,對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的三維應(yīng)力測(cè)量很難進(jìn)行。一、電阻應(yīng)變效應(yīng) 一個(gè)金屬電阻絲，未受力時(shí)電阻值：在外力作用下，電阻變化了R： 金屬的應(yīng)變效應(yīng) 金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng) 金屬絲的電阻值隨著金屬絲的幾何尺寸變化（伸長(zhǎng)或縮短）而發(fā)生相應(yīng)的變化的現(xiàn)象。稱為泊松比 二、結(jié)構(gòu)和形式和類型 種類三、轉(zhuǎn)換電路測(cè)量過程力、壓力應(yīng)變變化 電阻變化 電壓或電流的變化并顯示和記錄 敏感元件 應(yīng)變片 電阻應(yīng)變儀 按激勵(lì)電壓性質(zhì) 直流電橋交流電橋 1.直流電橋工作原理電橋

3、平衡條件：IL=0。即：R1R3=R2R4橋臂比：n=R2/R1=R4/R3直流電橋的電壓靈敏度R1為工作應(yīng)變片，由于應(yīng)變而產(chǎn)生相應(yīng)的電阻變化 R1R2、R3、R4為固定電阻，設(shè)RL=初始條件下令電橋平衡，即U0=0當(dāng)有應(yīng)變時(shí)（R1 R1+R1），U0=n/(1+n)2 (R1/R1)E電橋的電壓靈敏度Ku=(U0 -0) /(R1/R1)=n/(1+n)2E1）E越大，越靈敏。但一般測(cè)量電壓36V，通常取幾伏。另外由于箔絲很弱，mA級(jí)電流。2）n=1時(shí)，Ku最大，所以一般采用n=1的等臂電橋。此時(shí)Ku=（1/4）E。3）非線性誤差為（近似于線性）對(duì)于對(duì)稱電橋，n1時(shí)若想獲得真正的線性，可采用

4、差動(dòng)電橋，即2個(gè)應(yīng)變片。半橋和全橋假設(shè)R1=R2=R3=R4 根據(jù)參與工作的橋臂數(shù)半橋半橋單臂半橋雙臂全橋二、交流電橋輸出電壓 平衡條件 設(shè)各臂阻抗為 Z復(fù)阻抗的模 則 根據(jù)復(fù)數(shù)相等條件可得交流電橋平衡條件為 在測(cè)量前對(duì)電橋應(yīng)分別進(jìn)行電阻、電容平衡，即R1R4=R2R3 R1C1=R2C2 交、直流電橋的優(yōu)、缺點(diǎn)直流電橋的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：高穩(wěn)定直流電源易于獲得；電橋調(diào)節(jié)平衡電路簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移；線路復(fù)雜。交流電橋的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：零漂小缺點(diǎn)：電路調(diào)節(jié)繁雜。電阻應(yīng)變儀上述交、直流電橋可將應(yīng)變片電阻的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓或電流信號(hào)，但這種信號(hào)較弱，且其波形并不是試件應(yīng)變變化波形。使用一些部件，

5、將這一電信號(hào)進(jìn)行放大，并精確復(fù)現(xiàn)試件應(yīng)變波形，組成一臺(tái)應(yīng)變測(cè)量?jī)x，稱為電阻應(yīng)變儀。它分為直流電阻應(yīng)變儀和交流電阻應(yīng)變儀。四、溫度誤差及其補(bǔ)償（一）溫度誤差敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差 試件材料的線膨脹引起的誤差外界溫度變化，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生與真實(shí)應(yīng)變同數(shù)量級(jí)的誤差，必須采取措施補(bǔ)償溫度誤差。（二）溫度補(bǔ)償 自補(bǔ)償法 1）單絲自補(bǔ)償法 2）組合式自補(bǔ)償法 2.線路補(bǔ)償法 1）電橋補(bǔ)償法 2）采用差動(dòng)電橋補(bǔ)償法3）熱敏電阻補(bǔ)償法4）二極管補(bǔ)償法五、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 測(cè)量原理演示U0=(R/R)UE測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力與彈性元件結(jié)合構(gòu)成各種應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式液體重量傳感器應(yīng)變式傳感器

6、實(shí)例 應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式力傳感器 3-2 壓阻式電阻傳感器一、半導(dǎo)體壓阻效應(yīng) 半導(dǎo)體材料有明顯的壓阻效應(yīng)，即半導(dǎo)體材料的電阻率隨作用應(yīng)力而變化。 壓阻效應(yīng)系數(shù) E 彈性模數(shù) 實(shí)驗(yàn)表明： E1+2 半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù) 二、結(jié)構(gòu)三、溫度誤差補(bǔ)償四、轉(zhuǎn)換電路同一半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)與其晶向有關(guān)。五、壓阻式傳感器應(yīng)用工作過程演示壓阻式加速度傳感器 3-3 電位器式電阻傳感器一、電位器式傳感器工作原理將機(jī)械的線位移（直線運(yùn)動(dòng)）、角位移（轉(zhuǎn)動(dòng)）、直線角位移（螺旋運(yùn)動(dòng)）的變化 電阻或電壓的變化一定函數(shù)關(guān)系變阻器式變壓器式電位器式傳感器的優(yōu)、缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、精度高(0.1%0

7、.05%)、性能穩(wěn)定、受環(huán)境因素影響小，可實(shí)現(xiàn)輸出-輸入任意函數(shù)關(guān)系，輸出信號(hào)較大，一般不用放大。缺點(diǎn)： 存在滑動(dòng)觸頭與線圈等之間的摩擦，輸入能量要求較大，且磨損降低壽命和可靠性，也會(huì)降低測(cè)量精度。電位器分類電位器分類按輸出-輸入特性線性電位計(jì)非線性電位計(jì)按結(jié)構(gòu)形式線繞式在傳感器中應(yīng)用較多薄膜式具有較高的精度和線性特性光電式無摩擦和磨損，分辨率高二、線繞電位器的結(jié)構(gòu) 三、轉(zhuǎn)換電路 電位器其輸出電壓或電阻與電刷位移或轉(zhuǎn)角之間可以是線性關(guān)系，也可以是非線性關(guān)系，即其它函數(shù)關(guān)系。以直線位移電位器為例，其轉(zhuǎn)換電路如圖所示：空載特性：空載時(shí)： 空載特性：負(fù)載特性：負(fù)載時(shí)： 負(fù)載特性： 三、轉(zhuǎn)換電路電阻靈

8、敏度： 電壓靈敏度：設(shè)電阻相對(duì)變化為負(fù)載系數(shù)則：負(fù)載特性 空載特性由于m0，即RL ，是負(fù)載特性和空載特性之間產(chǎn)生偏差。負(fù)載輸出電壓比空載輸出電壓低，這種偏差與m、r有關(guān)。 對(duì)負(fù)載特性的討論： 當(dāng) 時(shí)，特性曲線變成直線，它實(shí)為空載特性 當(dāng)帶有負(fù)載時(shí)，曲線下垂，負(fù)載越小，下垂越多，產(chǎn)生的負(fù)載誤差越大。 對(duì)負(fù)載特性的討論： 負(fù)載誤差 由于負(fù)載電阻不是無限大，而是可與電位計(jì)電阻值相比的有限值，造成負(fù)載特性為一下垂曲線，產(chǎn)生誤差，也稱非線性誤差。電刷在起始和最終位置時(shí)，負(fù)載誤差 eL=0 電刷在相對(duì)行程X=1/2時(shí)，負(fù)載誤差 eL max，且m，eL 對(duì)負(fù)載特性的討論： 負(fù)載誤差：為了減小負(fù)載誤差，首先要盡量減小m，通常m0.1。為此采用高輸入