第2章-電阻式傳感器學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1第第2章章-電阻電阻(dinz)式傳感器式傳感器第一頁，共45頁。第1頁/共45頁第二頁，共45頁。電位(din wi)計式：應(yīng)變式：物理量變化(binhu)電阻變化傳感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傳傳感元件電阻變化 1、定義：電阻式傳感器是將非電量(如力、位移、形變、速度和加速度等)的變化量變換成與之成一定關(guān)系的電阻值的變化，通過對電阻值的測量達到對上述非電量測量的目的。 2、分類第2頁/共45頁第三頁，共45頁。1、線繞電位器結(jié)構(gòu)和工作(gngzu)原理： 線繞電位器式傳感器的工作原理(yunl)，可由圖21來

2、說明。若線繞電位器的繞線截面積均勻，則R變化均勻(線性)。圖21中的為工作電壓 ， 為負(fù)載電阻兩端的輸出電壓，x為線繞電位器電刷移動的長度、L為其總長度，對應(yīng)于電刷移動量x的電阻值為 。第3頁/共45頁第四頁，共45頁。圖2-1繞線式工作(gngzu)原理圖 第4頁/共45頁第五頁，共45頁。若電位器為空載(kn zi)( )時，根據(jù)分壓原理得： 而對應(yīng)的電阻(dinz)變化為： （2-1）（2-2）將式（2-2）代入式（2-1）得： （2-3）第5頁/共45頁第六頁，共45頁。式中： 、 分別為線繞的電阻和帶電壓靈敏度，它們分別表明電刷單位位移所能引起的輸出電阻和輸出電壓的變化量。 、 均為

3、常數(shù)。上述分析表明改變測量電阻值所引起輸出電壓的的變化為線性變化。圖21表示了電位器的工作原理：電刷相對于電阻阻元件的運動(yndng)可以是直線運動(yndng)、轉(zhuǎn)動和螺旋運動(yndng)，因而可以將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換為與其成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。它除了用于線位移和角位移測量外，還用于測量壓力、加速度等物理量。第6頁/共45頁第七頁，共45頁。優(yōu)點：電位器式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，性能穩(wěn)定，對環(huán)境條件要求不高，輸出信號大，并易實現(xiàn)函數(shù)關(guān)系的轉(zhuǎn)換。缺點：但由于存在摩擦和分辨率有限，一般精度不夠(bgu)高，動態(tài)響應(yīng)較差，適合于測量變化較緩慢的量。分辨率低、耐磨性差、壽命較短等。

4、因此人們研制了一些性能優(yōu)良的非線繞式電位器。每課一新(y xn)傳感器介紹 近日，西門子的科研工作者們成功研制出一種全新構(gòu)造的微型芯片傳感器，它可以辨別氣體(qt)與其味道。 第7頁/共45頁第八頁，共45頁。 據(jù)稱，此種微型芯片將被應(yīng)用與多種領(lǐng)域，例如檢測空氣中臭氧含量，監(jiān)測火災(zāi)以及(yj)氣體泄漏。 此款芯片擁有體積小，成本低以及超低功耗等諸多優(yōu)點，可以在100毫瓦至1毫瓦功率下保持運作。相信不久以后，此款芯片將嵌入多種便攜設(shè)備(shbi)為我們提供周到保護。 第8頁/共45頁第九頁，共45頁。碳膜電位器： 是在絕緣骨架表面上噴涂一層均勻的電阻液經(jīng)烘干(hn n)聚合后而制成電阻膜。 金屬

5、膜電位器 是在玻璃或膠木基體上，用高溫蒸鍍或電鍍方法(fngf)，涂覆一層金屬膜而制成。用于制作金屬膜的合金為鍺銠、鉑銅、鉑銠、鉑銠錳等。2 .2非線繞式電位器 1、膜式電位器： 膜式電位器通常(tngchng)有兩種：一種是碳膜電位器另一種為金屬膜電位器。第9頁/共45頁第十頁，共45頁。2、導(dǎo)電(dodin)塑料電位器： 這種電位器由塑料粉及導(dǎo)電材料(cilio)粉(合金、石墨、碳黑等)壓制而成、它又被稱為實心電位器。其優(yōu)點是耐磨性較好、壽命較長、電刷允許的接觸壓力較大(幾十至幾百克) 3、光電電位器： 上述幾種(j zhn)電位器均是接觸式電位器，共同的缺點是耐磨性較差、壽命較短，接觸電

6、阻對輸出影響較大。光電電位器是一種非接觸式電位器，它克服了了上述幾種(j zhn)電位器的缺點。其結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。第10頁/共45頁第十一頁，共45頁。1、光電導(dǎo)層 2、基體 3 、薄膜電阻帶 、4、電刷的窄光束 5、導(dǎo)電電極(dinj) 圖2-2 光電式電位器結(jié)構(gòu)原理圖 第11頁/共45頁第十二頁，共45頁。光電式電位器結(jié)構(gòu)(jigu)原理： 其工作原理： 在當(dāng)電刷的窄光束4照射在此間隙上時，就相當(dāng)于把電阻帶3和導(dǎo)電電極(dinj)5接通，在外電源E的作用下，負(fù)載電阻Rb上便有電壓輸出；而在無光束照射時，因其暗電阻極大可視為電阻帶與導(dǎo)電電極(dinj)之間斷路，這樣V輸出電壓隨著光束位置

7、移動而變化。光電電位器優(yōu)缺點：耐磨性好,精度、分辨率高，壽命、可靠性好，阻值范圍寬(5000一15M歐姆)等等；但是其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工作溫度的范圍比較窄(150)，輸出電流小，輸出阻抗較高。第12頁/共45頁第十三頁，共45頁。 應(yīng)變式電阻傳感器是目前用于測量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)最廣泛的傳感器之一。它具有悠久的歷史，但新型應(yīng)變片仍在不斷出現(xiàn)，它是利用(lyng)應(yīng)變效應(yīng)制造的一種測量微小變化量(機械)的理想傳感器。 雖然新型傳感器不斷出現(xiàn)、為檢測技術(shù)開拓了新的領(lǐng)域。但是，由于電阻應(yīng)變測試技術(shù)具有以下獨特優(yōu)點，可以預(yù)見在今后它仍將是一種主要的測試手段。第13頁/共45頁第十四頁，共4

8、5頁。應(yīng)變(yngbin)電阻式傳感器優(yōu)缺點：(1)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠；(2)易于實現(xiàn)(shxin)測試過程自動化和多點同步測量、遠(yuǎn) 距測量和遙測；(3)靈敏度高，測量速度快，適合靜態(tài)、動態(tài)測量；(4)可以測量多種物理量。 它已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，諸如航空、機械、電力、化工、建筑 等領(lǐng)域。第14頁/共45頁第十五頁，共45頁。一、應(yīng)變(yngbin)效應(yīng)：導(dǎo)體(dot)、半導(dǎo)體(dot) 外力產(chǎn)生機械變形電阻變化這種因形變而使其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。 因為導(dǎo)體和半導(dǎo)體的電阻與電阻率及其幾何尺寸(其L為長度，A為截面積)有關(guān)，當(dāng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受外力作用時，這三者都會發(fā)生

9、變化所以會引起電阻的變化。通過測量阻值的大小，就可以反映外界作用力的大小。為什么會產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)？第15頁/共45頁第十六頁，共45頁。 二、 基本結(jié)構(gòu)： 電阻(dinz)應(yīng)變片種類繁多、但其基本結(jié)構(gòu)大體相似，現(xiàn)以金屬絲繞式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)為例加以說明。圖2-3第16頁/共45頁第十七頁，共45頁。三、敏感系數(shù)(xsh)及測量原理： 所謂應(yīng)變片的靈敏系數(shù)就是(jish)單位應(yīng)變所能引起的電阻的相對變化。下面研究對靈敏系數(shù)的影響因素。金屬導(dǎo)體的電阻R為： 如果對電阻絲長度作用均勻應(yīng)力、則 、L，A的變化( 、 、 )將引起電阻的變化?？赏ㄟ^(tnggu)上式的全微分求得： 相對變化量為 ：（2-1）（2

10、-3）（2-2）第17頁/共45頁第十八頁，共45頁。若電阻絲是圓形的，則 則有：令 為金屬絲的軸向應(yīng)變， 為金屬絲徑向應(yīng)變。當(dāng)金屬絲受拉力時沿鈾向伸長，沿徑向縮短，那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為： 其中表示金屬材料的泊松系數(shù)(xsh)。把 、 代入公式(2-3)得到： （2-4）（2-5）第18頁/共45頁第十九頁，共45頁。 將式（2-5）變形(bin xng)得： 稱為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化。靈敏系數(shù)受兩個因素影響，一個(y )是受力后材料幾何尺寸的變化，即 ，另一個(y )是受力后材料的電阻率發(fā)生的變化即 ： 對于確定的材料 是常數(shù)，其數(shù)值約在1

11、2之間。實驗證明 也是常數(shù)。則 表示金屬電阻絲的電阻相對變化與軸向應(yīng)變 成正比關(guān)系。第19頁/共45頁第二十頁，共45頁。應(yīng)變電阻(dinz)傳感測量原理應(yīng)變(yngbin)片產(chǎn)生(chnshng)微小變形電阻值變化測得應(yīng)變值求得應(yīng)力值外力F第20頁/共45頁第二十一頁，共45頁。 由于機械(jxi)應(yīng)變一般都很小，要把微小應(yīng)變引起的微小電阻值的變化測量出來，同時要把電阻相對變化等轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，因此，需要設(shè)計專用的測量電路。 用于測量應(yīng)變變化而引起的電阻變化的電橋電路(dinl)通常有直流電橋和交流電橋兩種。電橋電路(dinl)的主要指標(biāo)是橋路靈敏度、非線性和負(fù)載持性。下面具體討論有

12、關(guān)電路(dinl)和這幾項指標(biāo)。 第21頁/共45頁第二十二頁，共45頁。一、直流電橋基本(jbn)形式及平衡條件 電流電橋的基本(jbn)形式如圖24所示。R1，R2、R3，R4稱為電橋的橋臂，認(rèn)為 為其負(fù)載.圖2-4第22頁/共45頁第二十三頁，共45頁。當(dāng) 時，電橋的輸出(shch)電壓應(yīng)為 ：當(dāng)電橋(din qio)平衡時， 由上式可得到(d do)： 或稱為直流電橋平衡條件。平衡電橋就是橋路中相鄰兩臂阻值之比應(yīng)相等，橋路相鄰兩臂阻值之比相等方可使流過負(fù)載電阻的電流為0。二、電壓靈敏度：第23頁/共45頁第二十四頁，共45頁。 如果在實際測量中使第一橋臂R1由應(yīng)變片來替代，微小應(yīng)變引起

13、微小電阻的變化(binhu)電橋則輸出不平衡電壓的微小變化(binhu)。當(dāng)受應(yīng)變時，若應(yīng)變片電阻變化(binhu)為 ，其他橋臂固定不變，則電橋輸出電壓 。下面試求不平衡電橋輸出的電壓值 設(shè)橋臂比 ,由于 可忽略，并由起始平衡條件 從而可以近似得到(d do) 電橋電壓靈敏度定義為: 第24頁/共45頁第二十五頁，共45頁。8:0526第25頁/共45頁第二十六頁，共45頁。1、電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓E，供橋電壓E愈高、電橋電壓靈敏度愈高、但是(dnsh)供橋電壓E的提高，受到應(yīng)變片允許功耗的限制，所以一般供橋電壓E應(yīng)適當(dāng)選擇。2、電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，因此必須恰當(dāng)

14、地選樣橋臂比n的值。保證電橋具有較高的電壓靈敏度。下面分析當(dāng)供橋電壓E確定后，n應(yīng)取何值電橋電壓靈敏度才最高。三、提高電橋(din qio)電壓靈敏度的措施：021(1)1VUnSERnR第26頁/共45頁第二十七頁，共45頁。 由 來求 的最大值， 由此得求得n=1時， 為最大。這就是說，在供橋電壓確定后，R1=R2，R3=R4時，電橋的電壓靈敏度最高。由上面式子可知，當(dāng)電源(dinyun)電壓E和電阻相對變化一定時，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂阻值大小無關(guān)。VS四、非線性誤差(wch)： 111,1RRRR在上面分析中，都是假定應(yīng)變片的參數(shù)(cnsh)變化很小， 而且可忽略

15、掉，這是一種理想情況。 第27頁/共45頁第二十八頁，共45頁。實際(shj)情況是要考慮應(yīng)變電阻微小的變化按下面的公式計算 ： 上式的輸出電壓 與 的關(guān)系是非線性的。實際的非線性特性曲線(qxin)與理想的線性曲線(qxin)的偏差稱為絕對非線性誤差。第28頁/共45頁第二十九頁，共45頁。下面(xi mian)計算非線性誤差。經(jīng)過計算非線性誤差： 下面我們通過討論來看看(kn kn)非線性誤差的影響：（1）當(dāng)靈敏系數(shù)較小時： 對于一般(ybn)的應(yīng)變片所受應(yīng)變 通常在5000 以下，若取靈敏系數(shù)為2，則： 則相對非線性誤差為：第29頁/共45頁第三十頁，共45頁。（2）但當(dāng)靈敏系數(shù)(xsh

16、)較大時，電阻相對變化較大的情況 ：例如(lr)半導(dǎo)體應(yīng)變片， 為130，當(dāng)承受應(yīng)變?yōu)?000 時， SK代入 ：0001112111RUURrRRURR 得到非線性誤差達到(d do)6%，所以對半導(dǎo)體應(yīng)變片的測量電路要作特殊處理，才能減小非線性誤差。 第30頁/共45頁第三十一頁，共45頁。五、減小或消除非線性誤差的方法(fngf)有如下幾種： （1）提高(t go)橋臂比：0001112111RUURrRRURR從式中我們可以看出(kn ch)當(dāng) 提高時，可以減小非線性誤差。但從電壓靈敏度考慮 21RnR電橋電壓靈敏度將降低，這是一種矛盾。因此，為了達到既減小非線性誤差，又不降低其靈敏度

17、，必須適當(dāng)提高供橋電壓E。第31頁/共45頁第三十二頁，共45頁。(2)采用(ciyng)差動電橋： 根據(jù)被測試件的受力情況，若使一個應(yīng)變片受拉，一個受壓，則應(yīng)變符號相反；測試時將兩個應(yīng)變片接入電橋的相鄰(xin ln)臂上、如圖25所示稱為半橋差動電路。 圖2-5第32頁/共45頁第三十三頁，共45頁。該電橋(din qio)輸出電壓 ：若 則得 由此可知， 與 0U11RR成線性關(guān)系，不存在(cnzi)線性誤差。 而且電壓靈敏度為 ，比使用一只應(yīng)變片提高了一倍，同時可以起到溫度補償?shù)淖饔谩?同樣根據(jù)被測試件的受力情況，若使兩個應(yīng)變片受拉，兩個受壓，則應(yīng)變符號相反；測試時將四個應(yīng)變片接入電橋

18、的相鄰(xin ln)臂上、如圖26所示稱為全橋差動電路。第33頁/共45頁第三十四頁，共45頁。 同樣可以(ky)推出， ， 由此可知，比用單片提高了四倍，比半橋差動電路提高了一倍。圖2-6全橋差動電路(dinl)第34頁/共45頁第三十五頁，共45頁。（3）采用高內(nèi)阻(ni z)的恒流源電橋： 通過電橋各臂的電流如果不恒定(hngdng)，也是產(chǎn)生非線性誤差的重要原因。所以供給半導(dǎo)體應(yīng)變電橋的電源一般采用恒流源，如圖27所示。圖2-7第35頁/共45頁第三十六頁，共45頁。 供橋電流(dinli)為I通過各臂的電流(dinli)為 和 若測量電路輸入阻抗較高，則： 解該方程組得： 輸出(shch)電壓為： 若電橋初始處于平衡狀態(tài)（R1R4=R3R2），而且R1=R2=R3=R4，當(dāng)?shù)谝粯虮垭娮鑂1變化時，電橋輸出電壓為： 由式可知，分母中的 被4R除，比前面(qin mian)的單臂供壓電橋的非線性誤差減少了50%。第36頁/共45頁第三十七頁，共45頁。 本章前三節(jié)介紹了電阻式傳感器的分類、結(jié)構(gòu)、工作原理以及測量電路。 在測量試件應(yīng)變時，只要直接將應(yīng)變片粘貼在試件上，即可用測量儀表(例如電阻應(yīng)變儀)測量；然而測量如力、加速度等就需要輔助(