第3章 電阻式傳感器

1、2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用23.1電位器式傳感器電位器式傳感器3.2應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器3.3電阻式傳感器的應(yīng)用電阻式傳感器的應(yīng)用2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用3/LxLLxxRRUURRRRl輸出電壓輸出電壓UL為：為：1(1)LxURxxR令令x=Rx/Rl線性情況：線性情況：UL和x是非線性關(guān)系；當RL- 才是線性的。2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用4l組成：組成：骨架繞在骨架上的電阻絲滑動觸點（電刷）l分類分類線位移式：滑動觸點沿著直線運動。角位移式：滑動觸點沿著圓周運動。2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用5l分辨力分辨力電阻阻值實際上呈微小的階躍變化。設(shè)總?cè)?shù)為n，最大輸出

2、電壓為U 移動一圈電壓變化為： U=U/nl優(yōu)缺點優(yōu)缺點性能穩(wěn)定，主要使用于參數(shù)（如：位移）變化較大的情況。分辨力低，耐磨性差。2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用6l應(yīng)變式電阻傳感器應(yīng)變式電阻傳感器利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，由彈性敏感元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成。l應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，電阻值相應(yīng)發(fā)生變化的現(xiàn)象。2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用7AlR電阻阻值：電阻率電阻率 l長度長度A截面積截面積FlrrlF伸長量伸長量半徑縮短量半徑縮短量電阻率亦電阻率亦變化變化d2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用8l 電阻值相對變化量計算：電阻值相對變化

3、量計算：dR 2lldldAdAAAdRRdldAdlAAlR所以：RRRdldAdlA長度相對變化長度相對變化量，用量，用表示表示截面積相截面積相對變化量對變化量電阻率相電阻率相對變化量對變化量2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用9dAdAldlRdR2Ar2dArdrrdrAdA2ldlrdrdRdRK21軸向應(yīng)變與徑向應(yīng)變的關(guān)系：泊松比：泊松比靈敏系數(shù)：l 靈敏系數(shù)計算：靈敏系數(shù)計算：2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用10l常用應(yīng)變片有兩大類：常用應(yīng)變片有兩大類：金屬電阻應(yīng)變片 絲式應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用11l金屬電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)：金屬電阻應(yīng)變片靈敏系

4、數(shù)：dRdRK211+2(d/)/12K 實驗表明：拉伸極限內(nèi)k為常數(shù)！一般為2-52022-3-1傳感器原理與應(yīng)用12l應(yīng)變片電阻絲要求應(yīng)變片電阻絲要求靈敏系數(shù)大，且在相當大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)； 值大，即在同樣長度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值；電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會改變其阻值；與銅線的焊接性能好，與其它金屬的接觸電勢??；機械強度高， 具有優(yōu)良的機械加工性能。 2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用13l常用材料及其性能常用材料及其性能l金屬電阻應(yīng)變片的粘貼金屬電阻應(yīng)變片的粘貼應(yīng)變片需用粘貼劑粘貼到被測件上。粘貼工藝 粘貼表面處理、貼片位置確定 涂底膠 貼片 干燥固化

5、貼片質(zhì)量檢查 引線焊接與固定及防護與屏蔽2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用14l半導(dǎo)體應(yīng)變片工作原理基于半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體應(yīng)變片工作原理基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)。l壓阻效應(yīng)：在壓阻效應(yīng)：在半導(dǎo)體半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)上加上的晶體結(jié)構(gòu)上加上外外力力時，會暫時改變晶體結(jié)構(gòu)的對稱性，改時，會暫時改變晶體結(jié)構(gòu)的對稱性，改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電機構(gòu)，使變半導(dǎo)體的導(dǎo)電機構(gòu)，使電阻率電阻率發(fā)生變化發(fā)生變化的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用15l靈敏系數(shù)：靈敏系數(shù)：dRdRK21Ed對半導(dǎo)體而言：壓阻系數(shù)壓阻系數(shù)所受應(yīng)變力所受應(yīng)變力E彈性模量彈性模量應(yīng)變應(yīng)變12KE1+2R1+R1R2R3R4EABCD

6、_+UoR1Io2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用35l 單臂電橋電路分析單臂電橋電路分析413112411311oRRRRUERRRRRR=n111111RnRERnnR121(1)RnERn略去略去R2R3R4EABCD_+UoR1Io假定：假定：橋臂比：橋臂比：n=R2/R1工作前：電路平衡工作前：電路平衡工作后：工作后：R1- -R1+R12022-3-1傳感器原理與應(yīng)用36l 單臂電橋電壓靈敏度單臂電橋電壓靈敏度EnnRRUKoU211)1 ( v討論討論靈敏度靈敏度正比于正比于電橋電橋供電電壓供電電壓；靈敏度是靈敏度是橋臂比橋臂比n的函數(shù)；的函數(shù)；n取何值取何值KU最大？最大？121

7、(1)oRnUERn2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用374411EKRREUUo由由dKU/dn = 0求求K KU U的最大值的最大值0)1 (132nndndKUn=1時，時，KU最大最大R1=R2=R3=R4此時：此時：2(1)UnKEn2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用38l 單臂電橋非線性誤差單臂電橋非線性誤差)1 (11111nRRnRRnEUo非線性誤差：非線性誤差：ooLoUUU實際輸出：實際輸出：n=11111212RRRRL太大時太大時須消除須消除11111RRRnR121(1)oRnUERn2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用39oU 31111234RRRERRRRR 111

8、111RnRERnnR121(1)RnERnl 單臂電橋非線性誤差原因分析單臂電橋非線性誤差原因分析非線性誤差怎么消除呢？非線性誤差怎么消除呢？R2R3R4EABCD_+UoR1Io2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用40l 半橋差動電路半橋差動電路R2-R2R3R4EABCD_+UoR1 +R1IoR1為為受拉受拉應(yīng)變片應(yīng)變片R2為為受壓受壓應(yīng)變片應(yīng)變片R3、R4為為固定電阻固定電阻2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用41l 半橋差動電路分析半橋差動電路分析433221111RRRRRRRRREUo電橋輸出電壓：電橋輸出電壓：若若R1=R2，R1=R2=R3=R4112oREURv優(yōu)點：優(yōu)點：無非線

9、性誤差無非線性誤差；靈敏度是單臂電橋靈敏度是單臂電橋電路的電路的2 2倍倍。R2-R2R3R4EABCD_+UoR1 +R1Io2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用42l 全橋差動電路全橋差動電路R1、R4為受拉電阻應(yīng)變片R2、R3為受壓電阻應(yīng)變片IoR2R3R4EABCD_+UoR12022-3-1傳感器原理與應(yīng)用43l全橋差動電路分析全橋差動電路分析111122oRRUERRRR 電橋輸出電壓：若R1=R2= R3=R4， R1=R2=R3=R411oRUERl優(yōu)點：優(yōu)點：無非線性誤差；靈敏度是單臂工作的4倍。333344RRRRRR IoR2R3R4EABCD_+UoR12022-3-1傳感

10、器原理與應(yīng)用44l交流電橋交流電橋Z1、Z2為應(yīng)變片Z3、Z4為固定電阻2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用45各橋臂上復(fù)阻抗為： 44332222111111RZRZCRjRZCRjRZl交流電橋分析交流電橋分析2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用46l 交流電橋分析交流電橋分析14231234()()Z ZZ ZUZZZZ輸出電壓：311234oZZUUZZZZ電橋平衡條件：14230Z ZZ Z3222411111RCRjRRCRjR24241313CRjRRCRjRR3412RRRR2112CCRR2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用47l 交流電橋分析交流電橋分析R1R2R4R3ACR5DUoU

11、(a)R1R2R4R3ACR5UoU(b)BBR6R1R2R4R3ACUoU(c)BC1C2C3C4R1R2R4R3ACCUoU( d )BRD交流電橋平衡調(diào)節(jié)2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用48l 交流電橋分析交流電橋分析 當應(yīng)力變化引起Z1=Z0+Z, Z2=Z0-Z變化時電橋輸出為： 00021212ZZUZZZUUo2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用49l 應(yīng)變片的溫度誤差應(yīng)變片的溫度誤差 溫度誤差：由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差。 產(chǎn)生溫度誤差的主要因素：電阻溫度系數(shù)的影響試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用50l電阻溫度系數(shù)的影響電

12、阻溫度系數(shù)的影響00(1)tRRt敏感柵的電阻絲阻值：溫度為溫度為t時時的電阻值的電阻值溫度為溫度為t0時時的電阻值的電阻值溫度變化值溫度變化值t- t0溫度為溫度為 t0時電時電阻溫度系數(shù)阻溫度系數(shù) 溫度變化t引起電阻絲電阻的變化值：000tRRRRt2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用51l 試件和電阻絲的線膨脹系數(shù)的影響試件和電阻絲的線膨脹系數(shù)的影響 試件和電阻絲線膨脹系數(shù)不同時，由于溫度的變化，會產(chǎn)生附加變形。0(1)ggllt試件自由形變長度：電阻絲自由形變長度：0(1)ssllt電阻絲附加變形：l gsll0()gsltt0時的長度時的長度試件線膨脹試件線膨脹系數(shù)系數(shù)電阻絲線膨電阻絲線

13、膨脹系數(shù)脹系數(shù)2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用52tsg)(0llR電阻絲附加應(yīng)變：附加電阻變化：00RKtRKsg)(00總電阻相對變化量：00RRRRRttKtsg)(00tKsg)(002022-3-1傳感器原理與應(yīng)用53l 應(yīng)變片的溫度補償應(yīng)變片的溫度補償 應(yīng)變片自補償 線路補償l 應(yīng)變片自補償應(yīng)變片自補償000()tgsRKtR )(00sgK溫度自補償必須有：02022-3-1傳感器原理與應(yīng)用54l 線路補償線路補償 電橋補償是最常用且效果較好的線路補償。R1R3RBR4UoR1RB(a)(b)R1工 作 應(yīng) 變 片 ；RB補 償 應(yīng) 變 片F(xiàn)FU2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用5

14、5043311RRRRRREUBo0111311134totBBtRRRRUERRRRRRR 電橋調(diào)節(jié)平衡：溫度升高（降低）t：4331111RRRRRRRRREUBtBtto有應(yīng)變作用時：114RER電橋仍電橋仍然平衡！然平衡！不受溫度不受溫度的影響！的影響！2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用56l線路補償條件：線路補償條件：在應(yīng)變片工作過程中，保證R3=R4。R1和RB應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)、線膨脹系數(shù)、應(yīng)變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值R0。粘貼補償片的補償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料必須一樣，兩者線膨脹系數(shù)相同。兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場。l思考：半橋差動和全橋差動電路有沒有溫思考：半橋差

15、動和全橋差動電路有沒有溫度補償作用度補償作用？傳感器原理與應(yīng)用57l 電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器行程：行程：500-8000mm輸出：輸出： a). 電阻值電阻值5K(標準品標準品)b). 電流電流4-20mA c). 電壓電壓0-5V和和0-10V2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用58l應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式力傳感器 被測物理量為荷重或力的應(yīng)變式傳感器。 用途：電子秤發(fā)動機推力測試水壩壩體承載狀況監(jiān)測 要求：高靈敏度高穩(wěn)定性2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用59l 柱（筒）式力傳感器柱（筒）式力傳感器(a)(b)(c)R1R5R2R6R3R7R4R8R1R3R5R7R6R8R2R4(d)

16、UoU（a） 柱式；（b） 筒式；（c） 圓柱面展開圖；（d） 橋路連線圖 FEAE橫截橫截面積面積2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用60l 環(huán)式力傳感器環(huán)式力傳感器(a)AR1R2Bh(b)MBAFR 39.5(a) 環(huán)式傳感器結(jié)構(gòu)圖； (b) 應(yīng)力分布 221.091.91ABFRbh EFRbh E 厚度厚度寬度寬度彈性彈性模量模量2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用61l 等截面梁力傳感器等截面梁力傳感器MW0MFl26bhW 026FlEbh E梁所承受梁所承受的彎矩的彎矩梁各橫截面梁各橫截面的抗彎模量的抗彎模量各處剪力：Q=F2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用62等強度梁力傳感器等強度梁力傳感器26FlEbh E常數(shù)常數(shù)l應(yīng)變式測力傳感器應(yīng)變式測力傳感器2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用63 2022-3-1傳感器原理與應(yīng)用64l應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器32141等 強 度 梁 ；2質(zhì) 量 塊 ；3殼 體 ；4電 阻 應(yīng) 變 敏 感 元 體202