第二章 電阻式傳感器

1、 第三章第三章 電阻式傳感器電阻式傳感器 主講人：姚主講人：姚 蘭蘭電阻式傳感器電阻式傳感器測(cè)量頻率測(cè)量頻率電子秤電子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)距離顯示顯示掌握重點(diǎn)：掌握重點(diǎn)：u 工作原理工作原理u 電阻應(yīng)變片的特性電阻應(yīng)變片的特性u(píng) 測(cè)量電路測(cè)量電路u 典型應(yīng)用典型應(yīng)用內(nèi)容安排內(nèi)容安排金屬金屬: :半導(dǎo)體半導(dǎo)體: :按材料分按材料分應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器壓阻式傳感器壓阻式傳感器外力作用外力作用被測(cè)對(duì)象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形被測(cè)對(duì)象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形應(yīng)變片敏感柵隨同變形應(yīng)變片敏感柵隨同變形電阻值發(fā)生相應(yīng)變化電阻值發(fā)生相應(yīng)變化 lRSFlRSRlSRlSRlSRlS材料力學(xué)可知，

2、在彈性范圍內(nèi)：材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)：2.2.應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與種類應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與種類絲式應(yīng)變片絲式應(yīng)變片常用材料有：銅鎳合金（康銅）、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、常用材料有：銅鎳合金（康銅）、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鎳鉻鐵合金、鉑和鉑合金等，靈敏系數(shù)為鎳鉻鐵合金、鉑和鉑合金等，靈敏系數(shù)為26。 箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu) 隨著工藝制作技術(shù)的提高隨著工藝制作技術(shù)的提高電阻厚度僅為電阻厚度僅為1 110um10um(1)ToRRT T00TTRRRRT 1.1.產(chǎn)生溫度誤差的因素產(chǎn)生溫度誤差的因素應(yīng)變片：應(yīng)變片：試件：試件：附加形變：附加形變：據(jù)材料力學(xué)：據(jù)材料力學(xué)：附加電阻：附加電阻：)1 (0tL

3、Lss)1 (0tLLggtLLLLsgsg0)(tLLsg)(0tKRKRRsgT)(00總附加電阻：總附加電阻：00()TTTBogsRRRRTR KT 總附加應(yīng)變量：總附加應(yīng)變量：()ToTgsooRRTTKK即：即：()0ToTgsooRRTTKK()ogsK 選擇合適的敏感柵材料，滿足上式，選擇合適的敏感柵材料，滿足上式， 即可達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。即可達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。U0R1R4R3UR20oU 1234RRRR設(shè) 3112341432123412341432()()()()()()oabooRRUUUURRRRR RR RUURRRRUARRRRUA R RR R令 ba電

4、橋平衡：電橋平衡：等臂等臂電橋電橋U0R1R4R3UR2FFR1T11423()oUARR RR R111423411()()oTTUARRR RR RARRR0F 11RR K14oUAR R K溫度誤差溫度誤差R1R1為應(yīng)變片電阻，為應(yīng)變片電阻，R2R2，R3R3，R4R4為普通電阻為普通電阻電橋補(bǔ)償成功須滿足兩個(gè)條件：電橋補(bǔ)償成功須滿足兩個(gè)條件：1.1.施加力之前：施加力之前： 即使溫度發(fā)生變化，電橋的輸出必須等于？即使溫度發(fā)生變化，電橋的輸出必須等于？2.2.施加力之后：施加力之后： 即使溫度發(fā)生變化，電橋的輸出必須與溫度影即使溫度發(fā)生變化，電橋的輸出必須與溫度影響？響？零零無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)U

5、0R1R4R3UR2R20F 時(shí)T12TTRR 114223()()oTTUA RRRRRR00U 電橋依然電橋依然平衡平衡補(bǔ)償?shù)哪康模垦a(bǔ)償?shù)哪康?？FFR1U0R1R4R3UR20F 1114223()()oTTUARRRRRRR12 TTRR11RR KT14oUAR R KR2FFR1 R1R4=R2R3平衡條件：平衡條件：142301234()()R RR RUURRRR00U 四個(gè)電阻都作為應(yīng)變片工作時(shí)，電阻變化四個(gè)電阻都作為應(yīng)變片工作時(shí)，電阻變化RR 11442233011223344()()()()()()RRRRRRRRUURRRRRRRR采用等臂電橋，即采用等臂電橋，即R R1

6、 1= =R R2 2= =R R3 3= =R R4 4= =R R ，得到：，得到：1234142301234()(2)(2)RRRRRR RRRUURRRRRR312404RRRRUURRRR012344UKU當(dāng)當(dāng)R Ri i R R ( ( i i=1,2,3,4) =1,2,3,4) 時(shí)，略去上式中的高階微量，則時(shí)，略去上式中的高階微量，則 上式表明上式表明： R Ri i R R時(shí)，電橋輸出電壓與應(yīng)變成時(shí)，電橋輸出電壓與應(yīng)變成線性線性關(guān)系。關(guān)系。 若若相鄰相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉或兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉或壓應(yīng)變，輸出電壓為壓應(yīng)變，輸出電壓為兩者之差兩者之差；反之，

7、則為兩；反之，則為兩者之和。者之和。 若若相對(duì)相對(duì)兩橋臂應(yīng)變的極性一致，輸出電壓為兩橋臂應(yīng)變的極性一致，輸出電壓為兩者之和兩者之和；反之則為兩者之差。；反之則為兩者之差。012344UKU 考慮考慮：?jiǎn)伪垭姌騿伪垭姌?，即，即R R1 1橋臂變化橋臂變化R R，假設(shè)假設(shè)R R1 1 R R1 1不成立時(shí)：不成立時(shí)：nRRRRUUUL11110001等臂電橋，等臂電橋，n=1n=1，則：，則：11112RRRRL（1 1）采用半橋差動(dòng)電橋）采用半橋差動(dòng)電橋 3110112234RRRUURRRRRRR1R2R3R4=R，R1R2=R 02URUR嚴(yán)格的線性關(guān)系嚴(yán)格的線性關(guān)系電橋靈敏度比單臂時(shí)提高一

8、倍電橋靈敏度比單臂時(shí)提高一倍溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償不需要再進(jìn)行假不需要再進(jìn)行假設(shè)設(shè)Ri R輸出電壓為：輸出電壓為：0RUUR（2 2）采用全橋差動(dòng)電橋）采用全橋差動(dòng)電橋 應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式力傳感器（a a）實(shí)心圓柱；（）實(shí)心圓柱；（b b）空心圓筒；）空心圓筒； 荷重傳感器原理演示荷重傳感器原理演示 荷重傳荷重傳感器上的應(yīng)感器上的應(yīng)變片在重力變片在重力作用下產(chǎn)生作用下產(chǎn)生變形。軸向變形。軸向變短，徑向變短，徑向變長(zhǎng)。變長(zhǎng)。 應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置FR5R2 R4R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF(2)(

9、2)梁式力傳感器梁式力傳感器 機(jī)床液壓系統(tǒng)的壓力（機(jī)床液壓系統(tǒng)的壓力（10106 610107 7PaPa），），槍炮的膛內(nèi)壓力（槍炮的膛內(nèi)壓力（10108 8PaPa），），動(dòng)態(tài)特性和靈敏度主要由材料的動(dòng)態(tài)特性和靈敏度主要由材料的E E值和尺寸決定值和尺寸決定 應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變片不直接粘貼在壓力感受元件上應(yīng)變片不直接粘貼在壓力感受元件上壓力敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等壓力敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等 通常用于測(cè)量小壓力。通常用于測(cè)量小壓力。其缺點(diǎn)是固有頻率低，不適于測(cè)量瞬態(tài)過(guò)程。其缺點(diǎn)是固有頻率低，不適于測(cè)量瞬態(tài)過(guò)程。容器內(nèi)液體重量（液位）傳感器容器內(nèi)液體重量（液位）傳感器在低頻（在低頻（1060Hz1060Hz）振動(dòng)測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用）振動(dòng)測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用, ,但不適用于頻率較高的振動(dòng)和沖擊。但不適用于頻率較高的振動(dòng)和沖擊。 應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1 1等強(qiáng)度梁等強(qiáng)度梁 2 2質(zhì)量塊質(zhì)量塊 3 3殼體殼體 4 4電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器Fma應(yīng)變片傳感器的特點(diǎn)應(yīng)變片傳感器的特點(diǎn)o 精度高，測(cè)