第3章(電阻式傳感器學習教案

1、會計學1第第3章章(電阻電阻(dinz)式傳感器式傳感器第一頁，共55頁。第1頁/共54頁第二頁，共55頁。3.1.1 3.1.1 應變應變(yngbin)(yngbin)效應效應電阻應變片的工作原理是基于應變效應電阻應變片的工作原理是基于應變效應即導體或半導體材料在外界力的作用即導體或半導體材料在外界力的作用(zuyng)(zuyng)下產生機械變形時，其電阻值相下產生機械變形時，其電阻值相應發(fā)生變化，應發(fā)生變化， 這種現象稱為這種現象稱為“應變效應應變效應”。第2頁/共54頁第三頁，共55頁。一根金屬一根金屬(jnsh)電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為：電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為

2、： AlR第3頁/共54頁第四頁，共55頁。 當電阻絲受到拉力當電阻絲受到拉力(ll)F作用時，作用時， 將伸長將伸長l，橫截面積相，橫截面積相應減小應減小A，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了，從而引起電阻值變化量為，從而引起電阻值變化量為 ：AdALdLdRdR式中：式中：dL/L長度長度(chngd)相對變化量，用應變相對變化量，用應變表示為表示為 LdL2LLdRddLdAAAA電阻相對電阻相對(xingdu)變化量：變化量：第4頁/共54頁第五頁，共55頁。 dA/A圓形電阻絲的截面積相對圓形電阻絲的截面積相對(xingdu)變化量

3、，設變化量，設r為為電阻絲的半徑，微分后可得電阻絲的半徑，微分后可得dA=2r dr，則，則 ：rdrAdA2材料力學：在彈性范圍內，金屬絲受拉力時，沿材料力學：在彈性范圍內，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，軸向伸長， 沿徑向縮短，沿徑向縮短， 軸向應變和徑向應變的軸向應變和徑向應變的關系關系(gun x)可表示為可表示為 ：LdLrdr為電阻絲材料的泊松比，為電阻絲材料的泊松比， 負號表示應變負號表示應變(yngbin)方向相反。方向相反。 第5頁/共54頁第六頁，共55頁。推得：推得： 定義定義(dngy)：電阻絲的靈敏系數（物理意義）：電阻絲的靈敏系數（物理意義）：單位應變所引起的電阻相對變

4、化量。其表達式為單位應變所引起的電阻相對變化量。其表達式為 dRdRK21dRdR)21 (12RKR 第6頁/共54頁第七頁，共55頁。第7頁/共54頁第八頁，共55頁。第8頁/共54頁第九頁，共55頁。1212K 第9頁/共54頁第十頁，共55頁。21K第10頁/共54頁第十一頁，共55頁。分析分析(fnx)：當半導體應變片受軸向力作用時：當半導體應變片受軸向力作用時半導體應變片的電阻率相對變化半導體應變片的電阻率相對變化(binhu)量與所受的應量與所受的應變力有關：變力有關：E式中：式中： 半導體材料的壓阻系數半導體材料的壓阻系數; 半導體材料的所受應變力半導體材料的所受應變力; E半

5、導體材料的彈性模量半導體材料的彈性模量(tn xn m lin); 半導體材料的應變。半導體材料的應變。第11頁/共54頁第十二頁，共55頁。因此因此(ync)：)21 (ERR實驗證明，實驗證明，E比比1+2大上百倍，所以大上百倍，所以1+2可以忽略，因而半可以忽略，因而半導體應變導體應變(yngbin)片的靈敏系數為：片的靈敏系數為：ERRK第12頁/共54頁第十三頁，共55頁。 測量原理：在外力作用下，被測對測量原理：在外力作用下，被測對象象(duxing)產生微小機械變形，應變片產生微小機械變形，應變片隨著發(fā)生相同的變化，隨著發(fā)生相同的變化， 同時應變片電阻同時應變片電阻值也發(fā)生相應變

6、化。當測得應變片電阻值也發(fā)生相應變化。當測得應變片電阻值變化量為值變化量為R時，便可得到被測對象時，便可得到被測對象(duxing)的應變值，的應變值， 根據應力與應變的根據應力與應變的關系，得到應力值關系，得到應力值為為 ：=E RRK第13頁/共54頁第十四頁，共55頁。 3.2 應變片的溫度誤差及補償 3.2.1 應變片的溫度誤差 由于(yuy)測量現場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差， 稱為應變片的溫度誤差。 產生應變片溫度誤差的主要因素有下述兩個方面。 1) 電阻溫度系數的影響 敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關系可用下式表示： Rt=R0(1+0t) 第14頁/共54頁第十五頁，

7、共55頁。式中式中: Rt溫度為溫度為t時的電阻值；時的電阻值； R0溫度為溫度為t0時的電阻值；時的電阻值；0溫度為溫度為t0時金屬絲的電阻溫度系數時金屬絲的電阻溫度系數(xsh)；t溫度變化值，溫度變化值，t=t-t0。 當溫度變化當溫度變化t時，電阻絲電阻的變化值為：時，電阻絲電阻的變化值為： R=Rt-R0=R00t 第15頁/共54頁第十六頁，共55頁。 2) 試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數的影響試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數的影響 當試件與電阻絲材料的線膨脹系數相同時當試件與電阻絲材料的線膨脹系數相同時(tngsh)：環(huán)境溫度變化不會產生附加變形。：環(huán)境溫度變化不會產生附加變形

8、。 當試件與電阻絲材料的線膨脹系數不同時當試件與電阻絲材料的線膨脹系數不同時(tngsh)：環(huán)境溫度變化，電阻絲會產生附加變形，從而產生：環(huán)境溫度變化，電阻絲會產生附加變形，從而產生附加電阻變化。附加電阻變化。 設電阻絲和試件在溫度為設電阻絲和試件在溫度為0時的長度均為時的長度均為l0, 它它們的線膨脹系數分別為們的線膨脹系數分別為s和和g，若兩者不粘貼，則它，若兩者不粘貼，則它們的長度分別為：們的長度分別為： ls=l0(1+st)lg=l0(1+gt) 第16頁/共54頁第十七頁，共55頁。 當兩者粘貼在一起時，電阻絲產生的附加變形當兩者粘貼在一起時，電阻絲產生的附加變形l、附加應變、附加

9、應變和附加電阻變化和附加電阻變化(binhu)R分別分別為：為： tRKRKRtlltllllsgsgsgsg)()()(000000第17頁/共54頁第十八頁，共55頁。由于溫度變化而引起的應變片總電阻由于溫度變化而引起的應變片總電阻(dinz)相對相對變化量為變化量為 tKtKtRRRRRsgsgt)()(000000 結論：因環(huán)境溫度變化結論：因環(huán)境溫度變化(binhu)而引起的附加電阻的而引起的附加電阻的相對變化相對變化(binhu)量，除了與環(huán)境溫度有關外，還與應變量，除了與環(huán)境溫度有關外，還與應變片自身的性能參數（片自身的性能參數（K0, 0, s）以及被測試件線膨脹系數）以及被測

10、試件線膨脹系數g有關。有關。 第18頁/共54頁第十九頁，共55頁。 3.2.2 3.2.2 電阻應變片的溫度補償方法電阻應變片的溫度補償方法 電阻應變片的溫度補償方法通常電阻應變片的溫度補償方法通常有線路補償和應變片自補償兩大類。有線路補償和應變片自補償兩大類。 電 橋 補 償 是 最 常 用 且 效 果電 橋 補 償 是 最 常 用 且 效 果(xiogu)(xiogu)較好的電阻片溫度誤差補償方較好的電阻片溫度誤差補償方法。法。 第19頁/共54頁第二十頁，共55頁。電橋電橋(din qio)補償法補償法第20頁/共54頁第二十一頁，共55頁。314231012341234()()abR

11、RRR RRUUUUUURRRRRRRR01423()UgR RR R1234()()UgRRRR第21頁/共54頁第二十二頁，共55頁。 測量方法：測量方法： 當被測試件不承受當被測試件不承受(chngshu)應變時：應變時：R1和和R2又處于同一環(huán)境溫度為又處于同一環(huán)境溫度為t的溫度場中的溫度場中，調整電橋參數使之達到平衡，此時有，調整電橋參數使之達到平衡，此時有 ： 工程上，一般按工程上，一般按R1 = R2 = R3 = R4 選取選取(xunq)橋臂電阻。橋臂電阻。 01423()0UgR RR R第22頁/共54頁第二十三頁，共55頁。溫 度 補 償 的 實 現 ： 當 溫 度 升

12、 高 或 降 低溫 度 補 償 的 實 現 ： 當 溫 度 升 高 或 降 低(jingd)t=t-t0時，兩個應變片因溫度而引起時，兩個應變片因溫度而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)，的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)， 即：即： 應變的測量：被測試件有應變應變的測量：被測試件有應變的作用，則工作應變片電阻的作用，則工作應變片電阻R1又有新的增量又有新的增量R1=R1K，而補償片因不承受應變，而補償片因不承受應變，故不產生新的增量，故不產生新的增量， 此時此時(c sh)電橋輸出電壓為電橋輸出電壓為 ：可見可見(kjin)：電橋的輸出電壓：電橋的輸出電壓Uo僅與被測試件的應變僅與被

13、測試件的應變有關，而與環(huán)境溫度無關。有關，而與環(huán)境溫度無關。 0114223()()0UgRR RRRR0114231414()()UgRR RR RgR RgR KR第23頁/共54頁第二十四頁，共55頁。 注意補償條件：注意補償條件： 在應變片工作過程中，保證在應變片工作過程中，保證R3=R4。 R1和和R2兩個應變片應具有相同的電阻兩個應變片應具有相同的電阻溫度系數溫度系數、線膨脹系數、線膨脹系數、應變靈敏度系、應變靈敏度系數數K和初始電阻值和初始電阻值R0。 粘貼補償片的補償塊材料和粘貼工作粘貼補償片的補償塊材料和粘貼工作片的被測試片的被測試(csh)件材料必須一樣，兩者件材料必須一樣

14、，兩者線膨脹系數相同。線膨脹系數相同。 兩應變片應處于同一溫度場。兩應變片應處于同一溫度場。 第24頁/共54頁第二十五頁，共55頁。3.3 3.3 測量測量(cling)(cling)電路電路 3.3.1 直流電橋（1 1）直流電橋平衡條件）直流電橋平衡條件433211RRRRRREUoR1R2R4R3ACBEDIoRLUo直流電橋直流電橋 當當RL時，電橋時，電橋(din qio)輸出電輸出電壓為：壓為： 第25頁/共54頁第二十六頁，共55頁。當電橋當電橋(din qio)平衡時，平衡時，Uo=0，則有：，則有： R1R4=R2R3或：或： 4321RRRR電橋平衡電橋平衡(pnghng

15、)條件：欲使電橋平衡條件：欲使電橋平衡(pnghng)， 其相鄰其相鄰兩臂電阻的比值應相等，兩臂電阻的比值應相等， 或相對兩臂電阻的乘積應相等。或相對兩臂電阻的乘積應相等。 電橋電橋(din qio)平衡條件平衡條件第26頁/共54頁第二十七頁，共55頁。（2）電壓靈敏度）電壓靈敏度 應變片工作時：電阻值變化很小，電應變片工作時：電阻值變化很小，電橋相應輸出電壓也很小，一般需要橋相應輸出電壓也很小，一般需要(xyo)加入放大器進行放大。由于放大器的輸入加入放大器進行放大。由于放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多，所以此時仍阻抗比橋路輸出阻抗高很多，所以此時仍視電橋為開路情況。視電橋為開路情況。

16、當受應變時：若應變片電阻變化為當受應變時：若應變片電阻變化為R，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo0，則電橋不平衡，輸出電壓為，則電橋不平衡，輸出電壓為 第27頁/共54頁第二十八頁，共55頁。3111123414112344131124113()()11oRRRUERRRRRR RERRRRRRRRRERRRRRR第28頁/共54頁第二十九頁，共55頁。 設橋臂比設橋臂比n=R2/R1，由于，由于(yuy)R15的小曲率的小曲率(ql)圓環(huán)：圓環(huán)：A、B兩點的應變。兩點的應變。 EbhFREbhFRBA2291. 109. 1這樣，這樣， 測出測出A、 B處的

17、應變處的應變(yngbin)， 即可得到載荷即可得到載荷F。 A23( /2)2(1)F Rhbh EB23( /2) 2F Rhbh E內貼取內貼取“一一” 內貼取內貼取“” 式中：式中： h圓環(huán)厚度；圓環(huán)厚度； b圓環(huán)寬度；圓環(huán)寬度； E材料材料(cilio)彈性模量。彈性模量。0()()0URRUfKf FRRRUFR 測量第48頁/共54頁第四十九頁，共55頁。3.4.2 應變式壓力傳感器應變式壓力傳感器主要用來測量流動主要用來測量流動(lidng)介質的動態(tài)或靜態(tài)壓力。介質的動態(tài)或靜態(tài)壓力。 應變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。應變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。

18、在壓力在壓力p作用下，膜片產生徑向應變作用下，膜片產生徑向應變r和切向應變和切向應變t，表達式分，表達式分別為別為 ：EhxRpEhxRptr222222228)(1 (38)3)(1 (3第49頁/共54頁第五十頁，共55頁。膜片式壓力膜片式壓力(yl)傳感器傳感器第50頁/共54頁第五十一頁，共55頁。應變變化應變變化(binhu)曲線的特點：曲線的特點：當當x=0時，時，rmax=tmax；當當x=R時，時，t=0， r=2rmax。 特點的應用：一般在平膜片圓心處切向粘貼特點的應用：一般在平膜片圓心處切向粘貼R1、R4兩個應變片，兩個應變片， 在邊緣處沿徑向粘貼在邊緣處沿徑向粘貼R2、R3兩個應變片，然后兩個應變片，然后(rnhu)接成全橋測量電路接成全橋測量電路。 避開避開 位置。位置。3/Rx 0r3/Rx EhRPtr2228)1 (3EhRPr2224)1 (3第51頁/共54頁第五十二頁，共55頁。應變應變(yngbin)片液體重量傳感器片液體重量傳感器 3.4.3 應變(yngbin)式容器內液體重量傳感器第52頁/共54頁第五十三頁，共55頁。感壓膜感受上面液體的壓力。感壓膜感