電阻式傳感器電子教案

1、 傳感器及自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 課程教案授課題目（教學(xué)章節(jié)或主題）：電阻式傳感器授課類型理論課授課時(shí)間教學(xué)目標(biāo)或要求：1掌握電阻應(yīng)變效應(yīng)的基本概念。2掌握電橋原理與各電橋的特點(diǎn)。3. 掌握溫度誤差產(chǎn)生的原因及其補(bǔ)償方法。4了解應(yīng)變計(jì)的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀。教學(xué)內(nèi)容（包括基本內(nèi)容、重點(diǎn)、難點(diǎn)）：基本內(nèi)容一. 什么是應(yīng)變效應(yīng)定義：電阻絲受外力作用時(shí)，將產(chǎn)生彈性變形和應(yīng)變，與此同時(shí)其電阻值也發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為“電阻應(yīng)變效應(yīng)”。圖1如圖1所示設(shè)有一段長(zhǎng)為L(zhǎng)，截面積為S，電阻率為的導(dǎo)體(如金屬絲)，它具有的電阻為：式中：電阻絲的電阻率；L電阻絲的長(zhǎng)度；S電阻絲的截面積。當(dāng)金屬絲受拉時(shí)如圖2所示，L變長(zhǎng)、r變小，導(dǎo)

2、致R變大 。圖2則電阻值的相對(duì)變化量為： 設(shè)：金屬絲的軸向應(yīng)變。金屬絲的徑向應(yīng)變。x= -Y；泊松系數(shù)；(Poisson ratio)令：式中：金屬絲的靈敏系數(shù)；(gage factor)在金屬絲的彈性范圍內(nèi)，靈敏系數(shù)為常數(shù)，即 ：線性關(guān)系 通常很小，常用表示之。例如，當(dāng)為0.000001時(shí)，在工程中常表示為或um/m。在應(yīng)變測(cè)量中，也常將之稱為微應(yīng)變()。對(duì)金屬材料而言，當(dāng)它受力之后所產(chǎn)生的軸向應(yīng)變最好不要大于，即1000um/m，否則有可能超過材料的極限強(qiáng)度而導(dǎo)致斷裂。二.電阻式傳感器的分類1.變阻器式傳感器；2電阻應(yīng)變式傳感器；3固態(tài)壓阻式傳感器。電阻應(yīng)變式片一般由覆蓋層、基底、引出線

3、、粘合劑、電阻絲（敏感柵）其中電阻絲核心元件。如圖3所示圖3 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)常用的金屬應(yīng)變片組要有兩種結(jié)構(gòu)：絲式和箔式兩種。如圖4所示圖4金屬應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片一般直徑在0.0120.05mm的金屬絲；金屬箔式應(yīng)變片厚度在0.0010.01mm的金屬箔；三應(yīng)變片的主要參數(shù)1.應(yīng)變片電阻值（R0）電阻應(yīng)變片的電阻值為60、120、350，500和1000 等多種規(guī)格，以120最為常用。應(yīng)變片的電阻值越大，允許的工作電壓就大，傳感器的輸出電壓也大，相應(yīng)地應(yīng)變片的尺寸也要增大，在條件許可的情況下，應(yīng)盡量選用高阻值應(yīng)變片。2.絕緣電阻：要求1010歐姆；3.應(yīng)變片的靈敏系數(shù)（K）金屬應(yīng)變絲的電阻相

4、對(duì)變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)KS表示。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻應(yīng)變特性，與金屬單絲情況不同。因此，須用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)應(yīng)變片的電阻應(yīng)變特性重新測(cè)定。實(shí)驗(yàn)表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化與應(yīng)變?cè)诤軐挼姆秶鷥?nèi)均為線性關(guān)系。即 金屬應(yīng)變絲的電阻相對(duì)變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)KS表示。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻應(yīng)變特性，與金屬單絲情況不同。因此，須用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)應(yīng)變片的電阻應(yīng)變特性重新測(cè)定。實(shí)驗(yàn)表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化與應(yīng)變?cè)诤軐挼姆秶鷥?nèi)均為線性關(guān)系。即4.機(jī)械滯后應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特性與卸載特性不重合，即為機(jī)械滯后。產(chǎn)生原因

5、：應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時(shí)，如果敏感柵受到不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘哒辰Y(jié)劑固化不充分。機(jī)械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時(shí)的機(jī)械應(yīng)變愈大，卸載時(shí)的滯后也愈大。所以，通常在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機(jī)械滯后所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差如圖5所示。圖5應(yīng)變片的機(jī)械滯后5.零漂和蠕變對(duì)于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時(shí)，不承受應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生原因：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間增

6、加而變化的特性稱為蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的方向相反。產(chǎn)生原因：由于膠層之間發(fā)生“滑動(dòng)”，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。這是兩項(xiàng)衡量應(yīng)變片特性對(duì)時(shí)間穩(wěn)定性的指標(biāo)，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量中其意義更為突出。實(shí)際上，蠕變中包含零漂，它是一個(gè)特例。6.允許電流：靜態(tài)25mA,動(dòng)態(tài)：75100mA；四電阻式傳感器的測(cè)量電路1.恒壓源直流電橋圖6 電橋電路原理圖如圖所示。電源E為恒壓源，其內(nèi)阻為零。根據(jù)電路學(xué)中的克?；舴蚨桑谐鲭娐贩匠蹋?聯(lián)立求解上述方程，求出檢流計(jì)中流過的電流Io為:式中 R0為負(fù)載電阻，因而其輸出電壓U0為:當(dāng)R1R4=R2R3時(shí)，I0=0，U0=0，即電橋處于平衡狀態(tài)。若電橋的負(fù)載

7、電阻R0為無窮大，則B、D兩點(diǎn)可視為開路，上式可以化簡(jiǎn)為: 1）.單臂電橋圖7 單臂電橋設(shè)R1為應(yīng)變片的阻值如圖7所示，工作時(shí)R1有一增量R1，當(dāng)為拉伸應(yīng)變時(shí)，R1為正；壓縮應(yīng)變時(shí)，R1為負(fù)。在上式中以R1+R1代替R1，則 整理得：定義橋臂比：由于R1 R1 ,略去(2-13)分母中的 R1 /R1得：定義電橋靈敏度：當(dāng)dKU/dn=0時(shí)， dKU最大，此時(shí)n=1； 即R2=R1；R4= R3當(dāng)n=1時(shí)，電橋?yàn)榈缺垭姌颍漭敵鲭妷簽椋浩潇`敏度為：2)半橋雙臂圖8 半臂電橋其輸出電壓為：靈敏度為：可見，這時(shí)輸出電壓U0與R/R間成嚴(yán)格的線性關(guān)系，且電橋靈敏度比單臂電橋提高一倍3)全橋電路圖9

8、全橋若采用四臂差動(dòng)電橋（全橋），如圖，并設(shè)初始時(shí)R1=R2=R3=R4=R；工作時(shí)各個(gè)橋臂中電阻應(yīng)變片電阻的變化為：R1、R2、R3、R4；則電橋輸出為：若R1=R4=R2=R3=R，則有 靈敏度為：2. 恒流源電橋設(shè)供電電流為I，當(dāng)R1=0時(shí)，且負(fù)載電阻很大，通過各臂的電流為：圖10 恒流源電橋輸出電壓為：若電橋初始處于平衡狀態(tài)，且R1=R2=R3=R4=R；當(dāng)R1變?yōu)镽+R時(shí)，電橋輸出電壓為：通過上式得出：非線性誤差比恒壓源電橋減小1/2 3.交流電橋交流載波放大器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、外界干擾和電源影響小及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但存在工作頻率上限較低、長(zhǎng)導(dǎo)線時(shí)分布電容影響大等缺點(diǎn)。直流放大器工

9、作頻帶寬，能解決分布電容問題，但它需配用精密穩(wěn)定電源供橋，造價(jià)較高。近年來隨著電子技術(shù)的發(fā)展，在數(shù)字應(yīng)變儀、超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀中已逐漸采用直流放大形式的測(cè)量線路。五電阻應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償1.溫度誤差及其產(chǎn)生原因用作測(cè)量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變變化，而不受其它因素的影響。實(shí)際上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測(cè)試件的溫度)影響很大。由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí)，從而產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差，又稱熱輸出。因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)主要因素：應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同。

10、 設(shè)環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為t（）時(shí)，粘貼在試件表面的應(yīng)變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為 ，則應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻相對(duì)變化為由于敏感柵材料和被測(cè)構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)t 存在時(shí)，引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變，相應(yīng)的電阻相對(duì)變化為g試件材料線膨脹系數(shù)；s敏感柵材料線膨脹系數(shù)；。 K應(yīng)變片靈敏系數(shù)。溫度變化形成的總電阻相對(duì)變化：相應(yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)樯鲜綖閼?yīng)變片粘貼在試件表面上，當(dāng)試件不受外力作用，在溫度變化t 時(shí)，應(yīng)變片的溫度效應(yīng)。用應(yīng)變形式表現(xiàn)出來，稱之為熱輸出?？梢?，應(yīng)變片熱輸出的大小不僅與應(yīng)變計(jì)敏感柵材料的性能(,s)有關(guān)，而且與被測(cè)試件材料的線膨脹系數(shù)(g)有關(guān)。 2.溫度誤差補(bǔ)償方法（1）自補(bǔ)償法

11、1）單絲自補(bǔ)償由前式知，若使應(yīng)變片在溫度變化t時(shí)的熱輸出值為零，必須使每一種材料的被測(cè)試件，其線膨脹系數(shù)g都為確定值，可以在有關(guān)的材料手冊(cè)中查到。在選擇應(yīng)變片時(shí)，若應(yīng)變片的敏感柵是用單一的合金絲制成，并使其電阻溫度系數(shù)和線膨脹系數(shù)s 滿足上式的條件，即可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。具有這種敏感柵的應(yīng)變片稱為單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片。 單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和使用都比較方便，但它必須在具有一定線膨脹系數(shù)材料的試件上使用，否則不能達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?）雙絲組合式自補(bǔ)償如圖11（a）,應(yīng)變片由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負(fù)值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達(dá)到一定的溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上

12、實(shí)現(xiàn)（a） (b)圖11溫度補(bǔ)償。這種應(yīng)變片的自補(bǔ)償條件要求粘貼在某種試件上的兩段敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號(hào)相反，即R1t= R2t,該方法補(bǔ)償效果可達(dá)0.45/。組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片的另一種形式是用兩種同符號(hào)溫度系數(shù)的合金絲串接成敏感柵，在串接處焊出引線并接入電橋，如圖(b)。適當(dāng)調(diào)節(jié)R1與R2的長(zhǎng)度比和外接電阻RB的值，使之滿足條件即可滿足溫度自補(bǔ)償要求 （2）橋路補(bǔ)償法如圖121，工作應(yīng)變片R1安裝在被測(cè)試件上，另選一個(gè)特性與R1相同的補(bǔ)償片RB，安裝在材料與試件相同的補(bǔ)償件上，溫度與試件相同，但不承受應(yīng)變。R1與RB接入電橋相鄰臂上。由于相同溫度變化造成R1和RB電

13、阻變化相同，根據(jù)電橋理論可知，電橋輸出電壓與溫度變化無關(guān)。圖12在有些應(yīng)用中，可以通過巧妙地安裝多個(gè)應(yīng)變片以達(dá)到溫度補(bǔ)償和提高測(cè)量靈敏度的雙重目的。如圖13，在等強(qiáng)度懸臂梁的上下表面對(duì)應(yīng)位置粘貼四片相同的應(yīng)變片并接成差動(dòng)全橋，當(dāng)梁受壓力F時(shí)，R1和R2應(yīng)變片受拉應(yīng)變，電阻增加，而R3和R4應(yīng)變片受壓應(yīng)變，電阻減小，電橋輸出為單臂工作時(shí)的4倍。而溫度變化引起四片應(yīng)變片的電阻變化相同，則電橋輸出不變。圖 13六電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用1.電阻應(yīng)變式力傳感器1）柱式力傳感器柱式力傳感器的彈性元件分實(shí)心和空心兩種，如圖。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可承受較大載荷，最大可達(dá)107N，在測(cè)103105N載荷時(shí)，為提高

14、變換靈敏度和抗橫向干擾，一般采用空心圓柱結(jié)構(gòu)。 根據(jù)材料力學(xué)，柱沿軸向的應(yīng)變?yōu)閼?yīng)變的大小取決于S、E、F，與軸長(zhǎng)度無關(guān)。圖14圖15BLR1型拉力傳感器圖16應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置2）應(yīng)變式力傳感器 圖17 應(yīng)變式梁式力傳感器圖18 梁式傳感器應(yīng)用七案例設(shè)計(jì)：電子稱的制作1、原理 如圖19所示，采用E350-ZAA箔式應(yīng)變片，其常態(tài)阻值為350。圖19 電子稱原理圖2.元器件選擇1）IC1選用ICL7126集成塊；IC2、IC3選用高精度低溫標(biāo)精密運(yùn)放OP-07；IC4選用LM3851.2V。 2）傳感器RI選用E350ZAA箔式電阻應(yīng)變片，其常態(tài)阻值為350。 3）各電阻元件宜選用精

15、密金屬膜電阻。 4）RPI選用精密多圈電位器，RP2、RP3經(jīng)調(diào)試后可分別用精密金屬膜電阻代替。5）電容中C1選用云母電容或瓷介電容。3、制作1）電子線路的制作元件布置：橫平豎直，間距適當(dāng)；錫焊：控制焊點(diǎn)大小，注意虛焊；2）變形鋼件的制作可用普通鋼鋸條制作，先將鋸齒磨平，再將鋸條加熱彎成“U”形，并在對(duì)應(yīng)位置鉆孔，以裝顯示部件。然后再進(jìn)行淬火和表面處理，秤鉤粘于鋼件底部。應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘劑粘接于鋼件變形最大的部位。4、調(diào)試1）在秤體自然下垂無負(fù)載時(shí)調(diào)RP1，顯示為零； 2）再調(diào)整RP2，使秤體承擔(dān)滿量程2千克時(shí)顯示滿量程值； 3）然后在秤鉤下懸掛1千克的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，觀察顯示器是否顯示1.000，