第二章電阻應(yīng)變傳感器

1、Copyright 2003 WUT. All Rights Reserved.2.特點特點結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛 靈敏度靈敏度K高，測試速度快高，測試速度快 易于遠距離測量易于遠距離測量 2.2.工作原理工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)，即在導(dǎo)電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)，即在導(dǎo)體產(chǎn)生機械變形時，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。體產(chǎn)生機械變形時，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為 SLRrrLLSSLLRR2rrrrrSS222其中其中LLr r/r是橫向（徑向）變化量，用應(yīng)變是橫向（徑向）變化量

2、，用應(yīng)變rr表示：表示： rrr由材料力學(xué)可知由材料力學(xué)可知 ，那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系表示為關(guān)系表示為 ：LLrrr為電阻絲材料的泊松比為電阻絲材料的泊松比 )21 ()21 (LLRR210k/)21 (/0RRkESFEE試件的應(yīng)變 試件材料彈性模量 F半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片金屬薄膜應(yīng)變片金屬箔應(yīng)變片金屬絲應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片類型以上）高溫應(yīng)變片（）中溫應(yīng)變片（）常溫應(yīng)變片（按工作溫度CCC300300606030金屬應(yīng)變計金屬應(yīng)變計優(yōu)點優(yōu)點: :穩(wěn)定性和溫度特性好穩(wěn)定性和溫度特性好. .缺點缺點: :靈敏度系數(shù)小靈敏度系數(shù)小 RRKS/)21 (RR)21 ( E

3、 所以半導(dǎo)體應(yīng)變片的縱向壓阻效應(yīng)可由式（所以半導(dǎo)體應(yīng)變片的縱向壓阻效應(yīng)可由式（2.7）改寫為）改寫為 ERR)21 ( RR 半導(dǎo)體晶體縱向壓阻系數(shù)半導(dǎo)體晶體縱向壓阻系數(shù)E E半導(dǎo)體晶體彈性模量半導(dǎo)體晶體彈性模量ERRKB/縱向壓阻系數(shù) 晶體彈性模量 圖24 半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu)在電阻應(yīng)變傳感器中最常用在電阻應(yīng)變傳感器中最常用的是橋式測量電路。的是橋式測量電路。 iiiURRRRRRRRURRRURRRRIRIU)(4321423143421142110測量前，測量前，應(yīng)將電橋調(diào)平衡應(yīng)將電橋調(diào)平衡 ，在電橋輸出端在電橋輸出端A和和C之間接一檢流計調(diào)橋臂電阻使檢流計指示為之間接一檢流計調(diào)橋臂電阻使檢

4、流計指示為0 ，輸出電壓輸出電壓U0=0，電橋達到平衡狀態(tài)電橋達到平衡狀態(tài) 。電橋的平衡條件為電橋的平衡條件為R1R3= R2R4。 iiiiiiOUKURRURRRRURRRURRRRURRRRRRRRU414/24/)2(2)212()(434211為了便于分析，一般都取為了便于分析，一般都取R1=R2=R3=R4=R，稱之為等臂橋稱之為等臂橋 iuURRUS410RRRR21,R1=R2=R3=R4=R iiiiOUKURRURRRURRRRRRRRRU212)212()(434211 iuURRUS210RRRRRR4231,iiiiOUKURRURRRRRRURRRRRRRRRRRR

5、U22)22()(434211iuURRUS0被測物理量為荷重或力的傳感器，稱之為被測物理量為荷重或力的傳感器，稱之為應(yīng)變式力傳感器（應(yīng)變式力傳感器（Weighing sensor） （a）實心柱 （b）空心柱 （c）柱面展開 圖215 柱式力傳感器 圖218 圓筒式壓力傳感器圖219 膜片式壓力傳感器 ghAAUUU)(21210DQgh將上兩式聯(lián)立，得到容器內(nèi)感壓膜上面溶液重量將上兩式聯(lián)立，得到容器內(nèi)感壓膜上面溶液重量與電橋輸出電壓之間的關(guān)系為：與電橋輸出電壓之間的關(guān)系為： DQAAU)(210mFa 補充內(nèi)容：補充內(nèi)容： 電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器是把被

6、測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器, 按工作的原理可分為按工作的原理可分為:變阻器式、電阻應(yīng)變式、熱敏式、變阻器式、電阻應(yīng)變式、熱敏式、光敏式、電敏式光敏式、電敏式.1 2 3 132直線型直線型旋轉(zhuǎn)型旋轉(zhuǎn)型1 變阻器式傳感器變阻器式傳感器 (1) 工作原理工作原理 等效電路分析等效電路分析: Rp-總電阻;xp-變阻總長;RL負(fù)載電阻;x-電刷移動量.132xxpEinEoutRxRLRp-Rx)1)(1pxxLRpRxpxinLRxRxRpRLRpRinLRxRLRxRxRpRinEEEoutE0 x 100%100%Output0負(fù)載效應(yīng)負(fù)載效應(yīng)(2) 變阻器式傳感器的性能參數(shù)變阻器式傳感器

7、的性能參數(shù): 1) 線性線性(或曲線的一致性或曲線的一致性); 4) 移動或旋轉(zhuǎn)角度范圍移動或旋轉(zhuǎn)角度范圍; 2) 分辨率分辨率; 5) 電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù); 3) 整個電阻值的偏差整個電阻值的偏差; 6) 壽命壽命;(3)變阻器式傳感器的分類變阻器式傳感器的分類變阻器按電阻元件分單圈電位器直線滑動式電位器多圈電位器混合式電位器導(dǎo)電塑料電位器金屬陶瓷電位器線繞電位器(4)變阻器式傳感器的特點變阻器式傳感器的特點電阻器電阻器 制作制作 特點特點 繞線式繞線式 直徑 0.012-0.1mm 的鎳鉻合金的精密電阻絲繞在絕緣的薄膜銅絲或絕緣膠木板等卷芯上而制作 電阻溫度系數(shù)非常好， 為5-20*

8、10-6/0C;精度 ,穩(wěn)定性 ,重復(fù)性比薄模式好,分辨力低于薄模式 . 金屬陶瓷式金屬陶瓷式 電阻膠印在陶瓷基板上,并用高溫?zé)贫?. 分辨力高 ,環(huán)境適應(yīng)性強前 , 電阻溫度系數(shù),為200*10-6/0C 左右. 導(dǎo)電導(dǎo)電-塑料式塑料式 將基板的樹脂與電阻墨制成一體 ,獲將電阻膠涂于薄膜基片上 . 分辨力 ,壽命,高速現(xiàn)響應(yīng)特性好 ,電阻溫度系數(shù)為400*10-6/0C 混合式混合式 導(dǎo)電性樹脂涂于限繞式電阻元件上 兼有繞線式和導(dǎo)電-塑料式的優(yōu)點 ,電阻溫度系數(shù)為150*10-6/0C (5) 應(yīng)用應(yīng)用案例：案例： 重量的自動檢測重量的自動檢測-配料設(shè)備配料設(shè)備重量設(shè)定原材料 比較原理用

9、彈簧將力轉(zhuǎn)換為位移;再用變阻器將位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化案例：案例：煤氣包儲量檢測煤氣包儲量檢測原理直接將代表煤氣包儲量的高度變化轉(zhuǎn)換為鋼絲的電阻變化煤氣包鋼絲特點：特點：（1）測量量程大；）測量量程大；（2）防爆；）防爆；（3）可靠；）可靠；（4）成本低。）成本低。案例：案例：玩具機器人（廣州中鳴數(shù)碼玩具機器人（廣州中鳴數(shù)碼 ）原理直接將關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動角度變化轉(zhuǎn)換為電阻器阻值變化2 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器-應(yīng)變片應(yīng)變片 金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短伸長或縮短)的變化而發(fā)生變的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。化的現(xiàn)象。 3) 應(yīng)變片的主要參數(shù)應(yīng)變片的主要參數(shù) 1）幾何參數(shù)：表距）幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度和絲柵寬度b，制造廠常用制造廠常用bL 表示。表示。 2）電阻值：應(yīng)變計的原始電阻值。）電阻值：應(yīng)變計的原始電阻值。 3）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計變換性能的重要參數(shù)。）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計變換性能的重要參數(shù)。 4）其它表示應(yīng)變計性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、）其它表示應(yīng)變計性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、 蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向