第3章-電阻式傳感器

1、單點測量單點測量一片電阻應變片只能測定構件表面上一一片電阻應變片只能測定構件表面上一點的某個方向的應變點的某個方向的應變 ;并且只代表柵長范并且只代表柵長范圍內的平均應變。圍內的平均應變。應變片一般只能測量構件表面的應力應應變片一般只能測量構件表面的應力應變變,對結構內部的三維應力測量很難進行。對結構內部的三維應力測量很難進行。一個金屬電阻絲，未受力時電阻值：一個金屬電阻絲，未受力時電阻值：在外力作用下，電阻變化了在外力作用下，電阻變化了 R： SlRSSllRRrdrLdLyx金屬絲橫向應變金屬絲軸向應變LdLrdrrdrSdS2xxdRdR)21 ()21 (工作原理工作原理電橋平衡條件：

2、電橋平衡條件：IL=0。即：。即：R1R3=R2R4橋臂比：橋臂比：n=R2/R1=R4/R313241234123434121324123412343412()()()()1()()()()LLLLR RR RIERRRRRR R RRR R RRR RR RUERRRRR R RRR R RRR直流電橋的電壓靈敏度直流電橋的電壓靈敏度R1為工作應變片，由于應變而產生相應的電阻變化為工作應變片，由于應變而產生相應的電阻變化 R1R2、R3、R4為固定電阻，設為固定電阻，設RL= 初始條件下令電橋平衡，即初始條件下令電橋平衡，即U0=0當有應變時（當有應變時（R1 R1+ R1），），U0=n

3、/(1+n)2 ( R1/R1)E電橋的電壓靈敏度電橋的電壓靈敏度Ku=(U0 -0) /( R1/R1)=n/(1+n)2E1）E越大，越靈敏。但一般測量電壓越大，越靈敏。但一般測量電壓 36V，通常取幾伏。，通常取幾伏。另外由于箔絲很弱，另外由于箔絲很弱，mA級電流。級電流。2）n=1時，時，Ku最大，所以一般采用最大，所以一般采用n=1的等臂電橋。的等臂電橋。此時此時Ku=（1/4）E。3）非線性誤差為（近似于線性）非線性誤差為（近似于線性）11111ooLoRUURRUnR對于對稱電橋，對于對稱電橋，n1時時若想獲得真正的線性，可采用差動電橋，即若想獲得真正的線性，可采用差動電橋，即2

4、個應變片。個應變片。URRU210假設假設 R1= R2= R3= R4 根據(jù)參與工根據(jù)參與工作的橋臂數(shù)作的橋臂數(shù)半橋半橋半橋單臂半橋單臂半橋雙臂半橋雙臂ERRU410ERRU210全橋全橋ERRU0R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b)R3 R3R4 R4UZZZZZZZZU)(4321324103241ZZZZjZeZ )(32)(413241jjeZZeZZ3241ZZZZ3241Z1UoU(a)Z2Z3Z4R1R2R4R3oUC1C2U(b)交、直流電橋的優(yōu)、缺點交、直流電橋的優(yōu)、缺點直流電橋的優(yōu)缺點直流電橋的優(yōu)缺點優(yōu)點：高穩(wěn)定直流電源

5、易于獲得；電橋優(yōu)點：高穩(wěn)定直流電源易于獲得；電橋調節(jié)平衡電路簡單。調節(jié)平衡電路簡單。缺點：容易產生零點漂移；線路復雜。缺點：容易產生零點漂移；線路復雜。交流電橋的優(yōu)缺點交流電橋的優(yōu)缺點優(yōu)點：零漂小優(yōu)點：零漂小缺點：電路調節(jié)繁雜。缺點：電路調節(jié)繁雜。電阻應變儀電阻應變儀上述交、直流電橋可將應變片電阻的變化上述交、直流電橋可將應變片電阻的變化轉換成相應的電壓或電流信號，但這種轉換成相應的電壓或電流信號，但這種信號較弱，且其波形并不是試件應變變信號較弱，且其波形并不是試件應變變化波形。使用一些部件，將這一電信號化波形。使用一些部件，將這一電信號進行放大，并精確復現(xiàn)試件應變波形，進行放大，并精確復現(xiàn)試

6、件應變波形，組成一臺應變測量儀，稱為電阻應變儀。組成一臺應變測量儀，稱為電阻應變儀。它分為直流電阻應變儀和交流電阻應變它分為直流電阻應變儀和交流電阻應變儀。儀。1ttRtR2()tgsRktR測量原理演示測量原理演示U0=( R/R)UE測結構的應變或應力測結構的應變或應力與彈性元件結合構成各種應變與彈性元件結合構成各種應變式傳感器式傳感器32141 等 強 度 梁 ；2 質 量 塊 ；3 殼 體 ；4 電 阻 應 變 敏 感 元 體微壓傳感器電阻應變敏感元件傳壓桿感壓膜hRLU1R2R4R0R1R3RtUoLRU22R1R4R0RtR3RdRdRx)21 (xEd半導體應變片的靈敏系數(shù)半導體

7、應變片的靈敏系數(shù) ERdRKxB二、結構二、結構三、溫度誤差補償三、溫度誤差補償四、轉換電路四、轉換電路同一半導體材料的壓阻效應與其晶向有同一半導體材料的壓阻效應與其晶向有關。關。五、壓阻式傳感器應用五、壓阻式傳感器應用工作過程演示工作過程演示將機械的線位移（直線運動）、角位移（轉動）、將機械的線位移（直線運動）、角位移（轉動）、直線角位移（螺旋運動）的變化直線角位移（螺旋運動）的變化 電阻或電壓的變化電阻或電壓的變化一定函數(shù)關系一定函數(shù)關系變變阻阻器器式式變變壓壓器器式式電位器分類電位器分類按輸出按輸出- -輸入特性輸入特性線性電位計線性電位計非線性電位計非線性電位計按結構形式按結構形式線繞

8、式線繞式在傳感器中應用較多在傳感器中應用較多薄膜式薄膜式具有較高的精度和線性特性具有較高的精度和線性特性光電式光電式無摩擦和磨損，分辨率高無摩擦和磨損，分辨率高 電位器其輸出電壓或電阻與電刷位移或轉角之間可以是線性關系，電位器其輸出電壓或電阻與電刷位移或轉角之間可以是線性關系，也可以是非線性關系，即其它函數(shù)關系。以直線位移電位器為例，也可以是非線性關系，即其它函數(shù)關系。以直線位移電位器為例，其轉換電路如圖所示：其轉換電路如圖所示：空載特性：空載特性：空載時：空載時： 空載特性：空載特性：負載特性：負載特性：負載時：負載時： 負載特性：負載特性： UULY RxRUUo 2RxRxRRLRRxR

9、LUULUUoY 電阻靈敏度：電阻靈敏度： 電壓靈敏度：電壓靈敏度：設電阻相對變化為設電阻相對變化為負載系數(shù)負載系數(shù)則：負載特性則：負載特性 空載特性空載特性由于由于m 0，即，即RL ，是，是負載特性和空載特性之間產生偏差。負載輸負載特性和空載特性之間產生偏差。負載輸出電壓比空載輸出電壓低，這種偏差與出電壓比空載輸出電壓低，這種偏差與m、r有關。有關。 RLRm dxdRxKr dxdUxKu RRxr )1 (1rrmrUULYrRRxUUoY對負載特性的討論：對負載特性的討論： 當當 時，特時，特性曲線變成直線，性曲線變成直線，它實為空載特性它實為空載特性 當帶有負載時，當帶有負載時，曲

10、線下垂，負載曲線下垂，負載越小，下垂越多，越小，下垂越多，產生的負載誤差產生的負載誤差越大。越大。 RRKLL對負載特性的討論：對負載特性的討論： 負載誤差負載誤差 由于負由于負載電阻不是無限大，載電阻不是無限大，而是可與電位計電阻而是可與電位計電阻值相比的有限值，造值相比的有限值，造成負載特性為一下垂成負載特性為一下垂曲線，產生誤差，也曲線，產生誤差，也稱非線性誤差。稱非線性誤差。電刷在起始和最終位電刷在起始和最終位置時，負載誤差置時，負載誤差 eL=0 電刷在相對行程電刷在相對行程X=1/2時，負載誤差時，負載誤差 eL max，且，且m ，eL 對負載特性的討論：對負載特性的討論： 負載誤差：負載誤差：為了減小負載誤差，首先要盡量減小為了