CH2電阻式傳感器復(fù)習(xí)課程

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。CH2 電阻式傳感器-CH2電阻式傳感器原理：將被測(cè)的物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路而顯示被測(cè)量值的變化；用途：=1*GB3測(cè)力、測(cè)壓力；=2*GB3測(cè)位移；=3*GB3振幅、速度、加速度；=4*GB3測(cè)溫度。2.1電位器式電阻傳感器一、種類：按結(jié)構(gòu)形式分：線繞式、非線繞式（簿膜式、光電式）；按特性分：線性電位器和非線性電位器。二、電位器的結(jié)構(gòu)：電阻絲、電刷、骨架三、線繞電位器式傳感器線繞電位器的電阻體由電阻絲纏繞在絕緣物上構(gòu)成，電阻絲種類很多，電阻絲的材料是根據(jù)電位器的結(jié)構(gòu)、容納電

2、阻絲的空間、電阻值和溫度系數(shù)來(lái)選擇的。電阻絲越細(xì)，在給定空間內(nèi)越能獲得較大的阻值和分辨率。但電阻絲太細(xì)，在使用過程中易斷開，影響壽命。由于電阻體由電阻絲繞制，線繞電位器能承受較高溫度，常被制成功率型電位器。其額定功率范圍一般為0.2550W，阻值范圍為100歐lOO千歐之間。優(yōu)缺點(diǎn)：（）優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、精度高、輸出信號(hào)大、性能穩(wěn)定；（）缺點(diǎn)：要求輸出能量大、分辨率低、容易磨損。1線性電位器（）空載特性靈敏度：電阻靈敏度：電壓靈敏度：（2）分辨率：(電壓分辨率)(行程分辨率)（n為匝數(shù)）2非線性電位器(h為骨架高度，呈曲線變化)電阻靈敏度：電壓靈敏度：負(fù)載特性（輸出端有負(fù)載電阻）

3、：如圖（）空載特性：四、非線繞電位器式為克服線繞電位器存在的缺點(diǎn)，人們從電阻體的材料及制造工藝人手，發(fā)展了各種非線繞式電位器。(1)合成膜電位器：它的電阻體用具有某一電阻值的懸浮液噴涂在絕緣骨架上形成電阻膜而制成。其優(yōu)點(diǎn)是分辨率較高、阻值范圍很寬(100歐4.7兆歐)，耐磨性較好，工藝簡(jiǎn)單、成本低、輸入-輸出信號(hào)的線性度好；其主要缺點(diǎn)是接觸電阻大、功率不夠大、易吸潮、噪聲較大。(2)金屬膜電位器:它由合金、金屬或金屬氧化物等材料通過真空濺射或電鍍方法，在瓷基體上沉積一層薄膜而制成。它的優(yōu)點(diǎn)是具有無(wú)限分辨力(理論上)，接觸電阻很小，耐熱性好，它的滿負(fù)荷溫度可達(dá)70，與線繞電位器相比，它的分布電容

4、和分布電感很小，所以特別適合在高頻條件下使用，它的噪聲僅高于線性電位器。其缺點(diǎn)是耐磨性較差，阻值范圍窄，一般在10歐100千歐之間。(3)導(dǎo)電塑料電位器:它又稱有機(jī)實(shí)心電位器，這種電位器的電阻體由塑料粉及導(dǎo)電材料的粉料經(jīng)塑壓而成。優(yōu)點(diǎn)：耐磨性好，壽命長(zhǎng)，允許電刷接觸壓力很大。因此它在振動(dòng)、沖擊等惡劣環(huán)境下仍能可靠地工作。此外，其分辨率較高，線性度較好，阻值范圍大，能承受較大的功率。其缺點(diǎn)是阻值易受溫度和濕度影響，精度不易做得高。(4)導(dǎo)電玻璃釉電位器(又稱金屬陶瓷電位器):它以合金、金屬氧化物或難溶化合物等為導(dǎo)電材料，以玻璃釉粉為粘合劑，經(jīng)混合繞結(jié)在陶瓷或玻璃基體上制成，導(dǎo)電玻璃釉電位器耐高溫

5、，耐磨性好，阻值范圍較寬，電阻溫度系數(shù)小，且抗?jié)裥詮?qiáng)。其缺點(diǎn)是接觸電阻變化大，噪聲大，不易保證測(cè)量的高精度。（5）光電電位器式傳感器圖2-1光電電位器式傳感器結(jié)構(gòu)及原理圖1一基體；2電阻體；3一光電導(dǎo)層4一光束；5一導(dǎo)電電極這是一種非接觸式電位器，它用光束代替電刷，如圖所示。它由電阻體光電導(dǎo)層和導(dǎo)電極組成，光電電位器的制作過程是在基體上沉積一層磷化鎘或硒化鎘的光電導(dǎo)層，然后在光電導(dǎo)層上再沉積一條電阻體和一條導(dǎo)電電極。在電阻和導(dǎo)電極之問留有一條狹窄間隙。無(wú)光照時(shí)，電阻體和導(dǎo)電電極之間由于光電導(dǎo)層電阻很大而呈絕緣態(tài)。當(dāng)光束照在電阻體和導(dǎo)電電極的問隙上時(shí)，由于光電導(dǎo)層被照射部位的亮電阻很小，使電阻體

6、被照部位和導(dǎo)電電極導(dǎo)通，于是光電位器的輸出端就有電壓輸出，輸出電壓的大小與光束位移照射到的位置有關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)將光束位移轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。光電電位器的最大優(yōu)點(diǎn)是非接觸性、無(wú)摩擦，不會(huì)對(duì)傳感器系統(tǒng)帶來(lái)任何有害的摩擦力矩，從而提高了傳感器的精度、壽命、可靠性及分辨率。其缺點(diǎn)是線性度差，輸出阻抗較高，需配接高輸入阻抗放大器。盡管光電電位器有不少缺點(diǎn)，但其優(yōu)點(diǎn)是其他電位器所無(wú)法比擬的，因此在許多場(chǎng)合得到應(yīng)用。此外新型的電位器傳感器還有巨磁電阻型電位器等。新型的電位器除了角位移型外還有直線位移型等。五、電位器主要技術(shù)特性(1)最大阻值和最小阻值。電位器最大阻值指電位器的標(biāo)稱阻值，最小阻值又稱零阻值，因存

7、在接觸電阻，故最小阻值也就是電位器的接觸電阻。(2)阻值變化規(guī)律。為適應(yīng)不同的用途，電位器阻值變化規(guī)律也做成了不同形式。常用阻值變化規(guī)律為：直線式、指數(shù)式、對(duì)數(shù)式，如圖所示。X表示直線式，z為指數(shù)式，D為對(duì)數(shù)式。在位移線感器中大多使用直線式。(3)線性電位器的線性度。圖2-2常用阻值變化規(guī)律x圖2-3線性電位器特性曲線(4)滑動(dòng)噪聲:由于電位器電阻體電阻分配不當(dāng)，轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)配合不好及存在接觸電阻等原因,會(huì)使電位器的接觸電阻在移動(dòng)時(shí)，輸出端除有用的傳感信號(hào)外，還伴有隨傳感信號(hào)起伏不定的噪聲電壓，這就是滑動(dòng)噪聲?；瑒?dòng)噪聲會(huì)直接對(duì)測(cè)試結(jié)果帶來(lái)影響.2.2應(yīng)變片式電阻傳感器電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻

8、應(yīng)變效應(yīng)，將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的結(jié)構(gòu)型傳感器。電阻應(yīng)變片(計(jì))是電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)，電阻應(yīng)變片既可單獨(dú)作為傳感器使用，又能作為敏感元件結(jié)合彈性元件構(gòu)成力學(xué)量傳感器。利用電阻應(yīng)變效應(yīng)工作的應(yīng)變式力學(xué)量傳感器除了基于金屬材料應(yīng)變效應(yīng)工作的一類外，目前常用的還有基于半導(dǎo)體材料壓阻效應(yīng)的壓阻式傳感器。本章主要介紹金屬電阻應(yīng)變片的工作原理、特點(diǎn)、測(cè)量電路及典型應(yīng)變傳感器的應(yīng)用。一、金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和類型金屬電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)如圖2-4所示，它由蓋層、敏感柵、基底及引線四部分組成。敏感柵可由金屬絲、金屬箔制成，它是轉(zhuǎn)換元件，它被粘貼在基底上。用粘合劑粘

9、貼在傳感器彈性元件或試件上的應(yīng)變片通過基底把應(yīng)變傳遞到敏感柵上，同時(shí)基底起絕緣作用。蓋層起絕緣保護(hù)作用。焊接于敏感柵兩端的引線作連接測(cè)量導(dǎo)線之用。(a)絲式(b)箔式圖24應(yīng)變計(jì)(片)的結(jié)構(gòu)及組成l-敏感柵；2-基底；3-引線；4-蓋層；5-粘結(jié)劑常用金屬應(yīng)變片有：金屬絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片以及金屬薄膜應(yīng)變片等。金屬絲式應(yīng)變片的敏感柵由金屬絲繞制而成。金屬絲材料為電阻率大而電阻溫度系數(shù)小的材料。絲式應(yīng)變片的規(guī)格一般以使用面積(Lb)和敏感柵的電阻值來(lái)表示。阻值一般在501000歐范圍內(nèi)，常用的為120歐。箔式應(yīng)變片的敏感柵通過光刻、腐蝕等工藝制成，可根據(jù)需要制成任意形狀，具有表面積大、散熱性好

10、、允許電流大、便于成批生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。金屬薄膜應(yīng)變片是采用真空濺射或真空沉積的方法制成，它將可產(chǎn)生形變的金屬或合金直接沉積在彈性元件上而不用粘合劑。這樣應(yīng)變片的性能更好，靈敏度高。所謂薄膜指厚度在01微米以下的金屬膜。厚度在25微米左右的稱厚膜箔式應(yīng)變片即屬厚膜。二、金屬電阻應(yīng)變片工作原理金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)。導(dǎo)體的電阻隨著機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。設(shè)有一根圓截面的金屬電阻絲如圖2-5所示。其原始電阻為式中金屬絲的電阻率，；金屬絲長(zhǎng)，（）；金屬絲的橫截面積，；金屬絲直徑，。圖2-5金屬電阻絲受拉變形當(dāng)電阻絲受軸向力F作用被拉伸時(shí)，其阻值將發(fā)生變化。設(shè)此時(shí)電阻絲

11、伸長(zhǎng)了，截面積縮小了，直徑縮小了，電阻變化，對(duì)上式作全微分有因，而為金屬絲的徑向應(yīng)變，為軸向應(yīng)變。由材料力學(xué)知，式中材料的泊松系數(shù)。令電阻絲的靈敏系數(shù)為則有，的物理意義為：金屬電阻絲發(fā)生軸向應(yīng)變時(shí)，其電阻相對(duì)變化與其應(yīng)變的比值，也即單位應(yīng)變下的電阻變化率。主要取決于兩個(gè)因素：金屬絲的幾何尺寸變化(1十2)；導(dǎo)體受力后，材料電阻率發(fā)生變化。對(duì)金屬電阻絲材料來(lái)講，一般以幾何尺寸變化因素為主；而對(duì)半導(dǎo)體材料，則以電阻率變化因素為主，其靈敏系數(shù)也大許多。對(duì)大多數(shù)金屬電阻材料，在其彈性范圍內(nèi)，為常數(shù)，其值在26之間。三、應(yīng)變片的主要特性及參數(shù)電阻應(yīng)變片的工作特性指用數(shù)據(jù)或曲線表達(dá)的應(yīng)變片的性能和特點(diǎn)。應(yīng)

12、變片的主要參數(shù)是指能反映應(yīng)變片性能優(yōu)劣的指標(biāo)。實(shí)際上通過應(yīng)變片的主要參數(shù)就能得知其工作特性。(1)應(yīng)變片初始電阻值:指應(yīng)變片未貼前在室溫下測(cè)定的靜態(tài)電阻值。常見的有60、120、200、250、600和1000等類型。(2)靈敏系數(shù)是k:應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k值及其誤差一般以平均靈敏系數(shù)值及相應(yīng)均方根差表示：k=k。(3)允許工作電流:又稱最大工作電流，指允許通過應(yīng)變片而不影響其工作特性的最大電流值Imax.確定J一值是由多種因素綜合考慮的結(jié)果，一般由廠家提供。絲式應(yīng)變片通常規(guī)定為25mA，但對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量或使用箔式應(yīng)變片時(shí)可取得大一些。另外，選取值時(shí)還應(yīng)考慮被測(cè)構(gòu)件材料導(dǎo)熱性的好壞。(4)應(yīng)變極限l

13、im:應(yīng)變片所能測(cè)量的最大應(yīng)變值稱為應(yīng)變極限。一般認(rèn)為，在室溫條件下，指示應(yīng)變降低到試件的真實(shí)應(yīng)變的90時(shí)，應(yīng)變片就已開始失去工作能力，此時(shí)應(yīng)變片能測(cè)試應(yīng)變的最大值即應(yīng)變極限。(5)溫度效應(yīng)及熱輸出:應(yīng)變片粘貼到試件上，由于環(huán)境溫度變化的影響，將使電阻產(chǎn)生相對(duì)變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的溫度效應(yīng)。由溫度變化引起的應(yīng)變輸出稱為熱輸出。熱輸出t定義為：當(dāng)應(yīng)變片安裝在某一線膨脹系數(shù)的試件上，試件可自由膨脹，并不受外力作用，在緩慢升(或降)溫的均勻溫度場(chǎng)內(nèi)，由溫度變化引起的指示應(yīng)變。其表達(dá)式為式中(RR)應(yīng)變片由溫度所引起的總的電阻相對(duì)變化；應(yīng)變片的熱輸出(又稱虛假應(yīng)變)；k應(yīng)變片靈敏系數(shù)；敏感柵材料的

14、電阻溫度系數(shù)；試件材料的線膨脹系數(shù)，1；敏感柵材料的線膨脹系數(shù)，1/；t環(huán)境溫度變化量。欲使減小，則應(yīng)使值小，k值大，、接近或相等。實(shí)際中，溫度變化所引起的熱輸出較大，有時(shí)會(huì)超過被測(cè)量值而造成較大誤差。實(shí)際中常用的補(bǔ)償方法有兩種：橋路補(bǔ)償法，用于常溫下的測(cè)量；使用溫度有補(bǔ)償應(yīng)變片，用于高溫下的測(cè)量。四、電阻應(yīng)變片的選用和粘貼電阻應(yīng)變片的選用需根據(jù)使用的目的、要求、對(duì)象及環(huán)境條件等因素來(lái)選擇具體的類別和結(jié)構(gòu)型式及具體參數(shù)標(biāo)稱值。應(yīng)變片的使用性能，不僅取決于應(yīng)變片本身的質(zhì)量，還取決于對(duì)它的正確使用，對(duì)常用的粘貼式應(yīng)變片，粘貼質(zhì)量是關(guān)鍵。粘貼要求在選擇好粘結(jié)劑后按一定的工藝規(guī)程進(jìn)行操作。對(duì)粘貼質(zhì)量要

15、求較高的情況，可請(qǐng)專業(yè)人員來(lái)操作。五、應(yīng)變片測(cè)量電路電阻應(yīng)變片把機(jī)械應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換為RR后，由于應(yīng)變量及相應(yīng)電阻變化一般都很微小，難以直接精確測(cè)量，且不便處理。因此要采用轉(zhuǎn)換電路把應(yīng)變片的RR變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。其轉(zhuǎn)換電路常用測(cè)量電橋(直流電橋、交流電橋)。直流電橋的特點(diǎn)是信號(hào)不會(huì)受各元件和導(dǎo)線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強(qiáng)，但因機(jī)械應(yīng)變的輸出信號(hào)小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。如圖26所示為一直流供電的平衡電阻電橋。四個(gè)橋臂由組成，E為直流電源，接于A、C兩頂點(diǎn)，電橋從B、D兩頂點(diǎn)接線輸出。B當(dāng)電橋輸出端(B、D)接無(wú)窮大負(fù)載電阻(實(shí)際只要大到一定數(shù)值即可)時(shí)，可視輸出端為

16、開路，此時(shí)直流電橋稱為電壓橋，即只有電壓輸出。當(dāng)忽略電源E的內(nèi)阻時(shí)，由分壓原理有(2-1)當(dāng)滿足條件時(shí)，即電橋平衡。應(yīng)變片測(cè)量電橋在測(cè)量前使電橋平衡，從而使測(cè)量時(shí)電橋輸出電壓只與應(yīng)變片感受的應(yīng)變所引起的電阻變化有關(guān)。應(yīng)變片接人電橋通常有三種情況：(1)單臂工作:即只有一支應(yīng)變片接入電橋。設(shè)為接入的應(yīng)變片，測(cè)量時(shí)的變化為R，對(duì)半等臂臥式橋及全等臂橋，電橋輸出電壓為一般，所以又，則有，(2)半橋工作：即有兩只應(yīng)變片接入電橋。當(dāng)兩應(yīng)變片差動(dòng)工作時(shí)，若接入應(yīng)變片(即)，對(duì)臥式橋和全等臂橋有:(3)全橋工作：即四個(gè)橋臂電阻均為應(yīng)變片電阻。若差動(dòng)工作，即，則電橋輸出為:(4)設(shè)電橋初始平衡，四臂工作，各臂

17、應(yīng)變片電阻變化分別為，代入式(2-1),當(dāng)，I=l、2、3、4，略去二階微量后，對(duì)半等臂橋()和全等橋，對(duì)上式化簡(jiǎn)后可得:由上分析可知，直流電橋作應(yīng)變片測(cè)量電路，當(dāng)應(yīng)變片的電阻變化量時(shí)，電橋輸出電壓與其電阻的相對(duì)變化RR為線性關(guān)系，也即電橋輸出電壓與被測(cè)應(yīng)變成線性關(guān)系。在相同條件下(供電電源和應(yīng)變片型號(hào))，等臂電橋與臥式電橋相同，差動(dòng)工作比單臂工作輸出信號(hào)大，半橋差動(dòng)輸出為單臂輸出的2倍，全橋差動(dòng)輸出是單臂輸出的4倍。六、應(yīng)用（4345）（一）應(yīng)變式測(cè)力傳感器1、圓柱式力傳感器：、；、串接；橫向貼片作溫度補(bǔ)償。2、梁式傳感器：圖2-33。（二）應(yīng)變式壓力傳感器：測(cè)量流體壓力，有膜片式、筒式、組合式等結(jié)構(gòu)。圖2-34；（三）應(yīng)變式扭矩傳感器：將應(yīng)變片直接粘貼在被測(cè)軸上。圖2-35。（四）應(yīng)變式加速度傳感器：ma。圖2-36。本章要點(diǎn)、電位器式電阻傳感器線性電位器線性電位器的空載特性(公式2-1,2-2)位移