電阻式傳感器性能測(cè)試及應(yīng)用

1、電阻式傳感器性能測(cè)試及應(yīng)用第1頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)10分，星期五電阻式傳感器性能測(cè)試及應(yīng)用傳感器簡(jiǎn)介傳感器工作原理實(shí)驗(yàn)電路電子秤設(shè)計(jì)山西大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心第2頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)10分，星期五第3頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)10分，星期五 傳感器指能感知某一非電量的信息，并能將之轉(zhuǎn)化為可加以利用的信息的裝置。或者說(shuō)是將被測(cè)非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量信號(hào)輸出的器件或裝置。傳感器技術(shù)（也可以說(shuō)是測(cè)量技術(shù)),也就是對(duì)一些非電量如:壓力、力矩、應(yīng)變、位移、速度、溫度、流量、液位、重量等進(jìn)行檢測(cè)，在現(xiàn)代化的自動(dòng)檢測(cè)、遙控和自動(dòng)控制系統(tǒng)

2、中，這是必不可少的部分，如果缺少了傳感器技術(shù)，自動(dòng)化將無(wú)從談起。第4頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)10分，星期五 傳感器好比人的五官，人通過(guò)五官即：眼（視覺(jué)）、耳（聽(tīng)覺(jué)）、鼻（嗅覺(jué)）、舌（味覺(jué)）、四肢身體（觸覺(jué)）感知和接收外界的信息，然后通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)傳輸給大腦進(jìn)行加工處理。傳感器則是一個(gè)控制系統(tǒng)的“電五官”，它感測(cè)到外界的信息，然后反饋給系統(tǒng)的處理器即“電腦”進(jìn)行加工處理。如果一個(gè)控制系統(tǒng)沒(méi)有傳感器，就象一個(gè)人沒(méi)有五官，其結(jié)果是可想而知的。第5頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)10分，星期五 傳感器一般是利用物理、化學(xué)、生物等的某些效應(yīng)或原理按照一定的制造工藝研制的。通常由

3、敏感元件、傳感元件（轉(zhuǎn)換元件）、測(cè)量電路（信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路）和輔助電源幾部分組成。敏感元件傳感元件測(cè)量電路輔助電源 傳感器組成框圖被測(cè)非電量電量第6頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)10分，星期五 敏感元件能直接感受被測(cè)非電量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測(cè)非電量有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的其它物理量（一般仍為非電量）。 電阻應(yīng)變片是與彈性膜固連在一起的，彈性膜片的應(yīng)變傳遞給電阻應(yīng)變片，引起電阻應(yīng)變片電阻值的變化，也就是說(shuō)電阻應(yīng)變片能將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化，所以電阻應(yīng)變片就是傳感元件。 傳感元件又稱(chēng)變換器，能將敏感元件感測(cè)受到的非電量變換成為電量。第7頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)10分，

4、星期五電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理 電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻材料的應(yīng)變效應(yīng)，將工程結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，此類(lèi)傳感器主要是在彈性元件上通過(guò)特定工藝粘貼電阻應(yīng)變片來(lái)組成。通過(guò)一定的機(jī)械裝置將被測(cè)量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形，然后由電阻應(yīng)變片將變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再通過(guò)測(cè)量電路進(jìn)一步將電阻的改變轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)輸出。可用于能轉(zhuǎn)化成變形的各種非電物理量的檢測(cè)，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機(jī)械加工、計(jì)量、建筑測(cè)量等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。1. 電阻應(yīng)變效應(yīng) 所謂電阻應(yīng)變效應(yīng)是指具有規(guī)則外形的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變的同時(shí)其電阻值也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)地改變，這一物理現(xiàn)象稱(chēng)為

5、“電阻應(yīng)變效應(yīng)”。以圓柱形導(dǎo)體為例：設(shè)其長(zhǎng)為：L、半徑為r、材料的電阻率為時(shí)其電阻R為（根據(jù)電阻的定義式） （11）當(dāng)導(dǎo)體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其長(zhǎng)度L、截面積A和電阻率的變化為dL、dA、d相應(yīng)的電阻變化為dR。對(duì)式（11）全微分得電阻變化率dR/R為：第8頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)10分，星期五 （12）式中： 為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變量L； 為導(dǎo)體的橫向應(yīng)變量r；由材料力學(xué)得： （13）式中：為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為0.30.5左右；負(fù)號(hào)表示兩者的變化方向相反。將式（13）代入式（12）得： （14） 式（14）說(shuō)明電阻應(yīng)變效應(yīng)主要取決于它的幾何應(yīng)變（幾何效應(yīng)）和

6、本身特有的導(dǎo)電性能（壓阻效應(yīng)）。2.應(yīng)變靈敏度它是指電阻應(yīng)變片在單位應(yīng)變作用下所產(chǎn)生的電阻的相對(duì)變化量。 金屬導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度K：主要取決于其幾何效應(yīng)；可取 ： （15）其靈敏度系數(shù)為： K= （16）金屬導(dǎo)體在受到應(yīng)變作用時(shí)將產(chǎn)生電阻的變化，拉伸時(shí)電阻增大，壓縮時(shí)電阻減小，且與其軸向應(yīng)變成正比。 第9頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)10分，星期五3.基本結(jié)構(gòu) 電阻應(yīng)變式傳感器主要有四個(gè)部分組成，如圖1.1所示：1，引出線，作為連接測(cè)量導(dǎo)線用，對(duì)測(cè)量精度至關(guān)重要；2，電阻絲也叫敏感柵，是應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換元件，是這類(lèi)傳感器的核心構(gòu)件；3，粘結(jié)劑，它的作用是將電阻絲與基底粘貼在一起；4，基底

7、，基底是將傳感器彈性體的應(yīng)變傳送到敏感柵上的中間介質(zhì)，并起到在電阻絲和彈性體之間的絕緣作用和保護(hù)作用；5，面膠或叫覆蓋層，是一層薄膜，起到保護(hù)敏感柵的作用；4.測(cè)量電路 為了將電阻應(yīng)變式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)，在應(yīng)用中一般采用電橋電路作為其測(cè)量電路。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、測(cè)量范圍寬、線性度好且易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。能較好地滿(mǎn)足各種應(yīng)變測(cè)量要求，因此在應(yīng)變測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。 電橋電路按輔助電源分有直流電橋和交流電橋，由于直流電橋的輸出信號(hào)在進(jìn)一步放大時(shí)易產(chǎn)生零漂，故交流電橋的應(yīng)用更為廣泛。直流電橋只用于較大應(yīng)變的測(cè)量，交流電橋可用于各種應(yīng)變的測(cè)量。 電橋電路按其工作

8、方式分有單臂、雙臂和全橋三種?；倦娐啡鐖D1.2所示。 第10頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)10分，星期五第11頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)10分，星期五 電阻應(yīng)變式傳感器性能測(cè)試原理 根據(jù)電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理，利用CSY998型傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)提供的設(shè)備來(lái)進(jìn)行測(cè)試?；驹砣鐖D1.3所示，圖中R1、R2、R3為普通電阻，R4為應(yīng)變電阻；RD和r組成調(diào)零電位器，采用4V直流穩(wěn)壓電源。 實(shí)驗(yàn)臺(tái)有一應(yīng)變梁，梁上貼有應(yīng)變片，并有一個(gè)放砝碼的托盤(pán)，通過(guò)加砝碼來(lái)改變梁的應(yīng)變，再由測(cè)量電路將梁的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)經(jīng)差動(dòng)放大器放大后送入直流電壓表顯示。由于梁的應(yīng)變非常小，故需使用

9、差放來(lái)放大，為使放大器工作穩(wěn)定，減少零漂，可采用交流電橋，以得到更好的檢測(cè)效果。通過(guò)砝碼重量（每個(gè)砝碼重為20 g）可對(duì)其標(biāo)定，測(cè)試出它的線性范圍，并標(biāo)出其單位：mV/g；例如：測(cè)出放置1個(gè)砝碼時(shí)的電壓輸出為5 mV（可進(jìn)行調(diào)整），2個(gè)砝碼時(shí)的電壓輸出為10 mV，等等；就可算出其標(biāo)定值為0.25 mV/g。 第12頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)10分，星期五所用儀器設(shè)備介紹 本次實(shí)驗(yàn)用到的儀器設(shè)備主要應(yīng)變電橋、差動(dòng)放大器、直流穩(wěn)壓電源及液晶電壓表等四種。應(yīng)變電橋作為一個(gè)電路模塊，由四個(gè)5.1K的電阻和一個(gè)調(diào)零電位器組成；原理如圖1.4所示；電位器W1和W2用于電橋調(diào)零，電容C用于

10、交流電路中。 差動(dòng)放大器也是一個(gè)電路模塊，它是由集成運(yùn)算放大器組成的增益可調(diào)的交直流放大器。差動(dòng)放大器就其功能來(lái)說(shuō)，是放大兩個(gè)輸入信號(hào)之差。由于它在電路和性能方面有著許多的優(yōu)點(diǎn)，因此成為集成運(yùn)放的主要組成單元。此差動(dòng)放大器模塊主要由運(yùn)放A741組成，它的電路原理如圖1.5所示：第13頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)10分，星期五 從電路圖中可以看出此差動(dòng)放大器模塊主要由三部分組成：一是信號(hào)的輸入輸出部分；二是零點(diǎn)調(diào)節(jié)部分:當(dāng)一個(gè)理想運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端輸入相同的電壓或直接接地時(shí)，其輸出電壓應(yīng)為零，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)卻不為零，因此需要通過(guò)調(diào)零電路來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)，即通過(guò)調(diào)節(jié)W1的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。調(diào)

11、零的原理是將運(yùn)放的輸入端外加一個(gè)補(bǔ)償電壓，以抵消運(yùn)算放大器本身的失調(diào)電壓，達(dá)到調(diào)零的目的；三是增益部分。當(dāng)運(yùn)算放大器的反相端和同相端分別輸入信號(hào)V1和V2時(shí)，則輸出端電壓：VoRFV1/R1（1RF/R1）（R3/（R2R3）V2； 其中RFR4W2。由于RF為R4W2之和，所以隨著W2的改變將有不同的增益表現(xiàn).。此模塊的具體使用方法如下： 1將輸入端“Vi1”和“Vi2”通過(guò)連接線同地相接，其輸出端“Vo” 接到電壓表的輸入端； 2接通實(shí)驗(yàn)臺(tái)的總電源，觀察電壓表上顯示的數(shù)字，如果不能持續(xù)保持“0”數(shù)字，則需通過(guò)對(duì)W1進(jìn)行順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蚣?xì)致地旋轉(zhuǎn)來(lái)使輸出為零； 通過(guò)上述的步驟之后，差動(dòng)放大

12、器的初始調(diào)零工作就結(jié)束了，但是放大倍數(shù)旋鈕W2要預(yù)先按要求旋至合適的位置上。電壓表也直接做在實(shí)訓(xùn)臺(tái)面板上，使用時(shí)應(yīng)注意被測(cè)量電壓不能大于它的量程，否則顯示會(huì)溢出。 第14頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)10分，星期五電阻應(yīng)變片的應(yīng)用 電子秤重裝置的設(shè)計(jì) 本次所設(shè)計(jì)的稱(chēng)重裝置要求達(dá)到的稱(chēng)重精度為0.1克，稱(chēng)重范圍為10克1000克。同學(xué)們可根據(jù)測(cè)量要求自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案。方案最好以YLCG實(shí)訓(xùn)臺(tái)為依托，盡量少采用其它的元器件、電路模塊或設(shè)備，這樣便于更方便地實(shí)施。這里給出兩種方案供參考：方案一是建立在實(shí)訓(xùn)一的基礎(chǔ)上，產(chǎn)用一個(gè)測(cè)量應(yīng)變片來(lái)進(jìn)行檢測(cè)；此方案簡(jiǎn)單易行，所用模塊少，但精度較低，不一定能滿(mǎn)足測(cè)量要求；方案二是建立在實(shí)訓(xùn)二的基礎(chǔ)上，產(chǎn)用交流全橋測(cè)量電路，用到四個(gè)電阻應(yīng)變片。可以獲得較高的測(cè)量精度和足夠的測(cè)量范圍；但所用電路模塊較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較困難。 第15頁(yè)，共17頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)10分，星期五思