電阻式傳感器性能測試及應(yīng)用

電阻式傳感器性能測試及應(yīng)用第1頁，共17頁，2023年，2月20日，星期二電阻式傳感器性能測試及應(yīng)用傳感器簡介傳感器工作原理實驗電路電子秤設(shè)計山西大學(xué)物理實驗中心第2頁，共17頁，2023年，2月20日，星期二第3頁，共17頁，2023年，2月20日，星期二

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?；蛘哒f是將被測非電量信號轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電量信號輸出的器件或裝置。傳感器技術(shù)（也可以說是測量技術(shù)),也就是對一些非電量如: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，在現(xiàn)代化的自動檢測、遙控和自動控制系統(tǒng)中，這是必不可少的部分，如果缺少了傳感器技術(shù)，自動化將無從談起。第4頁，共17頁，2023年，2月20日，星期二

傳感器好比人的五官，人通過五官即：眼（視覺）、耳（聽覺）、鼻（嗅覺）、舌（味覺）、四肢身體（觸覺）感知和接收外界的信息，然后通過神經(jīng)系統(tǒng)傳輸給大腦進(jìn)行加工處理。傳感器則是一個控制系統(tǒng)的“電五官”，它感測到外界的信息，然后反饋給系統(tǒng)的處理器即“電腦”進(jìn)行加工處理。如果一個控制系統(tǒng)沒有傳感器，就象一個人沒有五官，其結(jié)果是可想而知的。第5頁，共17頁，2023年，2月20日，星期二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。通常由敏感元件、傳感元件（轉(zhuǎn)換元件）、測量電路（信號調(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量電路輔助電源傳感器組成框圖被測非電量電量第6頁，共17頁，2023年，2月20日，星期二

敏感元件能直接感受被測非電量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測非電量有確定對應(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。

傳感元件又稱變換器，能將敏感元件感測受到的非電量變換成為電量。第7頁，共17頁，2023年，2月20日，星期二電阻應(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，此類傳感器主要是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應(yīng)變片來組成。通過一定的機(jī)械裝置將被測量轉(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，再通過測量電路進(jìn)一步將電阻的改變轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號輸出。可用于能轉(zhuǎn)化成變形的各種非電物理量的檢測，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機(jī)械加工、計量、建筑測量等行業(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)變的同時其電阻值也會產(chǎn)生相應(yīng)地改變，這一物理現(xiàn)象稱為“電阻應(yīng)變效應(yīng)”。以圓柱形導(dǎo)體為例：設(shè)其長為：L、半徑為r、材料的電阻率為ρ時其電阻R為（根據(jù)電阻的定義式）（1—1）當(dāng)導(dǎo)體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)變時，其長度L、截面積A和電阻率ρ的變化為dL、dA、dρ相應(yīng)的電阻變化為dR。對式（1—1）全微分得電阻變化率dR/R為：第8頁，共17頁，2023年，2月20日，星期二（1—2）式中：為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變量εL；為導(dǎo)體的橫向應(yīng)變量εr；由材料力學(xué)得：（1—3）式中：μ為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為0.3～0.5左右；負(fù)號表示兩者的變化方向相反。將式（1—3）代入式（1—2）得：

（1—4）

式（1—4）說明電阻應(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?。海?—5）其靈敏度系數(shù)為：K=（1—6）金屬導(dǎo)體在受到應(yīng)變作用時將產(chǎn)生電阻的變化，拉伸時電阻增大，壓縮時電阻減小，且與其軸向應(yīng)變成正比。第9頁，共17頁，2023年，2月20日，星期二3.基本結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變式傳感器主要有四個部分組成，如圖1.1所示：1，引出線，作為連接測量導(dǎo)線用，對測量精度至關(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，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，在應(yīng)用中一般采用電橋電路作為其測量電路。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、測量范圍寬、線性度好且易實現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點。能較好地滿足各種應(yīng)變測量要求，因此在應(yīng)變測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在進(jìn)一步放大時易產(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)變的測量，交流電橋可用于各種應(yīng)變的測量。電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種。基本電路如圖1.2所示。

第10頁，共17頁，2023年，2月20日，星期二第11頁，共17頁，2023年，2月20日，星期二

電阻應(yīng)變式傳感器性能測試原理

根據(jù)電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理，利用CSY—998型傳感器實驗臺提供的設(shè)備來進(jìn)行測試?；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。實驗臺有一應(yīng)變梁，梁上貼有應(yīng)變片，并有一個放砝碼的托盤，通過加砝碼來改變梁的應(yīng)變，再由測量電路將梁的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電壓信號經(jīng)差動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，故需使用差放來放大，為使放大器工作穩(wěn)定，減少零漂，可采用交流電橋，以得到更好的檢測效果。通過砝碼重量（每個砝碼重為20g）可對其標(biāo)定，測試出它的線性范圍，并標(biāo)出其單位：mV/g；例如：測出放置1個砝碼時的電壓輸出為5mV（可進(jìn)行調(diào)整），2個砝碼時的電壓輸出為10mV，等等；就可算出其標(biāo)定值為0.25mV/g。

第12頁，共17頁，2023年，2月20日，星期二所用儀器設(shè)備介紹

本次實驗用到的儀器設(shè)備主要應(yīng)變電橋、差動放大器、直流穩(wěn)壓電源及液晶電壓表等四種。應(yīng)變電橋作為一個電路模塊，由四個5.1K的電阻和一個調(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用于交流電路中。差動放大器也是一個電路模塊，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。差動放大器就其功能來說，是放大兩個輸入信號之差。由于它在電路和性能方面有著許多的優(yōu)點，因此成為集成運(yùn)放的主要組成單元。此差動放大器模塊主要由運(yùn)放μA741組成，它的電路原理如圖1.5所示：第13頁，共17頁，2023年，2月20日，星期二

從電路圖中可以看出此差動放大器模塊主要由三部分組成：一是信號的輸入輸出部分；二是零點調(diào)節(jié)部分:當(dāng)一個理想運(yùn)算放大器的兩個輸入端輸入相同的電壓或直接接地時，其輸出電壓應(yīng)為零，但在實際應(yīng)用時卻不為零，因此需要通過調(diào)零電路來進(jìn)行校準(zhǔn)，即通過調(diào)節(jié)W1的大小來實現(xiàn)。調(diào)零的原理是將運(yùn)放的輸入端外加一個補(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V1和V2時，則輸出端電壓：Vo＝－RF?V1/R1＋（1＋RF/R1）（R3/（R2＋R3））?V2；其中RF＝R4＋W2。由于RF為R4＋W2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．接通實驗臺的總電源，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，則需通過對W1進(jìn)行順時針或逆時針方向細(xì)致地旋轉(zhuǎn)來使輸出為零；通過上述的步驟之后，差動放大器的初始調(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訓(xùn)臺面板上，使用時應(yīng)注意被測量電壓不能大于它的量程，否則顯示會溢出。

第14頁，共17頁，2023年，2月20日，星期二電阻應(yīng)變片的應(yīng)用

——電子秤重裝置的設(shè)計

本次所設(shè)計的稱重裝置要求達(dá)到的稱重精度為0.1克，稱重范圍為10克——1000克。同學(xué)們可根據(jù)測量要求自行設(shè)計實現(xiàn)方案。方案最好以YL—CG實訓(xùn)臺為依托，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施。這里給出兩種方案供參考：方案一是建立在實訓(xùn)一的基礎(chǔ)上，產(chǎn)用一個測量應(yīng)變片來進(jìn)行檢測；此方案簡單易行，所用模塊少，但精度較低，不一定能滿足測量要求；方案二是建立在實訓(xùn)二的基礎(chǔ)上，產(chǎn)用交流全橋測量電路，用到四個電阻應(yīng)變片?？梢垣@得較高的測量精度和足夠的測量范圍；但所用電路模塊較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，實現(xiàn)起來較困難。

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