傳感器原理與技術(shù)2

第十四章電阻式傳感器1,電位器式傳感器2,應(yīng)變片式傳感器第一節(jié)電位器式傳感器電位器是一種常用的機(jī)電元件，廣泛應(yīng)用于各種電器和電子設(shè)備中。它主要是一種把機(jī)械的線位移或角位移輸入量轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件來使用。它們主要用于測量壓力、高度、加速度、航面角等各種參數(shù)。電位器式傳感器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、精度高、輸出信號大、性能穩(wěn)定并容易實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)。其缺點(diǎn)是要求輸入能量大，電刷與電阻元件之間容易磨損。電位器的種類很多，按其結(jié)構(gòu)形式不同，可分為線繞式、薄膜式、光電式等；按特性不同，可分為線性電位器和非線性電位器。目前常用的以單圈線繞電位器居多。線性線繞電位器工作原理電位器式傳感器的應(yīng)用第二節(jié)應(yīng)變片式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器,傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。當(dāng)被測物理量作用在彈性元件上時,彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化,通過轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出,電量變化的大小反映了被測物理量的大小。應(yīng)變式電阻傳感器是目前測量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)應(yīng)用最廣泛的傳感器。應(yīng)變----物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象彈性應(yīng)變----當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變1,工作原理應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會產(chǎn)生機(jī)械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)。如圖所示,一根金屬電阻絲,在其未受力時,原始電阻值為

R=ρ*L/s式中:ρ——電阻絲的電阻率;L——電阻絲的長度;S——電阻絲的截面積。當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時,將伸長ΔL,橫截面積相應(yīng)減小ΔS,電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變Δρ,故引起電阻值相對變化量為式中ΔL/L是長度相對變化量,用應(yīng)變ε表示ΔS/S為圓形電阻絲的截面積相對變化量,即由材料力學(xué)可知,在彈性范圍內(nèi),金屬絲受拉力時,沿軸向伸長,沿徑向縮短,那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為式中:μ——電阻絲材料的泊松比,負(fù)號表示應(yīng)變方向相反。對金屬材料電阻絲來說,靈敏度系數(shù)表達(dá)式中（1+2μ）的值要比（Δρ/ρ）大得多。用應(yīng)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時,根據(jù)上述特點(diǎn),在外力作用下,被測對象產(chǎn)生微小機(jī)械變形,應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化,同時應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測得應(yīng)變片電阻值變化量ΔR時,便可得到被測對象的應(yīng)變值。根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系,得到應(yīng)力值σ為

σ=E·ε

式中:σ——試件的應(yīng)力;ε——試件的應(yīng)變;E——試件材料的彈性模量。

由此可知,應(yīng)力值σ正比于應(yīng)變ε,而試件應(yīng)變ε正比于電阻值的變化,所以應(yīng)力σ正比于電阻值的變化,這就是利用應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理。2，應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)金屬應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成,如圖

所示。

敏感柵是應(yīng)變片的核心部分,它粘貼在絕緣的基片上,其上再粘貼起保護(hù)作用的覆蓋層,兩端焊接引出導(dǎo)線。金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵有絲式、箔式和薄膜式三種。3，應(yīng)變片式傳感器的主要參數(shù)α，靈敏度系數(shù)單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏度系數(shù)。其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量,其表達(dá)式為大量實(shí)驗(yàn)證明,在電阻絲拉伸極限內(nèi),電阻的相對變化與應(yīng)變成正比,即K為常數(shù)。β，橫向效應(yīng)

敏感柵由許多直線及圓角組成,如圖所示。拉伸被測試件時,粘貼在試件上的應(yīng)變計,被沿應(yīng)變計長度方向拉伸,產(chǎn)生縱向拉伸應(yīng)變εx,應(yīng)變計直線段電阻將增加。但是在圓弧段上,沿各微段（圓弧的切向）的應(yīng)變并不是εx,與直線段上同樣長的微段所產(chǎn)生的電阻變化不同。因此,將同樣長的金屬線材做成敏感柵后,對同樣應(yīng)變,應(yīng)變計敏感柵的電阻變化較小,靈敏度有所降低。這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變計的橫向效應(yīng)。其它參數(shù)γ，線性度：試件的應(yīng)變ε和電阻的相對變化ΔR/R,在理論上呈線性關(guān)系。但實(shí)際上,在大應(yīng)變時,會出現(xiàn)非線性關(guān)系。φ，應(yīng)變極限：粘貼在試件上的應(yīng)變計所能測量的最大應(yīng)變值稱為應(yīng)變極限。ξ，機(jī)械滯后：應(yīng)變計加載和卸載特性曲線的最大差值δ稱為應(yīng)變計的機(jī)械滯后值。還有疲勞壽命、零漂和蠕變、最大工作電流等參數(shù)。應(yīng)變片主要性能指標(biāo)舉例例：已知一應(yīng)變片的初始電阻R=120，靈敏度系數(shù)K=2，軸向應(yīng)變=1‰時，求：該應(yīng)變片電阻的絕對變化量。

解：根據(jù)應(yīng)變片靈敏度的計算公式dR/R=K，可得dR=RK

=120*2*0.001=0.24Ω4，電阻應(yīng)變片的測量電路直流電橋當(dāng)電橋平衡時，Uo=0，則有R1R4=R2R3電橋平衡條件：欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，或相對兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。5，應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償I，應(yīng)變片的溫度誤差由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差,稱為應(yīng)變片的溫度誤差。產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要因素有:?，電阻溫度系數(shù)的影響?，試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響II，電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有電路補(bǔ)償法和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。1、自補(bǔ)償法單絲自補(bǔ)償法合理選擇敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)α0、靈敏系數(shù)K0和線膨脹系數(shù)βs組合式自補(bǔ)償法2，電路補(bǔ)償方法α，電橋補(bǔ)償法β，差動電橋補(bǔ)償法測量應(yīng)變時,工作應(yīng)變片R1粘貼在被測試件表面上,補(bǔ)償應(yīng)變片RB粘貼在與被測試件材料完全相同的補(bǔ)償塊上,且僅工作應(yīng)變片承受應(yīng)變。如圖所示。?單臂電橋1）電橋平衡條件2）電壓靈敏度電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓3）電橋的非線性誤差?差動電橋?yàn)榱藴p小和克服非線性誤差,常采用差動電橋如圖所示,在試件上安裝兩個工作應(yīng)