4、电阻式传感器.ppt

实用传感器样品举例,传感器实际产品(1/7),传感器实际产品(2/7),传感器实际产品(3/7),传感器实际产品(4/7),传感器实际产品(5/7),传感器实际产品(6/7),传感器实际产品(7/7),部分实物,第四章电阻式传感器,第四章电阻式传感器,第四章电阻传感器,电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。,按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、压阻式等。,电阻传感器常用来测量位移、力、压力、应变、扭矩和加速度等非电量。,第四章电阻式传感器,第四章电阻式传感器,4-1应变式传感器,结论：金属丝受拉时，l变长、r变小，导致r变大。,第四章电阻式传感器,第四章电阻式传感器,设一根长为l，截面积为s，电阻率为的电阻丝，其电阻值r为：,导线两端受到力f作用时,第四章电阻式传感器,将上式取全微分，则引起电阻值变化dr：,因,，,由材料力学可知：（径向变化）,，式中,泊松比,表示电阻丝轴向的相对变化，也就是应变。,电阻值的相对变化：,第四章电阻式传感器,令,则,k0金属电阻丝的相对灵敏度系数：单位应变引起的电阻相对变化。,金属电阻丝的相对灵敏度系数受两个因素影响：（1）受力后材料的几何尺寸变化所引起的；即（2）受力后材料的电阻率发生变化引起的；即,项,项,第四章电阻式传感器,第四章电阻式传感器,敏感栅由很细的电阻丝（0.010.05mm）或箔式金属片（厚度为310m）组成。,敏感栅常用下列材料制成：（1）康铜（铜镍合金）：最常用；（2）镍鉻合金：多用于动态；（3）镍鉻铝合金：作中、高温应变片；（4）镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片；（5）铂及铂合金：高温动态应变测量。,第四章电阻式传感器,第四章电阻式传感器,1、电阻应变片的灵敏度系数定义为：,（电阻丝应变片存在横向效应）,第四章电阻式传感器,图4放大的栅状电阻应变片及弯角部分示意图,纵向应变造成电阻增加，横向应变造成电阻减少。,2、横向效应,第四章电阻式传感器,经推导得：,n直线部分栅丝的数目；n-1弯角部分的个数。,可见，即应变片存在横向效应使应变片的灵敏度系数小于电阻丝的应变灵敏度系数。,第四章电阻式传感器,小结,金属丝式应变片使用最早，但由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。,箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，能将温度影响减小到最小的程度，适合于大批量生产。,为安全起见，要求金属材料的轴向应变最好不要大于110-3。,即：要求其机械应变小,第四章电阻式传感器,应变电阻式传感器的主要优点是：1、电阻变化率与应变可以保持很好的线性关系；2、尺寸小，重量轻，因此在测试时对试件的工作状态及应力分布影响较小。3、测量范围广，一般可测12到数千;4、频率响应好，一般金属电阻应变式传感器的响应时间为10-7s，所以可以进行几十hz甚至上百hz的动态测量；5、采取适当措施后，可在一些恶劣环境下正常工作，如可从真空状态到数千大气压；可从接近作对零度到1000；也可以在有强烈震动、强磁场、化学腐蚀及放射性的场合工作；,第四章电阻式传感器,主要缺点是：在大应变状态下，具有较大的非线性，输出信号较小，故抗干扰问题突出，不适用于1000以上的高温状况下工作,第四章电阻式传感器,由于机械应变一般都很小,那么考虑,通常采用直流电桥和交流电桥。,提出问题？,三、电阻应变片的测量转换电路,要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来；,同时要把电阻相对变化r/r转换为电压或电流的变化。,应该采用什么测量转换电路？,回答,第四章电阻式传感器,1.直流电桥,由四个桥臂r1、r2、r3及r4和一个供桥电源u组成。,电路特点：,当被测量无变化，四桥臂满足一定的关系，输出为零；当被测量发生变化时，测量电桥平衡被破坏，有电压输出。,电路组成,其中，rl为负载电阻uo为电桥输出电压。,第四章电阻式传感器,第四章电阻式传感器,a.直流电桥,a.电桥平衡条件,当电桥平衡时,uo=0,则有：,r1r4=r2r3,欲使电桥平衡,其相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积相等。,电桥平衡条件,结论：,或,第四章电阻式传感器,分析：,b.电压灵敏度,（1）,r2,r3,r4为电桥固定电阻,这就构成了单臂电桥。,r1为电阻应变片,第四章电阻式传感器,（2）当r1产生应变时,若应变片电阻变化为r1，其它桥臂固定不变，电桥输出电压uo0,分析：,b.电压灵敏度,电桥不平衡输出电压为:,设桥臂比n=r2/r1,考虑到平衡条件r2/r1=r4/r3,且r1/r1很小可忽略,电桥电压灵敏度定义为：,分析：,b.电压灵敏度,电桥不平衡输出电压为:,第四章电阻式传感器,第四章电阻式传感器,电桥电压灵敏度ku=ku(n)，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。,分析可知：,电桥电压灵敏度,电桥电压灵敏度ku正比于电桥供电电压u,提出问题？,当u值确定后,n值取何值时使ku最高？,但供电电压u的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择;,uku,当dku/dn=0时，求ku的最大值。,即：在电桥电压确定后,当r1=r2=r3=r4时,电桥电压灵敏度最高,此时有,解决办法：,求得n=1时,ku为最大值,当电桥电压u和电阻相对变化量r1/r1一定时,电桥的输出电压及其灵敏度也是定值,且与各桥臂电阻阻值大小无关。,结论：,第四章电阻式传感器,上节回顾,传感器的动态特性一阶传感器：时间常数、灵敏度二阶传感器:时间常数、灵敏度、阻尼比电阻式传感器应变式：原理灵敏度转换电路：,c.非线性误差及其补偿方法,理想值,实际值,非线性误差,如果是四等臂电桥,r1=r2=r3=r4,则,提出问题？,非线性误差是否能满足测量要求？,第四章电阻式传感器,讨论：非线性误差是否能满足测量要求？,对于一般应变片来说，所受应变通常在510-3以下。,（1）若取k=2,则r1/r1=k=0.01,代入上式计算得非线性误差为0.5%;,（2）若k=130,=10-3时,r1/r1=0.130,则得到非线性误差为6%。,结论：k较小时，非线性误差能满足测量要求；当k到某值时，非线性误差已不能满足测量要求。,必须予以减小和克服非线性误差。,如何解决？,第四章电阻式传感器,解决办法：（1）差动电桥,即：在试件上安装两个工作应变片,一个受拉应变,一个受压应变,接入电桥相邻桥臂,称为半桥差动电路。,第四章电阻式传感器,单臂电桥,双臂电桥,（半桥式）,第四章电阻式传感器,解决办法：（1）差动电桥,即：在试件上安装两个工作应变片,一个受拉应变,一个受压应变,接入电桥相邻桥臂,称为半桥差动电路。,该电桥输出电压为,第四章电阻式传感器,解决办法：（1）差动电桥,呈线性关系；,无非线性误差；,电桥电压灵敏度k=u/2,比单臂工作时提高一倍。,结论：,第四章电阻式传感器,解决办法：（2）恒流源电桥,非线性误差减少，但不能消除，一般用于半导体应变片中。见教科书p30。,应变片r1工作时,其电阻值变化很小，即：r1很小,电桥相应输出电压也很小，即：uo很小,所以，一般需要加入放大器放大。,（1）考虑：,d.存在的不足,第四章电阻式传感器,第四章电阻式传感器,（2）由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多,所以此时仍视电桥为开路情况，uo基本不变。,即：,d.存在的不足,存在零点漂移,问题:为什么直流放大器容易零漂？,第四章电阻式传感器,b.交流电桥,根据直流电桥分析可知,由于应变电桥输出电压很小,一般都要加放大器,而直流放大器易于产生零漂,因此应变电桥多采用交流电桥。,z1,z2,z3,z4,由于供桥电源为交流电源,引线分布电容使得桥臂应变片呈现复阻抗特性。,a.电路特点,b.交流电桥,根据直流电桥分析可知,由于应变电桥输出电压很小,一般都要加放大器,而直流放大器易于产生零漂,因此应变电桥多采用交流电桥。,由于供桥电源为交流电源,引线分布电容使得桥臂应变片呈现复阻抗特性。,即相当于二只应变片各并联了一个电容,则每一桥臂上复阻抗分别为：,a.电路特点,第四章电阻式传感器,第四章电阻式传感器,b.交流电桥,由交流电路分析可得,z1z4=z2z3,a.平衡条件,其实部、虚部分别相等,并整理可得:,第四章电阻式传感器,b.交流电桥,电阻平衡条件,电容平衡条件,交流电桥的平衡条件:,其实部、虚部分别相等,并整理可得:,即要满足电阻平衡条件，还要满足电容平衡条件。,理想情况下，即应变片的输出电阻是应变的一元函数；但实际上应变片输出电阻还和温度有关，即。,第四章电阻式传感器,四、温度误差及其补偿,温度变化引起电阻变化的原因主要有两点：,第四章电阻式传感器,（1）电阻丝电阻本身就是温度的函数。,（2）试件材料与应变片材料热膨胀系数不同,产生附加变形而引起电阻的变化，其电阻增量表达式为：,温度变化引起电阻变化的原因主要有两点：,第四章电阻式传感器,（1）敏感栅电阻丝电阻本身就是温度的函数。,（2）试件材料与应变片材料热膨胀系数不同,产生附加变形而引起电阻的变化，其电阻增量表达式为：,式中t（1/）为敏感栅材料电阻温度系数；,式中k应变片灵敏系数；g试件膨胀系数（1/）；s应变片敏感栅材料的膨胀系数（1/）；,第四章电阻式传感器,温度补偿的方法,（1）单丝自补偿法（2）组合式自补偿法（3）电桥补偿法（电路实现）。,1、应变片自补偿法,第四章电阻式传感器,单丝自补偿法：,单丝自补偿法：选择材料：(r/r)t=0制造简单、使用方便-用于设计过程,双丝自补偿法：应变片由两个电阻丝(ra,rb)串联，电阻温度系数一正一负，抵消,用于单个选定的试件，缺乏通用性,第四章电阻式传感器,第四章电阻式传感器,初始电阻。,放于试件上，并承受应变,电桥补偿法：,工作应变片：,电阻变化由两部分组成：一是温度，一是应变,放于试件上，不承受应变,补偿应变片：,电阻变化由一部分组成：温度,第四章电阻式传感器,rw,rc,r3,r4,u,半桥连接,电桥补偿法：电桥形式,rw,rc,r3,r4,u,第四章电阻式传感器,差动半桥连接,电桥补偿法：电桥形式,rw,rc,rw,rc,u,第四章电阻式传感器,rw,rw,全桥连接,电桥补偿法：电桥形式,1、几何尺寸：敏感栅基长、基宽、应变片的基底长和基底宽；2、初始电阻：未粘贴前，在室温下测得的电阻(常用120)；3、绝缘电阻：敏感栅与基底间的电阻值；4、允许工作电流：最大的工作电流。,第四章电阻式传感器,五、应变片的主要参数,课堂练习：,1、如图所示，有一钢板原长l=1m，钢板的弹性模量e=2.1106kgf/cm2，使用bp-3型箔式应变片（其原电阻值r=120，灵敏度sg=2）测量钢板的应变。在力p作用下，测出拉伸应变为300(1=1106mm/mm)。求：钢板的伸长量l为多少米？（重力加速度g取9.80665m/s2）钢板所受的应力的大小；,第四章电阻式传感器,应变片电阻值的相对变化量r/r；如果拉伸应变增加1，则相应的r/r增加多少？在不感受任何应变的条件下，假设电阻应变片的温度系数为1103%/，室温增加10，此时应变片的电阻是多少？温度造成的电阻变化折合成应变是多少？提出进行温度误差补偿的方法（画出电路图，写出计算公式）。,第四章电阻式传感器,第四章电阻式传感器,4-2压阻式传感器,压阻式传感器利用硅的压阻效应和微电子技术制成。,特点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化。,半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器,力敏电阻与硅膜片一体化扩散型压阻传感器,一、半导体压阻效应,第四章电阻式传感器,压阻效应：固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种现象称为压阻效应。,所有材料在某种程度都呈现压阻效应，但在半导体材料中，这种效应特别显著。,第四章电阻式传感器,金属应变片发生应变后，使导体的几何尺寸发生改变阻值变化,半导体材料的电阻大小取决于有限数目的载流子空穴和电子的迁移。,加在一定晶向上的外界应力，引起半导体能带的变化，使载流子的迁移率产生较大的变化，导致半导体电阻率产生相应的变化。,电阻丝受力后的阻值相对变化公式为：,第四章电阻式传感器,这样,对于半导体：,第四章电阻式传感器,金属电阻丝的相对灵敏度系数为：,代入得到：,金属应变片,基本不变,金属应变片,半导体应变片变化,半导体应变片,第四章电阻式传感器,二、压阻器件的特性,1、温度性能,压阻器件的阻值和灵敏度系数受温度影响较大，会产生零位温度漂移和灵敏度温度漂移。,对于零位温度漂移一般采用桥臂上串、并联电阻的方法进行补偿。,2、线性度,对于扩散型压阻器件，由于表面参杂浓度很高，非线性项很小，因此压阻电桥输出的线性度比较好（在有效测量范围内）。,自学4-3电位器式传感器,电位器是一个机电传感元件，它作为传感器可以将机械位移或其它能转换为位移的非电量转换为与其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起输出电压的变化。,第四章电阻式传感器,一、电位器式传感器的种类,线绕电位器由电阻系数很高的极细的导线按一定规律绕在绝缘骨架上，用电刷（活动触点）调节阻值大小。特点：结构简单，尺寸小，输出特性精度高（可达0.1%）且稳定，输出信号大，受环境影响小。由于电阻元件与电刷间的摩擦，可靠性和寿命受到影响，分辨力也较低。合成膜电位器由电阻液（用石墨、碳黑、树脂等材料配置而成）喷涂在绝缘骨架表面上形成电阻膜。特点：分辨力高、阻值范围宽、耐磨性好、工艺简单、成本低，其线性度在1%左右（经修刻后，可提高到0.1%）；接触电阻大，抗潮性差，噪声较大。金属膜电位器在玻璃或陶瓷基体上用真空蒸发或电镀的方法涂覆一层金属复合膜而制成。特点：电阻系数小，分辨力高，可工作在高温环境；耐磨性差、功率小、阻值较低（1k2k）。,第四章电阻式传感器,第四章电阻式传感器,导电塑料电位器由塑料粉及导电材料（如金属合金、碳黑、石墨）的粉料经塑压而成。特点：耐磨性极高，电刷接触压力要求较大，抗冲击振动性能好，分辨力高，线性度一般2%，阻值范围大，功率大；阻值易受温、湿度影响、接触电阻大、精度不高。导电玻璃釉电位器以合金（如钯银）、合金氧化物（如二硅化钼）、难溶化合物（如碳化钨）等为电阻材料，以玻璃釉粉为粘合剂烧结在陶瓷或玻璃基体上制成。特点：分辨力很高、耐磨、耐高温、抗湿、阻值范围广、电阻温度系数小（约2.510-4/）；精度不高、接触电阻大。,第四章电阻式传感器,光电电位器是一种非接触式电位器，一光束代替常规的电刷。一般采用氧化铝作基体，在其上蒸发一条带状电阻薄膜（镍铝合金或镍铁合金）和一条导电极（鉻合金或银）。图1是这种电位器的结构图。平时无光照时，电阻体和导电电极之间由于光电导层电阻很大而呈现绝缘状态。当光束照射在电阻体和导电电极的间隙上时，由于光电导层被照射部位的亮电阻很小，使电阻体被照射部位和导电电极导通，于是光电电位器的输出端就有电压输出，输出电压的大小与光束位移照射到的位置有关，从而实现了将光束位移转换为电压信号输出。特点：光电电位器最大的优点是非接触型，不存在磨损问题，它不会对传感器系统带来任何有害的摩擦力矩，从而提高了传感器的精度、寿命、可靠性及分辨率。光电电位器的缺点是接触电阻大，线性度差。由于它的输出阻抗较高，需要配接高输入阻抗的放大器。尽管光电电位器有着不少的缺点，但由于它的优点是其它电位器所无法比拟的，因此在许多重要场合仍得到应用。,第四章电阻式传感器,二、线绕电位器式传感器工作原理及结构,图2线绕电位器结构图,图3线绕电位器实物图,第四章电阻式传感器,第四章电阻式传感器,三、线性线绕电位器电输出特性,图中：vi电位器输入电压；v0电位器输出电压；r电位器总电阻；l电位器总行程；x电刷行程；r电刷行程x处对应电阻；b骨架宽度；h骨架高度；t线绕节距；rl负载电阻。,第四章电阻式传感器,视在分辨力,负载误差,第四章电阻式传感器,由负载电阻为有限值产生的相对负载误差为：,第四章电阻式传感器,若令负载系数mr/rl，行程比xr/r=x/l，则有,可见相对负载误差在x=1/2l处有极值。（负载误差最大）,课堂练习：,电位器传器的（线性），假定电位器全长为xmax,其总电阻为rmax，它的滑臂间的阻值可以用rx=（xmax/xrmax,x/xmaxrmax,xmax/xrmaxx/xmaxrmax）来计算，其中电阻灵敏度rr=（2p(b+h)/at,2pat/b+h,2a(b+b)/pt,2atp(b+h)）。,第四章电阻式传感器,4-4电阻式传感器应用示例,示例1：应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,第四章电阻式传感器,f,示例2：应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置,第四章电阻式传感器,第四章电阻式传感器,示例2：应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,f,f,第四章电阻式传感器,f,f,示例2：应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,第四章电阻式传感器,荷重传感器原理演示,荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,第四章电阻式传感器,示例3：力传感器测量电路,调整rg使电路满量程输出为010v,第四章电阻式传感器,示例4：汽车衡,第四章电阻式传感器,汽车衡称重系统,第四章电阻式传感器,第四章电阻式传感器,示例5：荷重传感器用于构件的称重,荷重传感器（共3个，120度分布，以达到均衡目的，另两个未拍出）,底座,垫块,电缆,第四章电阻式传感器,第四章电阻式传感器,原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,示例6：电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示