第二章 电阻应变传感器

1、Copyright 2003 WUT. All Rights Reserved. 2.特点特点 结构简单，应用广泛结构简单，应用广泛 灵敏度灵敏度K高，测试速度快高，测试速度快 易于远距离测量易于远距离测量 2.2.工作原理工作原理 电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即在导电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即在导 体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。 一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为 S L R r r L L S S L L R R 2 r r r rr S S 22 2 其中其中 L L

2、 r r/r是横向（径向）变化量，用应变是横向（径向）变化量，用应变rr表示：表示： r r r 由材料力学可知由材料力学可知 ，那么轴向应变和径向应变的那么轴向应变和径向应变的 关系表示为关系表示为 ： L L r r r 为电阻丝材料的泊松比为电阻丝材料的泊松比 )21 ()21 ( L L R R 21 0 k / )21 ( / 0 RR k ES F E E 试件的 应变 试件材料 弹性模量 F 半导体电阻应变片 金属薄膜应变片 金属箔应变片 金属丝应变片 金属电阻应变片 类型 以上）高温应变片（ ）中温应变片（ ）常温应变片（ 按工作温度 C C C 300 30060 6030

3、金属应变计金属应变计 优点优点: :稳定性和温度特性好稳定性和温度特性好. . 缺点缺点: :灵敏度系数小灵敏度系数小 RR K S / )21 ( R R )21 ( E 所以半导体应变片的纵向压阻效应可由式（所以半导体应变片的纵向压阻效应可由式（2.7 ）改写为）改写为 E R R )21 ( R R 半导体晶体纵向压阻系数半导体晶体纵向压阻系数 E E半导体晶体弹性模量半导体晶体弹性模量 E RR K B / 纵向 压阻 系数 晶体 弹性 模量 图24 半导体应变片结构 在电阻应变传感器中最常用在电阻应变传感器中最常用 的是桥式测量电路。的是桥式测量电路。 i ii U RRRR RRR

4、R U RR R U RR R RIRIU )( 4321 4231 43 4 21 1 42110 测量前，测量前，应将电桥调平衡应将电桥调平衡 ，在电桥输出端在电桥输出端A和和 C之间接一检流计调桥臂电阻使检流计指示为之间接一检流计调桥臂电阻使检流计指示为0 ，输出电压输出电压U0=0，电桥达到平衡状态电桥达到平衡状态 。 电桥的平衡条件为电桥的平衡条件为R1R3= R2R4。 i i i i i iO UK U RR U R R RR U RR R U RR RR U RR R RRR RR U 4 1 4 / 24 / )2(2 ) 2 1 2 ( )( 43 4 21 1 为了便于分

5、析，一般都取为了便于分析，一般都取 R1=R2=R3=R4=R，称之为等臂桥称之为等臂桥 iu U R R U S 4 1 0 RRRR 21 , R1=R2=R3=R4=R i i i iO UK U R R U R RR U RR R RRRR RR U 2 1 2 ) 2 1 2 ( )( 43 4 21 1 iu U R R U S 2 1 0 RRRRRR 4231 , i i i i O UK U R R U R RR R RR U RRRR RR RRRR RR U 2 2 ) 22 ( ) ( 43 4 21 1 iu U R R U S 0 被测物理量为荷重或力的传感器，称之

6、为被测物理量为荷重或力的传感器，称之为 应变式力传感器（应变式力传感器（Weighing sensor） （a）实心柱 （b）空心柱 （c）柱面展开 图215 柱式力传感器 图218 圆筒式压力传感器图219 膜片式压力传感器 ghAAUUU)( 21210 D Q gh 将上两式联立，得到容器内感压膜上面溶液重量将上两式联立，得到容器内感压膜上面溶液重量 与电桥输出电压之间的关系为：与电桥输出电压之间的关系为： D QAA U )( 21 0 m F a 补充内容：补充内容： 电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器, 按工作的原理可分

7、为按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、变阻器式、电阻应变式、热敏式、 光敏式、电敏式光敏式、电敏式. 1 2 3 13 2 直线型直线型 旋转型旋转型 1 变阻器式传感器变阻器式传感器 (1) 工作原理工作原理 等效电路分析等效电路分析: Rp-总电阻;xp-变阻总长;RL负载电阻;x-电刷移动量. 13 2 x xp Ein Eout Rx RL Rp-Rx )1)( 1 p x x L R p R x p x in L R x R x R p R L R p R in L R x R L R x R x R p R in E E E out E 0 x 100% 100% O

8、utput 0 负载效应负载效应 (2) 变阻器式传感器的性能参数变阻器式传感器的性能参数: 1) 线性线性(或曲线的一致性或曲线的一致性); 4) 移动或旋转角度范围移动或旋转角度范围; 2) 分辨率分辨率; 5) 电阻温度系数电阻温度系数; 3) 整个电阻值的偏差整个电阻值的偏差; 6) 寿命寿命; (3)变阻器式传感器的分类变阻器式传感器的分类 变阻器 按电阻元件分 单圈电位器 直线滑动式电位器 多圈电位器 混合式电位器 导电塑料电位器 金属陶瓷电位器 线绕电位器 (4)变阻器式传感器的特点变阻器式传感器的特点 电阻器电阻器 制作制作 特点特点 绕线式绕线式 直径 0.012-0.1mm

9、 的镍 铬合金的精密电阻丝绕 在绝缘的薄膜铜丝或绝 缘胶木板等卷芯上而制 作 电阻温度系数非常好， 为 5-20*10 -6/0C;精度 ,稳定性 ,重复性比 薄模式好,分辨力低于薄模式 . 金属陶瓷式金属陶瓷式 电阻胶印在陶瓷基板 上,并用高温烧制而成 . 分辨力高 ,环境适应性强前 , 电阻温度 系数,为200*10 -6/0C 左右 . 导电导电-塑料式塑料式 将基板的树脂与电阻墨 制成一体 ,获将电阻胶 涂于薄膜基片上 . 分辨力 ,寿命,高速现响应特性好 ,电阻 温度系数为400*10 -6/0C 混合式混合式 导电性树脂涂于限绕式 电阻元件上 兼有绕线式和导电-塑料式的优点 , 电

10、阻温度系数为150*10 -6/0C (5) 应用应用 案例：案例： 重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备 重量设定 原材料 比较 原理 用弹簧将力转换为位移;再用变 阻器将位移转换为电阻的变化 案例：案例：煤气包储量检测煤气包储量检测 原理 直接将代表煤气包储量的高度 变化转换为钢丝的电阻变化 煤气包 钢丝 特点：特点： （1）测量量程大；）测量量程大； （2）防爆；）防爆； （3）可靠；）可靠； （4）成本低。）成本低。 案例：案例：玩具机器人（广州中鸣数码玩具机器人（广州中鸣数码 ） 原理 直接将关节驱动电机的转动角 度变化转换为电阻器阻值变化 2 电阻应变式传感器电阻应变式传

11、感器-应变片应变片 金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变 效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电 阻值随着它所受机械变形阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发生变的变化而发生变 化的现象。化的现象。 3) 应变片的主要参数应变片的主要参数 1）几何参数：表距）几何参数：表距L和丝栅宽度和丝栅宽度b，制造厂常用制造厂常用bL 表示。表示。 2）电阻值：应变计的原始电阻值。）电阻值：应变计的原始电阻值。 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂