第二章电阻应变传感器

1、Copyright 2003 WUT. All Rights Reserved. 1. 定义定义用来测非电量，主要测机械量（力、力矩、压力用来测非电量，主要测机械量（力、力矩、压力、加速度等），将被测量的力通过它所产生的金、加速度等），将被测量的力通过它所产生的金属弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。属弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。 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 由弹性元件、电阻应变片和测量电路组成由弹性元件、电阻应变片和测量电路组成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

2、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 SLRrrLLSSLLRR2rrrrrSS222其中其中式中式中L/LL/L是纵向（轴向）变化量，是纵向（轴向）变化量，用应变用应变表示：表示：LLr 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： rrr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 ：LLrrr为电阻丝材料的泊松比为电阻丝材料的泊

3、松比 )21 ()21 (LLRR210k/)21 (/0RRkESFEE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CCC300300606030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 RRKS/)21 (RR)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 ERR)21 ( RR 因为 半导体晶体纵向压阻系数半导体晶体纵向压阻系数E E

4、半导体晶体弹性模量半导体晶体弹性模量ERRKB/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。 iiiURRRRRRRRURRRURRRRIRIU)(4321423143421142110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。 iiiiiiOUKURRURRRRURRR

5、URRRRURRRRRRRRU414/24/)2(2)212()(434211为了便于分析，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 iuURRUS410RRRR21,R1=R2=R3=R4=R iiiiOUKURRURRRURRRRRRRRRU212)212()(434211 iuURRUS210R1=R2=R3=R4=R RRRRRR4231,iiiiOUKURRURRRRRRURRRRRRRRRRRRU22)22()(434211iuURRUS0被测物理量为荷重或力的传感器，称之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

6、（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)(21210DQgh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： DQAAU)(210mFa 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

7、敏式、电敏式.1 2 3 132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.132xxpEinEoutRxRLRp-Rx)1)(1pxxLRpRxpxinLRxRxRpRLRpRinLRxRLRxRxRpRinEEEoutE0 x 100%100%Output0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

8、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 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

9、 ,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

10、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、