第六章电阻式130411

1、西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院4 模拟量位移传感器及其测量原理模拟量位移传感器及其测量原理本章学习要求：本章学习要求：1 1）了解模拟量位移传感器的分类）了解模拟量位移传感器的分类 2 2）掌握常用模拟量位移传感器测量原理）掌握常用模拟量位移传感器测量原理3 3）了解传感器测量电路）了解传感器测量电路工程测试技术基础工程测试技术基础西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院4.1.1 4.1.1 位移测量基本概念和分类位移测量基本概念和分类位移：指物体上某一点在一定方向上的位置变动，既有大小也有方向位移测量力压力扭矩应变速度 加速度 温度厚度距离2）数字式测量方法：光栅、脉冲编码器、感

2、应同步器等1）模拟式测量方法：电阻式、电感式、电容式、电涡流式、光电式等4.14.1位移测试概述位移测试概述西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院4.1.2 4.1.2 传感器概述传感器概述1 1）传感器定义）传感器定义指能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换指能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。（广意的）成可用信号的器件或装置。（广意的）如如热电偶热电偶可以测炙热物体的温度；可以测炙热物体的温度； 超声波探测器超声波探测器测海水深度；测海水深度； 红外遥感器红外遥感器从高空测地面植被和污染情况；从高空测地面植被和污染情况；西安工业大学机电学院西安工业大学机电学

3、院物理量物理量电量电量 目前，传感器转换后的信号大多为电信号，目前，传感器转换后的信号大多为电信号，狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号按一狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号按一定规律转换成电信号的装置。定规律转换成电信号的装置。力位移温度西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院传感器信号调理信号调理及处理及处理微处理器AD被测信号被测信号整形整形放大放大滤波滤波传感器系统传感器是传感器系统的一个组成部分，是被测信传感器是传感器系统的一个组成部分，是被测信号输入的第一个关口号输入的第一个关口西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院传感器由传感器由敏感器件敏感器件与与转换器件转换器件组成。

4、组成。 敏感器件能直接感受（响应）被测量的部分；敏感器件能直接感受（响应）被测量的部分； 转换器件传感器中能将敏感元件感受的被测量转换器件传感器中能将敏感元件感受的被测量转换成能传输或测量的电信号的部分。转换成能传输或测量的电信号的部分。2 2）传感器的构成）传感器的构成V西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院3 3） 传感器的分类传感器的分类 用途（被测物理量）用途（被测物理量） 转换原理（传感器工作的基本物理和化学效转换原理（传感器工作的基本物理和化学效应）应） 输出信号类型输出信号类型 制作材料和工艺制作材料和工艺 其他（如敏感元件与被测量的能量关系、信其他（如敏感元件与被测量的能量关

5、系、信号变换特性等）号变换特性等）西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院用途（被测物理量）用途（被测物理量）位置传感器液面传感器速度传感器加速度传感器振动传感器热敏传感器湿敏传感器气敏传感器生物传感器真空度传感器西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院转换原理转换原理利用物理效应和化学效应，即使被测量是微小量都可以转利用物理效应和化学效应，即使被测量是微小量都可以转换为电信号换为电信号传感器品种传感器品种工作原理工作原理可被测量可被测量热敏电阻、半导热敏电阻、半导体传感器体传感器阻值变化阻值变化力、重量、压力、加速度、温度、湿力、重量、压力、加速度、温度、湿度度电容传感器电容传感器电容量变化

6、电容量变化力、重量、压力、加速度、液面、湿力、重量、压力、加速度、液面、湿度度电感传感器电感传感器电感量变化电感量变化力、重量、压力、加速度、转矩、磁力、重量、压力、加速度、转矩、磁场场霍尔传感器霍尔传感器霍尔效应霍尔效应角度、力、磁场角度、力、磁场压电传感器、压电传感器、压电效应压电效应压力、加速度、距离压力、加速度、距离热电传感器热电传感器热电效应热电效应烟雾、明火、热分布烟雾、明火、热分布光电传感器光电传感器光电效应光电效应辐射、角度、旋转角、位移、转矩辐射、角度、旋转角、位移、转矩西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院输出信号类型输出信号类型 模拟传感器模拟传感器将被测量的非电学量转

7、换为模拟将被测量的非电学量转换为模拟信号；信号； 数字传感器数字传感器将被测量的非电学量转换成数将被测量的非电学量转换成数字输出信号；字输出信号； 开关传感器开关传感器当一个被测量达到某个特定的当一个被测量达到某个特定的确定值时，传感器相应地输出一个低电平或高确定值时，传感器相应地输出一个低电平或高电平信号电平信号西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院制作材料和工艺制作材料和工艺所用材料的类别所用材料的类别金属、聚合物、陶瓷金属、聚合物、陶瓷等等材料的物理性质材料的物理性质导体、半导体、磁性材料导体、半导体、磁性材料等等制造工艺制造工艺集成传感器、薄膜传感器、陶瓷传集成传感器、薄膜传感器、陶

8、瓷传感器等感器等西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院其他（按敏感元件与被测量之间的能量关系）其他（按敏感元件与被测量之间的能量关系）能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,弹性压力计（波登管、膜片等）弹性压力计（波登管、膜片等）. . 能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化. . 例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .V西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院6.2.2 6.2.2 变阻器式传感器（电位器式传感

9、器）变阻器式传感器（电位器式传感器）将位移变化转换为电位器式传感器阻值的变化AlR/4.2 4.2 电阻式传感器电阻式传感器 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、电敏式光敏式、电敏式.4.2.1 变阻器式传感器（电位计（器）式传感器）变阻器式传感器（电位计（器）式传感器）线圈骨架滑动触头西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院1 1）等效电路分析）等效电路分析: :L-L-变阻器总长变阻器总长; ;x-x-电刷移动量电

10、刷移动量. .xkRlC点与A点电阻：xLACB灵敏度：lkdxdRSRl-单位长度电阻值单位长度电阻值传感器的输出（电阻）与输入（位移）成线性关系传感器的输出（电阻）与输入（位移）成线性关系西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院uoRxR-RxuykxxkRuRRuulxy00空载特性空载特性西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院1UoUy xLRLR+ +Lx()-负载特性负载特性(其后接电路一般采用电阻分压电路其后接电路一般采用电阻分压电路,将电参量将电参量R转换为电压输出转换为电压输出给后续电路。给后续电路。)表明经过后续电路后，其实际输出、输入为非线性关系，为表明经过后续电路后，

11、其实际输出、输入为非线性关系，为减小后接电路的影响，一般减小后接电路的影响，一般R RL LRR，则近似为线性。，则近似为线性。UoRLRxR-RxUyxLRRLxx西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院2 2）分类）分类单圈电位器单圈电位器（一般用于音量控制（一般用于音量控制) )多圈电位器多圈电位器（精密调节电路中（精密调节电路中) )直线滑动式电位器直线滑动式电位器( (一般用于电视机、音响中作音量一般用于电视机、音响中作音量控制或均衡控制控制或均衡控制) ) 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院3）优点：）优点：结构简单，性能稳定；结构简单，性能稳定；受环境温度影响小；受环境温度

12、影响小；缺点缺点:受骨架尺寸和导线直径限制，分辨率很难高于受骨架尺寸和导线直径限制，分辨率很难高于20um；磨损影响使用寿命，有较大噪声，降低可靠性，绕制困磨损影响使用寿命，有较大噪声，降低可靠性，绕制困难难应用：应用：主要用来测量线位移、角位移等。主要用来测量线位移、角位移等。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院基于金属导体的基于金属导体的应变效应应变效应：即金属导体在外力作：即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而发生变化的现象。的变化而发生变化的现象。 1)金属电阻应变片金属电阻

13、应变片4.2.2 4.2.2 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金属电阻应变片半导体应变片半导体应变片测量应变、力、位移、加速度等参数测量应变、力、位移、加速度等参数西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院工作原理工作原理金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为为AlR/dAldAAldlAdR+2电阻丝截面积电阻丝长度电阻率Al代入代入AlR/dRAdARldlRdR+时，电阻增量为：每一可变因素有一增量ddAdl,西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院dAdAldlRdR+电阻的相对变化为：电阻的相对变化为：金属丝：金属丝：2rAdrdrldlRdR+2金属丝体

14、积不变：金属丝体积不变：ldlrdr电阻丝横向应变:rdr电阻丝纵向应变，即:ldlldlrdr/,:即泊松比系数西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院对金属材料，电阻率不变或很小，即对金属材料，电阻率不变或很小，即)21(+RdR0d表明电阻相对变化率与应变成正比，比值表明电阻相对变化率与应变成正比，比值S称应变系数或灵称应变系数或灵敏度，即：敏度，即：常数+21/ldlRdRS（取值一般在（取值一般在1.73.6）有：有：dRdR+2单位应变所引起的电阻相对变化率单位应变所引起的电阻相对变化率西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院应变计结构（由高电阻率的金属丝绕成敏感栅，与基底、结构（

15、由高电阻率的金属丝绕成敏感栅，与基底、覆盖层和引线等组成。）覆盖层和引线等组成。）西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院分丝式和箔式，有单轴，多轴（应变花)等多种类型 应变片阻值一般有应变片阻值一般有6060、9090、120120、200200、300300、500500、10001000等。等。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院2）半导体应变片）半导体应变片dRdR+)21 (简化为：简化为：EdRdR基于半导体材料的基于半导体材料的压阻效应压阻效应：半导体材料沿某一轴向受到：半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，电阻率发生变化。（或者温度、光辐射）外力作用时，电阻率发生变化。（或者

16、温度、光辐射）对半导体来说，对半导体来说， 由几何尺寸引起，由几何尺寸引起，)21 ( +)21 ( +d弹性模量压阻系数；E西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 优点：灵敏度高优点：灵敏度高; ;体积小体积小; ; 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。灵敏度：灵敏度：故灵敏度高其中：,21/+EERdRS金属丝电阻应变片金属丝电阻应变片利用导体形变引起电阻变化；利用导体形变引起电阻变化；半导体应变片半导体应变片利用半导体材料的电阻率变化引起电阻利用半导体材料的电阻率变化引起电阻变化。变化。（是金属丝灵敏度的5070倍）西安工业大学机电学院西

17、安工业大学机电学院2 2、应变片的主要参数、应变片的主要参数 （4 4）其它表示应变片性能的参数（）其它表示应变片性能的参数（工作温度、滞工作温度、滞后、疲劳寿命、横向灵敏度后、疲劳寿命、横向灵敏度等）。等）。 （1 1）几何参数几何参数：丝栅宽度：丝栅宽度b b和表距和表距L L，常用，常用 b bL L表表示。示。（2 2）电阻值：电阻值：应变计的原始电阻值。应变计的原始电阻值。 （3 3）灵敏系数：灵敏系数：表示应变片变换性能的重要参数。表示应变片变换性能的重要参数。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院3、应变片测量电路应变片测量电路VER1R2R4R3采用转换电路把电阻的变化转换

18、为电压或电流的变采用转换电路把电阻的变化转换为电压或电流的变化，这种电路称为化，这种电路称为测量电路。测量电路。常用为常用为电桥电桥（直流和（直流和交流）交流）西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院1）直流电桥原理：）直流电桥原理：abcdI1I2R1R2R3R4UiUo当电桥输出端接较大的仪器或放大器时，当电桥输出端接较大的仪器或放大器时，可视为开路，电流输出为零。可视为开路，电流输出为零。idaiabURRRRIUURRRRIU4344221111+则输出特性：则输出特性：iiabdadboURRRRRRRRURRRRRRUUUU)()(43214231434211+若使电桥平衡，输出电

19、压为若使电桥平衡，输出电压为0，则：，则：4231RRRR西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院应变片在电桥中的连接有三种基本线路：应变片在电桥中的连接有三种基本线路：abcdI1I2R1R RR2R3R4UiUoabcdI1I2R2 RR3UiUoabcdI1I2UiUoR1R RR4R1R RR4 R RR3R RR2 R R单臂单臂半桥半桥全桥全桥即电桥平衡时，相对桥臂电阻的乘积相等。若桥臂即电桥平衡时，相对桥臂电阻的乘积相等。若桥臂电阻发生变化时，电桥失去平衡，则输出电压电阻发生变化时，电桥失去平衡，则输出电压U。西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院令令：R电阻变化为RRRRR4

20、321ioURRRRRRRRU)(+单臂为例：单臂为例：ioURRRU+24忽略高次项，可得因为,RR ioURRU4SUUio4RdRldlRdRS/因为西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院工作方式单臂双臂全桥应变片所在桥臂R1R1,R2R1,R2,R3,R4输出电压UoSUi4SUi2SUi各臂电阻变化率相等的情况下：各臂电阻变化率相等的情况下：注意：R1或R1,R3产生R, R2或R2,R4产生-R（如：一个受拉，一个受压）)(44321+SUUio表明各桥臂应变对电桥输出的影响相对桥臂应变值相加，相邻桥臂应变值相减（加减特性）利用全桥可推出：西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院

21、2）温度补偿：）温度补偿：概念：概念：作为测量应变的金属应变片，希望电阻值仅作为测量应变的金属应变片，希望电阻值仅随应变变化，而干扰因素主要是随应变变化，而干扰因素主要是温度变化温度变化。原因：原因：电阻温度效应：电阻温度效应：tRR电阻温度系数线膨胀系数不同产生的电阻变化：线膨胀系数不同产生的电阻变化：tSRR)(21其中：其中：1 1试件线膨胀系数试件线膨胀系数 2 2 电阻丝线膨胀系数电阻丝线膨胀系数 S -应变片灵敏度应变片灵敏度西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院补偿补偿：（桥路补偿和应变片自补偿等方法）：（桥路补偿和应变片自补偿等方法）桥路补偿桥路补偿 利用电桥相邻的相等两臂同时产生大小相等、符号相同利用电桥相邻的相等两臂同时产生大小相等、符号相同的电阻增量（加减特性），从而不会破坏电桥平衡的特性来的电阻增量（加减特性），从而不会破坏电桥平衡的特性来达到补偿。达到补偿。abcdI1I2UiUoR1R RR4R RR3R RR2R R全桥补偿法全桥补偿法abcdR1R RR3R4UiUoR2R R半桥补偿法半桥补偿法R1-工作片R2-温度补偿R1、 R2 -工作片R3 、R4 -温度补偿)(44321RRRRRRRRUUio+4231RRRR西安工业大学