电阻式传感器新学习教案

1、会计学1电阻电阻(dinz)式传感器新式传感器新第一页，共77页。等效电路分析等效电路分析: Rp-总电阻总电阻(dinz);xp-变阻总长变阻总长;RL负负载电阻载电阻(dinz);x-电刷移动量电刷移动量.132xxpEinEoutRxRLRp-Rx0 x 100%100%Output0负载效应负载效应第1页/共77页第二页，共77页。2.变阻器式传感器的分类变阻器式传感器的分类电位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第2页/共77页第三页，共77页。3.电位器式传感器的特点电位器式传感器的特点(tdin)电阻器电阻器 制作制

2、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 ,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

3、电-塑料式的优点 ,电阻温度系数为150*10-6/0C 第3页/共77页第四页，共77页。4. 应用(yngyng)案例：案例： 重量的自动检测重量的自动检测-配料配料(pi (pi lio)lio)设备设备重量设定原材料 比较(bjio)原理用弹簧将力转换为位移;再用电阻器将位移转换为电阻的变化第4页/共77页第五页，共77页。案例：煤气案例：煤气(miq)(miq)包储量检测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(n s)的电阻变化煤气包钢丝特点特点(tdin)：（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。第5页/共77

4、页第六页，共77页。案例案例(n l)(n l)：玩具机器人：玩具机器人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第6页/共77页第七页，共77页。一、应变一、应变(yngbin)效应效应 金属电阻应变片的工作原理是基于金属电阻应变片的工作原理是基于(jy)金属导体的应变效应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，其电阻值随着它所，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受机械变形(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。 第二节第二节 应变应变(yngbin)(yngbin)式电阻传感器式电阻传感器第7页/

5、共77页第八页，共77页。二、电阻应变片种类、结构二、电阻应变片种类、结构(jigu)和工作原理和工作原理金属金属(jnsh)(jnsh)电阻应变片电阻应变片半导体电阻半导体电阻(dinz)(dinz)应变片应变片1.电阻应变片的结构及其工作原理第8页/共77页第九页，共77页。应变计第9页/共77页第十页，共77页。金属电阻丝应变(yngbin)效应示意图 第10页/共77页第十一页，共77页。 当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长l，横截面积相应减小A，电阻率因材料晶格发生变形(bin xng)等因素影响而改变了d，从而引起电阻值相对变化量为 式中：dl/l长度相对变化(binhu)量，用应

6、变表示为 第11页/共77页第十二页，共77页。 dA/A圆形电阻丝的截面积相对(xingdu)变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2r dr，则 由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长， 沿径向缩短， 令dl/l=为金属电阻丝的轴向应变(yngbin)，那么轴向应变(yngbin)和径向应变(yngbin)的关系可表示为 式中, 为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变(yngbin)方向相反。 第12页/共77页第十三页，共77页。或 通常把单位应变(yngbin)能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。 其物理意义是单位应变(yngbin)所引起的电阻相对变化量，其

7、表达式为 第13页/共77页第十四页，共77页。 灵敏系数K受两个因素影响：一个是应变片受力后材料(cilio)几何尺寸的变化， 即1+2；另一个是应变片受力后材料(cilio)的电阻率发生的变化， 即（d/）/。对金属材料(cilio)来说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2的值要比(d/)/大得多，而半导体材料(cilio)的(d/)/项的值比1+2大得多。大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。 半导体应变片是用半导体材料(cilio)制成的，其工作原理是基于半导体材料(cilio)的压阻效应。压阻效应是指半导体材料(cilio)，当某一轴向受外力作用时，

8、 其电阻率发生变化的现象。 第14页/共77页第十五页，共77页。当半导体应变(yngbin)片受轴向力作用时， 其电阻相对变化为 dRdR)21 (式中d/为半导体应变片的电阻率相对(xingdu)变化量，其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为 半导体应变半导体应变(yngbin)(yngbin)片片第15页/共77页第十六页，共77页。将式（3-10）代入式（3-9）中得 实验证明，E比1+2大上百倍，所以(suy)1+2可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为 第16页/共77页第十七页，共77页。 半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高5080倍， 但半导体材料的温度系数大，应

9、变时非线性比较严重， 使它的应用范围受到一定的限制。 用应变片测量应变或应力时，根据上述特点(tdin)，在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化， 同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为R时，便可得到被测对象的应变值， 根据应力与应变的关系，得到应力值为 =E 第17页/共77页第十八页，共77页。应变应变(yngbin)片的主要参数片的主要参数 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

10、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、零漂以及疲劳寿命蠕变、零漂以及疲劳寿命(shumng)、横向灵敏度等）。、横向灵敏度等）。 第18页/共77页第十九页，共77页。 金属电阻金属电阻(dinz)应变片的材料应变片的材料 对电阻对电阻(dinz)丝材料应有如下要求：丝材料应有如下要求： 灵敏系数大，灵敏系数大， 且在相当大的应变范围内保持常数；且在相当大的应变范围内保持常数； 值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻(dinz)丝中丝中具有较大的电

11、阻具有较大的电阻(dinz)值；值； 电阻电阻(dinz)温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；阻值； 与铜线的焊接性能好，与铜线的焊接性能好， 与其它金属的接触电势小；与其它金属的接触电势小； 机械强度高，机械强度高， 具有优良的机械加工性能。具有优良的机械加工性能。 第19页/共77页第二十页，共77页。 金属电阻应变片的粘贴金属电阻应变片的粘贴 应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。粘结剂形成的胶应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。粘结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测件应变传递到敏感栅上。选择粘结层必须准确迅速地将被测件应变传递到敏感栅上。选择粘

12、结剂时必须考虑应变片材料和被测件材料性能，不仅要求剂时必须考虑应变片材料和被测件材料性能，不仅要求(yoqi)粘接力强，粘结后机械性能可靠，而且粘合层要有足粘接力强，粘结后机械性能可靠，而且粘合层要有足够大的剪切弹性模量，够大的剪切弹性模量， 良好的电绝缘性，蠕变和滞后小，耐良好的电绝缘性，蠕变和滞后小，耐湿，耐油，耐老化，动态应力测量时耐疲劳等。湿，耐油，耐老化，动态应力测量时耐疲劳等。 还要考虑到还要考虑到应变片的工作条件，如温度、相对湿度、稳定性要求应变片的工作条件，如温度、相对湿度、稳定性要求(yoqi)以及贴片固化时加热加压的可能性等。以及贴片固化时加热加压的可能性等。 第20页/共

13、77页第二十一页，共77页。第21页/共77页第二十二页，共77页。 第22页/共77页第二十三页，共77页。第23页/共77页第二十四页，共77页。第24页/共77页第二十五页，共77页。第25页/共77页第二十六页，共77页。三、三、 电阻电阻(dinz)应变片的测量电路应变片的测量电路 1 1、直流电桥、直流电桥图中E为电源电压(diny)，R1、R2、R3及R4为桥臂电阻，RL为负载电阻。 第26页/共77页第二十七页，共77页。（1 1） 直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件当RL时，R1R2R4R3ACBEDIoRLUo电桥输出(shch)电压为：第27页/共77页第二十八页，共77页

14、。当电桥(din qio)平衡时，Uo=0，则有 R1R4=R2R3或 上式为电桥平衡条件。这说明欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对(xingdu)两臂电阻的乘积应相等。 第28页/共77页第二十九页，共77页。 应变片工作时，其电阻值变化很小，电桥相应输出电压(diny)也很小，一般需要加入放大器进行放大。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。当受应变时，若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压(diny)Uo0，则电桥不平衡，输出电压(diny)为 （2）电压(diny)灵敏度第29页/共77页第三十页，共77页。第30页/共77页

15、第三十一页，共77页。 设桥臂比n=R2/R1，由于R1R1，分母(fnm)中R1/R1可忽略， 并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3， 则上式可写为 电桥电压电桥电压(diny)灵敏度定义为灵敏度定义为 第31页/共77页第三十二页，共77页。 从上式分析发现： 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压， 供电电压越高， 电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高(t go)受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择； 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，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。 当E值确定后，n取何值时才能使KU最高。 EnnRRUKoU211)1 ( 第32页/共77

16、页第三十三页，共77页。由dKU/dn = 0求KU的最大值，得 求得n=1时，KU为最大值。这就是说，在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥(din qio)电压灵敏度最高，此时有 当电源电压E和电阻相对(xingdu)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。 第33页/共77页第三十四页，共77页。 是略去分母中的R1/R1项，电桥输出电压与电阻相对(xingdu)变化成正比的理想情况下得到的，实际情况则应按下式计算， 即 （3-42） 与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为 oU（3-43） （3）非线性误差及其补偿(bch

17、ng)方法ERRnnUo112)1 (第34页/共77页第三十五页，共77页。如果(rgu)是四等臂电桥，R1=R2=R3=R4，即n=1， 则 对于一般应变片来说，所受应变通常在5000以下，若取KU=2，则R1/R1=KU=0.01，计算得非线性误差为0.5%；若KU=130，=1000时，R1/R1=0.130，则得到(d do)非线性误差为6%，故当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。 第35页/共77页第三十六页，共77页。图3-10 差动电桥(din qio) 为了减小和克服非线性误差(wch)，常采用差动电桥如图3-10所示， 在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一

18、个受压应变， 接入电桥相邻桥臂，称为半桥差动电路， 如图3-10(a) 所示。第36页/共77页第三十七页，共77页。该电桥(din qio)输出电压为 若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得 Uo与R1/R1成线性关系，差动电桥无非线性误差，而且(r qi)电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍，同时还具有温度补偿作用。 第37页/共77页第三十八页，共77页。 若将电桥四臂接入四片应变片，如图3-10（b）所示，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对(xingdu)桥臂上，构成全桥差动电路。若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，则 EKRREU

19、Uo11 此时全桥差动电路不仅没有非线性误差(wch)，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍，同时仍具有温度补偿作用。 第38页/共77页第三十九页，共77页。图图3-11 交流电桥交流电桥 交流电桥交流电桥第39页/共77页第四十页，共77页。 根据直流电桥分析可知(k zh)，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。 第40页/共77页第四十一页，共77页。FFFF第三节电阻式传感器应用第三节电阻式传感器应用(yngyng)举例举例第41页/共77页第四十二页，共77页。第42页/共77页第四十三页，共77页。FF固定点固定点固定点固定

20、点电缆(dinln)第43页/共77页第四十四页，共77页。FR1R2 R4第44页/共77页第四十五页，共77页。FF第45页/共77页第四十六页，共77页。第46页/共77页第四十七页，共77页。第47页/共77页第四十八页，共77页。第48页/共77页第四十九页，共77页。第49页/共77页第五十页，共77页。磅秤磅秤(bngchng)超市超市(cho sh)打打印秤印秤远距离远距离显示显示(xinsh)第50页/共77页第五十一页，共77页。电子天平的精度电子天平的精度(jn d)可达十万可达十万分之一分之一第51页/共77页第五十二页，共77页。第52页/共77页第五十三页，共77页

21、。便携式便携式第53页/共77页第五十四页，共77页。 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制造和家用电器等领域，准确控制(kngzh)紧固螺紧固螺纹的装配扭矩。量程纹的装配扭矩。量程2500N.m，耗电量，耗电量10mA，有公制有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。能。第54页/共77页第五十五页，共77页。案例：桥梁案例：桥梁(qioling)(qioling)固有频率测量固有频率测量原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励(jl)，再通过应变片测量桥梁

22、动态变形，得到桥梁固有频率。第55页/共77页第五十六页，共77页。案例案例(n l)(n l)：电子称：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形(bin xng)再通过应变片转化为电量输出。第56页/共77页第五十七页，共77页。 被测物理量为荷重或力的应变(yngbin)式传感器时，统称为应变(yngbin)式力传感器。其主要用途是作为各种电子称与材料试验机的测力元件、 发动机的推力测试、 水坝坝体承载状况监测等。 应变(yngbin)式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性，当传感器在受到侧向作用力或力的作用点少量变化时，不应对输出有明显的影响。 应变(yngbin)式力传感器第57页/共

23、77页第五十八页，共77页。图3-13 圆柱(yunzh)（筒）式力传感器（a） 柱式；（b） 筒式；（c） 圆柱(yunzh)面展开图；（d） 桥路连线图 第58页/共77页第五十九页，共77页。 2. 环式力传感器 如图3-14(a)所示为环式力传感器结构图。 与柱式相比(xin b)，应力分布变化较大，且有正有负。 图3-14 环式力传感器(a) 环式传感器结构图； (b) 应力(yngl)分布 第59页/共77页第六十页，共77页。应变式压力传感器应变式压力传感器 图图3-15为膜片式压力传感器，应变片贴在膜片内壁，在压力为膜片式压力传感器，应变片贴在膜片内壁，在压力p作用作用(zuy

24、ng)下，膜片产生径向应变下，膜片产生径向应变r和切向应变和切向应变t，表达式分，表达式分别为别为 图3-15 膜片式压力(yl)传感器（a） 应变变化图; （b） 应变片粘贴 第60页/共77页第六十一页，共77页。应变式容器内液体重量传感器应变式容器内液体重量传感器 图图3-16 是插入式测量容器内液体重量的传感器示意图。是插入式测量容器内液体重量的传感器示意图。 该传感器该传感器有一根传压杆，上端安装微压传感器，为了提高有一根传压杆，上端安装微压传感器，为了提高(t go)灵敏度，灵敏度， 共安共安装了两只。下端安装感压膜，感压膜感受上面液体的压力。装了两只。下端安装感压膜，感压膜感受上面液体的压力。 当容器中当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器Rt的电桥的电桥接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为 Uo=U1-U2=(K1-K2)hg 式中, K1，K2为传感器传输(chun sh)系数。第61页/共77页第六十二页，共77页。图3-16 应变片容器(rngq)内液体重量传感器 第62页/共77页第六十三页，共77页。 应变式加速度传感器应变式加速度传感器 应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。其