第4讲电阻应变式传感器

1、电阻式传感器电阻式传感器电阻式：电阻式：（电位计）（电位计）应变式：应变式：物理量变化物理量变化电阻变化电阻变化传感元件传感元件属于大电阻变化型，属于大电阻变化型，R：0R传传物理量变化物理量变化变形变形（应力、应变）（应力、应变）敏感元件敏感元件属于微电阻变化型，属于微电阻变化型，R：020%R传传传感元件传感元件电阻变化电阻变化补充补充电位器式传感器电位器式传感器变阻器式传感器产品变阻器式传感器产品案例：重量的自动检测案例：重量的自动检测-配料设备配料设备 比较比较重量设定原材料原材料原理：弹簧原理：弹簧-力力-位移位移 -电位器电位器-电阻电阻案例：案例：煤气包储量检测煤气包储量检测煤气

2、包煤气包钢丝钢丝原理：钢丝原理：钢丝-收线圈数收线圈数 -电位器电位器 -电阻电阻案例：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：电机原理：电机-转角转角 -电位器电位器 -电阻电阻电阻应变式传感器电阻应变式传感器u授课内容授课内容金属电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理电阻应变片的特性电阻应变片的特性电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用电阻应变效应电阻应变效应 导体或半导体材料在外界力的作用下，会产导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种

3、现象称为这种现象称为电阻应变效应。电阻应变效应。 电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成转换电路等组成。p 金属丝受拉时，金属丝受拉时，l变长、变长、r变小，导致变小，导致R变大变大 。电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理电阻应变效应2llRArdrdrldlRdR2KdRdR2电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理应变片的种类应变片的种类应变计应变计金属式金属式半导体式半导体式丝式丝式箔式箔式薄膜式薄膜式薄膜型薄膜型PN结极其它形式结极其它形式扩散型扩散型应变片的种类应变片的种类l金属丝式应变片的敏感栅由金金属丝式应变片的敏感栅由金属

4、丝绕制而成。金属丝材料为属丝绕制而成。金属丝材料为电阻率电阻率大而电阻温度系数小大而电阻温度系数小的材料。丝式应变片的规格一的材料。丝式应变片的规格一般以使用面积般以使用面积(L(L* *b)b)和敏感栅的和敏感栅的电阻值来表示。阻值一般在电阻值来表示。阻值一般在505010OO10OO范围内，常用的为范围内，常用的为12O12O。金属丝式应变片金属丝式应变片应变片的种类应变片的种类箔式应变片的外形箔式应变片的外形l箔式应变片的敏箔式应变片的敏感栅通过光刻、腐感栅通过光刻、腐蚀等工艺制成，可蚀等工艺制成，可根据需要制成任意根据需要制成任意形状，具有表面积形状，具有表面积大、散热性好、允大、散热

5、性好、允许电流大、便于成许电流大、便于成批生产等优点。批生产等优点。应变片的种类应变片的种类金属薄膜应变片是采用真金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积的方法空溅射或真空沉积的方法制成，它将可产生形变的制成，它将可产生形变的金属或合金直接沉积在弹金属或合金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂。性元件上而不用粘合剂。这样应变片的性能更好，这样应变片的性能更好，灵敏度高。所谓薄膜指厚灵敏度高。所谓薄膜指厚度在度在0.1m以下的金属膜。以下的金属膜。厚度在厚度在25m左右的称厚左右的称厚膜箔式应变片即属厚膜。膜箔式应变片即属厚膜。应变片的结构应变片的结构金属丝式应变片的内部结构金属丝式应变片的内部结构p

6、应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数电阻应变片的特性电阻应变片的特性llRRRRKp横向效应横向效应l 应变片由于感受横向应变片由于感受横向应变而使电阻变化率减应变而使电阻变化率减小，并减低灵敏度的现小，并减低灵敏度的现象称为应变片的象称为应变片的“横向横向效应效应”。l 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，的附加误差， 称为应变片的温度误差。称为应变片的温度误差。p电阻温度系数的影响电阻温度系数的影响温度误差及其补偿温度误差及其补偿Rt=R0(1+0t) p试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响tKtKtR

7、RRRRsgsgt)()(00000210温度补偿方法温度补偿方法热敏电阻补偿法变片双金属敏感栅自补偿应选择式自补偿应变片应变片自补偿法电桥补偿法温度补偿方法p电桥补偿法电桥补偿法 利用电桥相邻二臂同时利用电桥相邻二臂同时产生产生大小相等、符号相大小相等、符号相同同的电阻量不会破坏电的电阻量不会破坏电桥平衡的特性来达到补桥平衡的特性来达到补偿的目的。则：偿的目的。则：温度补偿方法温度补偿方法R1R3RBR4UoR1RB(a )(b )R1工 作 应 变 片 ；RB补 偿 应 变 片FFUUo=A(R1R4-RBR3) 式中式中, A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。为由桥臂电阻和电源电压决定的

8、常数。温度补偿方法温度补偿方法p电桥补偿法电桥补偿法p选择式自补偿应变片选择式自补偿应变片 这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片用的应变片( (称之为温度自补偿应变片称之为温度自补偿应变片) )来补来补偿的。偿的。温度补偿方法温度补偿方法)()()(0000000210sgsgsgtKtKtKtRRRRR双金属丝栅法双金属丝栅法温度补偿方法温度补偿方法p双金属敏感栅自补偿应变片双金属敏感栅自补偿应变片C/14. 0p热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法温度补偿方法温度补偿方法电桥电路的工作原理电桥电路的工作原理p单臂工作情况单臂工作情况iURRRRRR

9、RRU)(324131420U0UiR1R2R3R4iURRRRRRRRU)(324131420令：令：RR1dRRR4RRR32iURRdRRRRRdRRRU)()(0kURdRUii44kRdR)21(上式中：上式中：金属丝应变片：金属丝应变片：V V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变。与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变。p 单臂电桥单臂电桥 全桥四臂工作方式的灵全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最之，单臂半桥灵敏度最低。低。电桥电路的工作原理电桥电路的工作原理kURRUUii440p 半桥工作半桥工作 R1、 R2为应变片，

10、为应变片， R3、R4为固定电阻为固定电阻 。应变片。应变片R1 、R2 感受到的应变感受到的应变 1 2以及产生的电阻增以及产生的电阻增量正负号相反，可以使量正负号相反，可以使输出电压输出电压Uo成倍地增大成倍地增大。kURRUUii220电桥电路的工作原理电桥电路的工作原理p 全桥工作全桥工作l 全桥的四个桥臂都为应全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件变片，如果设法使试件受力后，应变片受力后，应变片R1 R4产产生的电阻增量（或感受生的电阻增量（或感受到的应变到的应变 1 4）正负号）正负号相间，就可以使输出电相间，就可以使输出电压压U0成倍地增大。成倍地增大。电桥电路的工作原理电桥电

11、路的工作原理iiUkURRU0l 设电桥初始平衡，四设电桥初始平衡，四臂工作，各臂应变电臂工作，各臂应变电阻变化分别为阻变化分别为R1、R2、R3、R4，全桥，全桥工作时可得输出电压工作时可得输出电压测量转换电路测量转换电路不平衡电桥不平衡电桥)(4)(44321443322110kURRRRRRRRUUii非线性误差非线性误差)(4)(2432144332211kURRRRRRRRUii非线性误差非线性误差相对灵敏度相对灵敏度非线性误差非线性误差相对灵敏度相对灵敏度0IR0U差动全桥差动全桥1/2 R/R1/2IRR/R1/2U相对半桥相对半桥01/2IR01/2U差动半桥差动半桥1/4R/

12、R1/4IR1/2 R/R1/4U单臂电桥单臂电桥恒流源电桥恒流源电桥恒压源电桥恒压源电桥电桥种类电桥种类 各种直流电桥的接入特性各种直流电桥的接入特性减小和消除非线性误差的方法减小和消除非线性误差的方法R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b)R3 R3R4 R4差动电桥差动电桥p柱式力传感器柱式力传感器 电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用柱式力传感器-2+1截面积SFFF面积S-1+2b）a） 2cos1121各种悬臂梁各种悬臂梁p梁式测力传感器梁式测力传感器 FF固定点固定点固定点固定点电缆电缆各种悬臂梁各种悬臂梁应变片在悬臂梁上的

13、粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2 R4 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生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。变形。轴向变短，径向变长。荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示电子秤电子秤 磅秤磅秤远距离远距离显示显示超市打印秤超市打印秤人体秤人体秤 结构如图所示。称重传感器采用准结构如图所示。称重传感器采用准S S型，双孔弹型，双孔弹性体，重力性体，重力P P作用在中心线上。弹性体双孔位置贴作用在中心线上。弹性体双孔位置贴四片箔式电阻应变片。双孔弹性体可简化为在一四片箔式电阻应变片。双孔弹性体可简化为在一端受一力偶端受一力偶M M，其大小与，其大小与P P及双孔弹性体长度有关。及双孔弹性体长度有关。 测量电路如图所示，由测量电路如图所示，由测量电桥、差动放大电路、测量电桥、差动放大电路、A/DA/D转换及显示等组成。转换及显示等组成。例：手提电子秤例：手提电子秤应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩