电阻式传感器

1、第2章 电阻式传感器,基本原理 将被测量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而最后显示被测量值的变化。,2.1 电位器式传感器,电位器是一种常用的机电元件。作为传感器，可以把线位移或角位移转换为与之成一定函数关系的电阻或电压。 优点：结构简单、尺寸小、重量轻、精度高、输出信号大、性能稳定并容易实现任意函数。 缺点：要求输入能量大，电刷与电阻元件之间容易磨损。 按结构：线绕式、薄膜式、光电式等； 按特性：线性电位器、非线性电位器。 常用的以单圈线绕电位器居多。,2.1.1 线性电位器,线性电位器的空载特性,图2-1 电位器式位移传感器原理图,图2-2 电位器式角度传感器,图2-3 线性线

2、绕电位器示意图,电阻灵敏度 电压灵敏度,阶梯特性、阶梯误差和分辨率,图2-4 局部剖面和阶梯特性图,图2-5 理想阶梯特性曲线,2.1.2 非线性电位器（函数电位器）,空载时电位器的输出电压（或电阻）与电刷行程之间具有非线性函数关系。 指数函数、对数函数、三角函数等 常用的非线性线绕电位器有变骨架式、变节距式、分路电阻式、电位给定式四种。,图2-6 变骨架电位器,骨架高度h呈曲线变化：,2.1.3 负载特性与负载误差,图2-7 带负载的电位器电路,电位器输出电压：,图2-8 电位器的负载特性曲线族,负载误差：,图2-10 非线性电位器的空载特性与线性电位器的负载特性的镜像关系,m0时为空载,2

3、.1.4 电位器的结构与材料,电位器通常都是由骨架、电阻元件及活动电刷组成。常用的线绕式电位器的电阻元件由金属电阻丝绕成。,图2-12 压力传感器原理图,图2-13 膜盒电位器式压力传感器原理图,图2-14 电位器式位移传感器示意图,图2-15 测小位移传感器示意图,图2-16 电位器式加速度传感器示意图,2.2.1 电阻应变片的工作原理,电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随机械变形而发生变化的现象。,2.2 应变片式传感器,设金属丝长度为l，截面积为S，电阻率为，,则其阻值为:,金属丝变形时，、l、S将同时发生变化，从而导致R改变。,若、l、S的变化量为d、dl、dS

4、，则,图2-17 金属丝伸长后几何尺寸变化,即：,对半径为r的金属电阻丝有：,，,：电阻丝轴向相对变形，称轴向应变（纵向应变）。,：电阻丝径向相对变形，称径向应变（横向应变）。,横向应变与纵向应变间的关系为,为泊松比,E为电阻丝材料的弹性模量；为压阻系数，与材质有关。,受力后电阻丝几何尺寸变化所引起，对于同一材料（1+2）为常数。,受力后电阻率的改变引起，对金属材料，E 很小。, 在电阻丝拉伸比例范围内，电阻相对变化与其所受的轴向应变成正比。,：电阻率相对变化，与电阻丝轴向所受正应力有关。,电阻应变片的应变系数或灵敏度k0定义为:,对金属电阻丝，k0 =1.73.6。,1. 应变片的基本结构,

5、典型结构：将一根高电阻率金属丝绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路中。,L 栅长 B 栅宽 3mm20mm，120,2.2.2 金属电阻应变片结构及材料,2. 电阻应变片的分类,按敏感栅的结构分为丝式、箔式和膜式。,1）丝式应变片,金属丝式应变片有回线式和短接式两种。,回线式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应较大。 短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大 510倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。 丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。 常用材料：康铜、镍铬、卡玛合金等，直径 0.025 mm左右。 安全电流：1050 mA，电阻：50 100

6、0 （典型120 ）。,2）箔式应变片,箔式应变片由厚度为 310 m 的康铜箔或镍铬箔经光刻、腐蚀工艺制成敏感栅。,大批量生产，可制成多种复杂形状。,散热好，允许电流大。,横向效应、蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。,柔性好（可贴于形状复杂的表面），传递试件应变性能好。,3）膜式应变片,采用真空蒸发或真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度小于0.1 m的金属电阻薄膜敏感栅。,应变灵敏度大。,允许电流密度大。,工作范围广，可达-197317 。,按基底材料分为纸基和胶基。 按被测应力场分为测量单向应力的应变片和测量平面应力的应变花。,图2-20 各式箔式应变花,3.压阻式传感器（半导体应变片）,

7、压阻效应:,半导体材料受到应力作用时，其电阻率发生变化的现象。,半导体在外力作用下的电阻变化量为：,对半导体而言，电阻率变化引起的电阻变化 E 远远大于形变引起的电阻变化(1+2) 。,实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的压阻效应特别强。,E为电阻丝材料的弹性模量；为压阻系数。,灵敏度：,半导体电阻材料的灵敏度比金属丝(k0=1.73.6)要高数十倍。,例：对于半导体硅，,=(4080)10-11 m2/N，,E=1.671011 Pa,则k0 = E50100。,2.2.2 金属电阻应变片主要特性,灵敏系数 横向效应 机械滞后，零漂及蠕变 温度效应 应变极限、疲劳寿命 绝

8、缘电阻、最大工作电流,灵敏系数,横向效应,机械滞后,零漂及蠕变,温度效应,应变极限、疲劳寿命,绝缘电阻、最大工作电流,2.2.3 温度误差及补偿,在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数t及栅丝与试件膨胀系数(g及s)之差异性而产生虚假应变，输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。,通常温度误差补偿方法有两类： 自补偿法 1单丝自补偿法 2组合式自补偿法 线路补偿法,单丝自补偿法,组合式自补偿法（双金属丝栅法）,图2-25 组合式自动补偿法之一,图2-26 组合式自动补偿法之二,图2-27 电桥补偿法,线路补偿法,B,图2-28 差动电桥补偿法,2.2.4 应变片式电阻传感器的测量电路,直流

9、电桥 直流电桥平衡条件 直流电桥电压灵敏度 电桥的非线性误差 交流电桥 交流电桥的平衡条件 交流应变电桥的平衡调节,按照激励电源的性质，分为直流电桥和交流电桥。,分类:,只能用于测量电阻的变化,可以测量电阻、电感和电容的变化,1.直流电桥（采用直流电源的电桥）,2020/6/28,(2)电桥的平衡条件,(1)电桥输出电压 Uab与Uad之间的电位差,4,相对臂的电阻乘积相等。,直流电桥的连接方式,(a) 半桥单臂 (b) 半桥双臂 (c) 全桥,差动电桥： 相对臂电阻变化符号相同； 相邻臂电阻变化符号相反。,电桥开始处于平衡状态，当各桥臂电阻发生微小变化时电桥失去平衡，其输出为,(3) 电桥的

10、灵敏度,一般R很小（RR），又由于电桥开始时平衡，即,所以,2020/6/28,半桥单臂接法:,半桥双臂接法:,全桥接法：,实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最大灵敏度，往往取桥臂电阻相等（等臂电桥），即,2020/6/28,电桥的灵敏度：,则三种接法的灵敏度比分别为12 4。,桥臂电阻单位相对变化量引起的输出电压变化量。,直流电桥的非线性误差,2. 交流电桥（采用交流电源的电桥）,以阻抗代替电阻，直流电桥平衡条件式可改写为,阻抗的复指数形式,(1) 交流电桥平衡条件,交流电桥平衡条件为,相对两臂阻抗模乘积相等， 阻抗角之和相等。,图2-31 常见调平衡电路,2020/6/28

11、,或C1R1=C2R2,2.2.5 应变片式电阻传感器的应用举例,例：已知公式 ，应变片初始电阻R=120，灵敏度系数K=2，纵向应变 为1000时，求该应变片电阻的绝对变化量。 解：R RK0.24 ,上例中各参数均为应变片较有代表性的参数，纵向应变量也取得十分大（通常应变片的线性工作范围仅有600 ）。 由此可以得出以下结论： 应变片式传感器对应变产生的电阻变化量很小，通常是在几欧以下。 要求测量电路必须能够测量微小电阻的变化。电桥电路是最常用的测量微小电阻变化的电路。,图2-32 弹性元件的形式,空心圆柱弹性元件,空心圆柱（圆筒）式弹性元件多用于小集中力的测量。 一般将应变片对称地贴在应

12、力均匀的圆柱中部表面并通过电桥连接以尽可能消除偏心和弯矩的影响。,对图示四个轴向和四个横向片，连接成串联全桥电路后，其轴向应变为：,梁的截面成等腰三角形，集中力F 作用在三角形顶点，梁内各横截面产生的应力是相等的，表面上任意位置的应变也相等，因此称为等强度梁。,等强度梁的各点由于应变相等，故应变片的粘贴位置要求不严格。在粘贴应变片处的应变为：,等强度梁,图2-34 膜片上应力分布图,环式弹性元件,圆环式,在圆环上施加径向力 Fy 时，圆环各处的应变不同，在与作用力成39.6处应变等于零，称为应变节点，而在水平中心线上应变最大。将应变片 R1、R2、R3和 R4贴在水平中心线上， R1、 R3受

13、拉应力， R2、R4受压应力。,如果圆环一侧固定，另一侧受切向力Fx时，与受力点成90处应变等于零。将应变片 R5、R6、R7和 R8 贴在与垂直中心线成 39.6处， R5、R7受拉应力、 R6、R8受压应力。,当圆环上同时作用力Fx和Fy时，将应变片 R1R4、R5 R8 分别组成电桥，就可以互不干扰地测量力Fx和Fy 。,八角环式,八角环厚度为h，平均半径为r。 当h/r较小时，零应变点在39.6附近。 随h/r值的增大，当h/r=0.4时，应变节点在45处，故一般测力Fx时，应变片贴在45处。,当测力Fz时 (或力Fz形成的弯矩Mz 时)，在八角环水平中心线产生最大应变，应变片 R9R12 贴在该处并成斜向 45布片组成电桥。,轮辐式弹性元件,轮辐的最大切应力及弯曲应力分别为,令h/l=a，则,为了使弹性元件具有足够的输出灵敏度且不发生弯曲破坏，h/l比值一般取在1.21.6之间。,图2-35 扭矩传感器,1= 2=0 3=,图2-36 应变式加速度传感器,本章要点,电位器式电阻传感器 线性电位器 线性电位器的空载特性 (公式2-1,2-2) 位移传感器灵敏度 (公式2-5,2-6) 阶梯特性、阶梯误差和分辨率 (公式2-7) 电压分辨率定义 (公式2-10) 行程分辨率定