CH2电阻式传感器复习课程.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。CH2 电阻式传感器-CH2电阻式传感器原理：将被测的物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而显示被测量值的变化；用途：测力、测压力；测位移；振幅、速度、加速度；测温度。2.1电位器式电阻传感器一、种类：按结构形式分：线绕式、非线绕式（簿膜式、光电式）；按特性分：线性电位器和非线性电位器。二、电位器的结构：电阻丝、电刷、骨架三、线绕电位器式传感器线绕电位器的电阻体由电阻丝缠绕在绝缘物上构成，电阻丝种类很多，电阻丝的材料是根据电位器的结构、容纳电阻丝的空间、电阻值和温度系数来选择的。电阻丝越细，在给定空间内越能获得较大的阻值和分辨率。但电阻丝太细，在使用过程中易断开，影响寿命。由于电阻体由电阻丝绕制，线绕电位器能承受较高温度，常被制成功率型电位器。其额定功率范围一般为0.2550W，阻值范围为100欧lOO千欧之间。优缺点：（）优点：结构简单、尺寸小、重量轻、精度高、输出信号大、性能稳定；（）缺点：要求输出能量大、分辨率低、容易磨损。1线性电位器（）空载特性灵敏度：电阻灵敏度：电压灵敏度：（2）分辨率：(电压分辨率)(行程分辨率)（n为匝数）2非线性电位器(h为骨架高度，呈曲线变化)电阻灵敏度：电压灵敏度：负载特性（输出端有负载电阻）：如图（）空载特性：四、非线绕电位器式为克服线绕电位器存在的缺点，人们从电阻体的材料及制造工艺人手，发展了各种非线绕式电位器。(1)合成膜电位器：它的电阻体用具有某一电阻值的悬浮液喷涂在绝缘骨架上形成电阻膜而制成。其优点是分辨率较高、阻值范围很宽(100欧4.7兆欧)，耐磨性较好，工艺简单、成本低、输入-输出信号的线性度好；其主要缺点是接触电阻大、功率不够大、易吸潮、噪声较大。(2)金属膜电位器:它由合金、金属或金属氧化物等材料通过真空溅射或电镀方法，在瓷基体上沉积一层薄膜而制成。它的优点是具有无限分辨力(理论上)，接触电阻很小，耐热性好，它的满负荷温度可达70，与线绕电位器相比，它的分布电容和分布电感很小，所以特别适合在高频条件下使用，它的噪声仅高于线性电位器。其缺点是耐磨性较差，阻值范围窄，一般在10欧100千欧之间。(3)导电塑料电位器:它又称有机实心电位器，这种电位器的电阻体由塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成。优点：耐磨性好，寿命长，允许电刷接触压力很大。因此它在振动、冲击等恶劣环境下仍能可靠地工作。此外，其分辨率较高，线性度较好，阻值范围大，能承受较大的功率。其缺点是阻值易受温度和湿度影响，精度不易做得高。(4)导电玻璃釉电位器(又称金属陶瓷电位器):它以合金、金属氧化物或难溶化合物等为导电材料，以玻璃釉粉为粘合剂，经混合绕结在陶瓷或玻璃基体上制成，导电玻璃釉电位器耐高温，耐磨性好，阻值范围较宽，电阻温度系数小，且抗湿性强。其缺点是接触电阻变化大，噪声大，不易保证测量的高精度。（5）光电电位器式传感器图2-1光电电位器式传感器结构及原理图1一基体；2电阻体；3一光电导层4一光束；5一导电电极这是一种非接触式电位器，它用光束代替电刷，如图所示。它由电阻体光电导层和导电极组成，光电电位器的制作过程是在基体上沉积一层磷化镉或硒化镉的光电导层，然后在光电导层上再沉积一条电阻体和一条导电电极。在电阻和导电极之问留有一条狭窄间隙。无光照时，电阻体和导电电极之间由于光电导层电阻很大而呈绝缘态。当光束照在电阻体和导电电极的问隙上时，由于光电导层被照射部位的亮电阻很小，使电阻体被照部位和导电电极导通，于是光电位器的输出端就有电压输出，输出电压的大小与光束位移照射到的位置有关，从而实现将光束位移转换为电压信号输出。光电电位器的最大优点是非接触性、无摩擦，不会对传感器系统带来任何有害的摩擦力矩，从而提高了传感器的精度、寿命、可靠性及分辨率。其缺点是线性度差，输出阻抗较高，需配接高输入阻抗放大器。尽管光电电位器有不少缺点，但其优点是其他电位器所无法比拟的，因此在许多场合得到应用。此外新型的电位器传感器还有巨磁电阻型电位器等。新型的电位器除了角位移型外还有直线位移型等。五、电位器主要技术特性(1)最大阻值和最小阻值。电位器最大阻值指电位器的标称阻值，最小阻值又称零阻值，因存在接触电阻，故最小阻值也就是电位器的接触电阻。(2)阻值变化规律。为适应不同的用途，电位器阻值变化规律也做成了不同形式。常用阻值变化规律为：直线式、指数式、对数式，如图所示。X表示直线式，z为指数式，D为对数式。在位移线感器中大多使用直线式。(3)线性电位器的线性度。图2-2常用阻值变化规律x图2-3线性电位器特性曲线(4)滑动噪声:由于电位器电阻体电阻分配不当，转动系统配合不好及存在接触电阻等原因,会使电位器的接触电阻在移动时，输出端除有用的传感信号外，还伴有随传感信号起伏不定的噪声电压，这就是滑动噪声。滑动噪声会直接对测试结果带来影响.2.2应变片式电阻传感器电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片(计)是电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片既可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。利用电阻应变效应工作的应变式力学量传感器除了基于金属材料应变效应工作的一类外，目前常用的还有基于半导体材料压阻效应的压阻式传感器。本章主要介绍金属电阻应变片的工作原理、特点、测量电路及典型应变传感器的应用。一、金属电阻应变片的结构和类型金属电阻应变片的基本结构如图2-4所示，它由盖层、敏感栅、基底及引线四部分组成。敏感栅可由金属丝、金属箔制成，它是转换元件，它被粘贴在基底上。用粘合剂粘贴在传感器弹性元件或试件上的应变片通过基底把应变传递到敏感栅上，同时基底起绝缘作用。盖层起绝缘保护作用。焊接于敏感栅两端的引线作连接测量导线之用。(a)丝式(b)箔式图24应变计(片)的结构及组成l-敏感栅；2-基底；3-引线；4-盖层；5-粘结剂常用金属应变片有：金属丝式应变片、箔式应变片以及金属薄膜应变片等。金属丝式应变片的敏感栅由金属丝绕制而成。金属丝材料为电阻率大而电阻温度系数小的材料。丝式应变片的规格一般以使用面积(L×b)和敏感栅的电阻值来表示。阻值一般在501000欧范围内，常用的为120欧。箔式应变片的敏感栅通过光刻、腐蚀等工艺制成，可根据需要制成任意形状，具有表面积大、散热性好、允许电流大、便于成批生产等优点。金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积的方法制成，它将可产生形变的金属或合金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂。这样应变片的性能更好，灵敏度高。所谓薄膜指厚度在01微米以下的金属膜。厚度在25微米左右的称厚膜箔式应变片即属厚膜。二、金属电阻应变片工作原理金属电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应。导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象称为电阻应变效应。设有一根圆截面的金属电阻丝如图2-5所示。其原始电阻为式中金属丝的电阻率，；金属丝长，（）；金属丝的横截面积，；金属丝直径，。图2-5金属电阻丝受拉变形当电阻丝受轴向力F作用被拉伸时，其阻值将发生变化。设此时电阻丝伸长了，截面积缩小了，直径缩小了，电阻变化，对上式作全微分有因，而为金属丝的径向应变，为轴向应变。由材料力学知，式中材料的泊松系数。令电阻丝的灵敏系数为则有，的物理意义为：金属电阻丝发生轴向应变时，其电阻相对变化与其应变的比值，也即单位应变下的电阻变化率。主要取决于两个因素：金属丝的几何尺寸变化(1十2)；导体受力后，材料电阻率发生变化。对金属电阻丝材料来讲，一般以几何尺寸变化因素为主；而对半导体材料，则以电阻率变化因素为主，其灵敏系数也大许多。对大多数金属电阻材料，在其弹性范围内，为常数，其值在26之间。三、应变片的主要特性及参数电阻应变片的工作特性指用数据或曲线表达的应变片的性能和特点。应变片的主要参数是指能反映应变片性能优劣的指标。实际上通过应变片的主要参数就能得知其工作特性。(1)应变片初始电阻值:指应变片未贴前在室温下测定的静态电阻值。常见的有60、120、200、250、600和1000等类型。(2)灵敏系数是k:应变片的灵敏系数k值及其误差一般以平均灵敏系数值及相应均方根差表示：k=k±。(3)允许工作电流:又称最大工作电流，指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流值Imax.确定J一值是由多种因素综合考虑的结果，一般由厂家提供。丝式应变片通常规定为25mA，但对动态测量或使用箔式应变片时可取得大一些。另外，选取值时还应考虑被测构件材料导热性的好坏。(4)应变极限lim:应变片所能测量的最大应变值称为应变极限。一般认为，在室温条件下，指示应变降低到试件的真实应变的90时，应变片就已开始失去工作能力，此时应变片能测试应变的最大值即应变极限。(5)温度效应及热输出:应变片粘贴到试件上，由于环境温度变化的影响，将使电阻产生相对变化，这种现象称为应变片的温度效应。由温度变化引起的应变输出称为热输出。热输出t定义为：当应变片安装在某一线膨胀系数的试件上，试件可自由膨胀，并不受外力作用，在缓慢升(或降)温的均匀温度场内，由温度变化引起的指示应变。其表达式为式中(RR)应变片由温度所引起的总的电阻相对变化；应变片的热输出(又称虚假应变)；k应变片灵敏系数；敏感栅材料的电阻温度系数；试件材料的线膨胀系数，1；敏感栅材料的线膨胀系数，1/；t环境温度变化量。欲使减小，则应使值小，k值大，、接近或相等。实际中，温度变化所引起的热输出较大，有时会超过被测量值而造成较大误差。实际中常用的补偿方法有两种：桥路补偿法，用于常温下的测量；使用温度有补偿应变片，用于高温下的测量。四、电阻应变片的选用和粘贴电阻应变片的选用需根据使用的目的、要求、对象及环境条件等因素来选择具体的类别和结构型式及具体参数标称值。应变片的使用性能，不仅取决于应变片本身的质量，还取决于对它的正确使用，对常用的粘贴式应变片，粘贴质量是关键。粘贴要求在选择好粘结剂后按一定的工艺规程进行操作。对粘贴质量要求较高的情况，可请专业人员来操作。五、应变片测量电路电阻应变片把机械应变信号转换为RR后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此要采用转换电路把应变片的RR变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥(直流电桥、交流电桥)。直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。如图26所示为一直流供电的平衡电阻电桥。四个桥臂由组成，E为直流电源，接于A、C两顶点，电桥从B、D两顶点接线输出。B当电桥输出端(B、D)接无穷大负载电阻(实际只要大到一定数值即可)时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。当忽略电源E的内阻时，由分压原理有(2-1)当满足条件时，即电桥平衡。应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。应变片接人电桥通常有三种情况：(1)单臂工作:即只有一支应变片接入电桥。设为接入的应变片，测量时的变化为R，对半等臂卧式桥及全等臂桥，电桥输出电压为一般，所以又，则有，(2)半桥工作：即有两只应变片接入电桥。当两应变片差动工作时，若接入应变片(即)，对卧式桥和全等臂桥有:(3)全桥工作：即四个桥臂电阻均为应变片电阻。若差动工作，即，则电桥输出为:(4)设电桥初始平衡，四臂工作，各臂应变片电阻变化分别为，代入式(2-1),当，I=l、2、3、4，略去二阶微量后，对半等臂桥()和全等桥，对上式化简后可得:由上分析可知，直流电桥作应变片测量电路，当应变片的电阻变化量时，电桥输出电压与其电阻的相对变化RR为线性关系，也即电桥输出电压与被测应变成线性关系。在相同条件下(供电电源和应变片型号)，等臂电桥与卧式电桥相同，差动工作比单臂工作输出信号大，半桥差动输出为单臂输出的2倍，全桥差动输出是单臂输出的4倍。六、应用（4345）（一）应变式测力传感器1、圆柱式力传感器：、；、串接；横向贴片作温度补偿。2、梁式传感器：图2-33。（二）应变式压力传感器：测量流体压力，有膜片式、筒式、组合式等结构。图2-34；（三）应变式扭矩传感器：将应变片直接粘贴在被测轴上。图2-35。（四）应变式加速度传感器：ma。图2-36。本章要点、电位器式电阻传感器Ø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)行程分辨率定义(公式2-11)Ø非线性电位器Ø负载特性与负载误差(公式2-20,2-21,2-22,2-23)Ø电位器的结构与材料Ø电位器式传感器应用举例|2、应变片式电阻传感器Ø电阻应变片的工作原理；Ø金属电阻应变片主要特性；温度效应(公式2-30)Ø温度误差及其补偿；自补偿法:单丝自补偿法(公式2-35)组合式自补偿法(公式2-36,2-37)；线路补偿法；Ø应变片式电阻传感器的测量电路直流电桥平衡条件(公式2-41)；直流电桥电压灵敏度(公式2-44)-