《传感器技术与应用》课件第二章电阻式传感器.ppt

2023/2/121第第2章章 电阻式传感器电阻式传感器2023/2/122引言引言n电阻式传感器的基本原理是将被测量的电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。经过转换电路变成电信号输出。n常用来测量力、压力、位移、应变、扭常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。矩、加速度等。n电阻式传感器的结构简单、性能稳定、电阻式传感器的结构简单、性能稳定、灵敏度较高，有的还适合于动态测量。灵敏度较高，有的还适合于动态测量。2023/2/1232.1 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器n电位器是一种常用的机电元件，广泛应电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各种电器和电子设备中。它是一种用于各种电器和电子设备中。它是一种把机械的线位移或角位移输入量转换为把机械的线位移或角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件，主要用于测量压力、高度、的传感元件，主要用于测量压力、高度、加速度、航面角等各种参数的测量加速度、航面角等各种参数的测量 2023/2/1242.1.1 电位器式电阻传感器的原理电位器式电阻传感器的原理n1线性电位器式传感器2023/2/125非线性电位器非线性电位器n对角位移式电位器来说，对角位移式电位器来说，U与滑动臂的与滑动臂的旋转角度成正比，即旋转角度成正比，即 2023/2/1262023/2/127 2.1.2 电位器式电阻传感器的基电位器式电阻传感器的基本特性及误差本特性及误差n电位器输出端接有负载电阻时，其特性电位器输出端接有负载电阻时，其特性称为负载特性。称为负载特性。2023/2/1282.1.2 电位器式电阻传感器的基本电位器式电阻传感器的基本特性及误差特性及误差n阶梯特性及误差阶梯特性及误差当电刷在多匝导线上移动时，电位器的阻值和输出当电刷在多匝导线上移动时，电位器的阻值和输出电压不是连续变化，而是阶跃式地变化。电压不是连续变化，而是阶跃式地变化。阶梯误差。阶梯误差。2023/2/1292.1.3 电位器式电阻传感器结构与电位器式电阻传感器结构与材料材料n1.线绕式电位器线绕式电位器n2.非线绕式电位器非线绕式电位器 1)合成膜电位器合成膜电位器2）金属膜电位器）金属膜电位器3)导电塑料电位器导电塑料电位器4)光电电位器光电电位器2023/2/1210 2.1.4 电位器式位移传感器电位器式位移传感器nYHD型电位器式位移传感器型电位器式位移传感器1测杆；2滑线电阻；3电刷；4弹簧；5滑快；6导轨；7外壳；8无感电阻。2023/2/12112.2 应变式电阻传感器应变式电阻传感器n2.2.1 应变效应和应变式电阻传感器的工作原应变效应和应变式电阻传感器的工作原理理n应变效应是指导体或半导体材料在受到外界力应变效应是指导体或半导体材料在受到外界力(拉力或压力拉力或压力)作用时，将产生机械变形，进而作用时，将产生机械变形，进而导致其电阻值的变化。导致其电阻值的变化。n当电阻率当电阻率、长度、长度 和面积和面积s一定时，物体的电阻与其电一定时，物体的电阻与其电阻率、长度和横截面积之间阻率、长度和横截面积之间的关系，可用式表示为的关系，可用式表示为2023/2/12122.2.2 电阻应变片的种类、材料及电阻应变片的种类、材料及黏贴黏贴电阻丝式应变片基本结构 应变片主要有金属应变片和半导体应变片两类。金属片有丝式、箔式、薄膜式3种电阻应变片 2023/2/12132023/2/1214 应变片的黏贴技术应变片的黏贴技术 应变片的检查应变片的检查 试件的表面处理试件的表面处理 确定贴片位置确定贴片位置 黏贴应变片黏贴应变片 固化处理固化处理 粘贴质量检查粘贴质量检查 引出线的固定与保护引出线的固定与保护 防潮防蚀处理防潮防蚀处理 2023/2/12152023/2/12162.2.3 电阻应变片的主要特性电阻应变片的主要特性n1.横向效应横向效应 n2.机械滞后、零漂和蠕变机械滞后、零漂和蠕变 n3.温度效应温度效应 2023/2/1217 应变片参数应变片参数 n（1）标准电阻值（）标准电阻值（R0）n（2）绝缘电阻（）绝缘电阻（RG）n（3）灵敏度系数（）灵敏度系数（K）n（4）应变极限（）应变极限（max）n（5）允许电流（）允许电流（Ie）允许电流是指应允许电流是指应变片允许通过的最大电流。变片允许通过的最大电流。n（6）机械滞后）机械滞后2023/2/12182.2.4 电阻应变片的温度误差及补偿电阻应变片的温度误差及补偿n电阻应变片由于温度效应引起的误差为温度误电阻应变片由于温度效应引起的误差为温度误差。原因有：电阻丝的电阻率随温度发生变化差。原因有：电阻丝的电阻率随温度发生变化；电阻丝和试件的线膨胀系数不同使其产生附；电阻丝和试件的线膨胀系数不同使其产生附加形变。加形变。1.自补偿法自补偿法2.线路补偿法线路补偿法2023/2/12192.2.5 测量电路测量电路n1.直流电路直流电路n2.交流电桥交流电桥机械应变一般在机械应变一般在10 3000 之间，而应变灵之间，而应变灵敏度敏度k值较小，因此电阻相对变化是很小的，用一值较小，因此电阻相对变化是很小的，用一般测量电阻的仪表是难直接测出来，必须用专门般测量电阻的仪表是难直接测出来，必须用专门的电路来测量这种微弱的变化。的电路来测量这种微弱的变化。2023/2/12201.直流电桥电路直流电桥电路 n直流电桥电路的直流电桥电路的4个桥臂是由个桥臂是由R1、R2、R3、R4组成，其中组成，其中a、c两端接直流电两端接直流电压压Ui，而，而b、d两端为输出端，其输出电两端为输出端，其输出电压为压为Uo。在测量前，取。在测量前，取R1R3=R2R4，输出电压为，输出电压为Uo=0。2023/2/12211.直流电桥电路直流电桥电路n当桥臂电阻发生变化，在电桥输出端的当桥臂电阻发生变化，在电桥输出端的负载电阻为无限大时，电桥输出电压可负载电阻为无限大时，电桥输出电压可近似表示为近似表示为 2023/2/12221.直流电桥电路直流电桥电路n一般采用全等臂形式，即一般采用全等臂形式，即R1=R2=R3=R4=R，2023/2/1223电桥工作方式电桥工作方式n 半桥单臂工作方式半桥单臂工作方式 n 半桥双臂工作方式半桥双臂工作方式 n 全桥全桥4臂工作方式臂工作方式 2023/2/1224 半桥单臂工作方式半桥单臂工作方式n传感器输出的电阻变化量传感器输出的电阻变化量R只接入电桥只接入电桥的一个桥臂中，在工作时，其余的一个桥臂中，在工作时，其余3个电阻个电阻的阻值没有变化（即的阻值没有变化（即R2=R3=R4=0）。电桥的输出电）。电桥的输出电压为压为 n灵敏度为灵敏度为 2023/2/1225 半桥双臂工作方式半桥双臂工作方式n安装两个工作应变片，一个受拉应变，安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂，称一个受压应变，接入电桥相邻桥臂，称为半桥差动电路，电桥的输出电压为为半桥差动电路，电桥的输出电压为nn灵敏度为灵敏度为n线性关系，温度补偿等优点。线性关系，温度补偿等优点。2023/2/1226 全桥全桥4臂工作方式臂工作方式n若将电桥若将电桥4臂接入臂接入4片应变片，即片应变片，即2个受拉应变，个受拉应变，2个受压应变，将个受压应变，将2个应变符号相同的接入相对个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。电桥的桥臂上，构成全桥差动电路。电桥的4个桥臂个桥臂的电阻值都发生变化，电桥的输出电压为的电阻值都发生变化，电桥的输出电压为nn灵敏度为灵敏度为n全桥差动电路没有非线性误差，电压灵敏度是全桥差动电路没有非线性误差，电压灵敏度是单片的单片的4倍，具有温度补偿作用。倍，具有温度补偿作用。2023/2/1227电桥的线路补偿电桥的线路补偿 n 零点补偿零点补偿n要求电桥的要求电桥的4个桥臂电阻值个桥臂电阻值n相同是不可能的，这样就使相同是不可能的，这样就使n电桥不能满足初始平衡条件电桥不能满足初始平衡条件n（即（即U00）。为了解决这）。为了解决这n一问题，可以在一对桥臂电一问题，可以在一对桥臂电n阻乘积较小的任一桥臂中串阻乘积较小的任一桥臂中串n联一个可调电阻进行调节补联一个可调电阻进行调节补n偿。偿。2023/2/1228 2.交流电桥交流电桥n由于供桥电源为交流电源，引线分布电由于供桥电源为交流电源，引线分布电容（容（和和）使得二桥臂应变片呈现复阻抗）使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性。特性。2023/2/1229 2.交流电桥交流电桥n交流电桥平衡调节交流电桥平衡调节由于分布电容的存在，交流信号的频率会影响电桥由于分布电容的存在，交流信号的频率会影响电桥的平衡，故在使用之前，要对电桥进行平衡调节。的平衡，故在使用之前，要对电桥进行平衡调节。2023/2/12302.2.6 应变式测力传感器应变式测力传感器 n应变式传感器由弹性元件、应变片、附件等组应变式传感器由弹性元件、应变片、附件等组成。成。主要用作各种电子称与材料试验机的测力元件、主要用作各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。水坝坝体承载状况监测等。n1.柱柱(筒筒)式传感器式传感器 n2.悬臂式传感器悬臂式传感器2023/2/1231应变式力传感器 应变式力传感器 FFFF2023/2/1232各种悬臂梁 2023/2/1233各种悬臂梁 FF固定点固定点固定点固定点电缆2023/2/1234应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2 R42023/2/1235应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF2023/2/1236汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料北京远亚兴业商贸有限公司资料）2023/2/1237压力传感器压力传感器 n压力传感器主要用于测量流体的压力压力传感器主要用于测量流体的压力 2023/2/1238位移传感器位移传感器n应变式位移传感器是把被测位移量转变应变式位移传感器是把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变，然后通过应成弹性元件的变形和应变，然后通过应变计和应变电桥，输出正比于被测位移变计和应变电桥，输出正比于被测位移的电量的电量 2023/2/1239 加速度传感器加速度传感器 2023/2/1240休息一下休息一下