CH2电阻式传感器课件

第第2 2章章 电阻传感器电阻传感器下页下页返回返回 主讲人：李秀媛主讲人：李秀媛2013-8图库图库 第二部分第二部分 常用传感器常用传感器1.第第2 2章章 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器是将电阻式传感器是将被测物理量的变化转换成电被测物理量的变化转换成电阻值的变化阻值的变化的传感器的传感器，它是目前非电量检测技术中它是目前非电量检测技术中应用最广、最成熟、最重要的传感器。应用最广、最成熟、最重要的传感器。电阻式传感器可用来测力、测压强、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等测试系统。本章主要讲解：电位器式、应变片式传感器，本章主要讲解：电位器式、应变片式传感器，热电阻式传感器在后续章节讲解。下页下页返回返回图库图库2.2.1 电位器式传感器电位器式传感器|1、结构及工作原理、结构及工作原理 电位器（滑动变阻器），电位器（滑动变阻器），它是把机械的线位移或角位移输它是把机械的线位移或角位移输入量转换为一定关系的电阻（或电压输出）的传感元件。入量转换为一定关系的电阻（或电压输出）的传感元件。电位器的种类很多，按其结构形式不同，可分为线绕式、薄膜式、光电式等；按特性不同，可分为线性电位器和非线性电位器。目前常用的以单圈线绕电位器居多。下页下页上页上页返回返回图库图库薄膜式薄膜式线绕式线绕式3.2.1 电位器式传感器电位器式传感器|电位器的种类很多，电位器的种类很多，按特性不同按特性不同，可分为线性电位器和非，可分为线性电位器和非线性电位器。目前常用的以单圈线绕电位器居多。线性电位器。目前常用的以单圈线绕电位器居多。|电位器式传感优点：结构简单、尺寸小、重量轻、输出信电位器式传感优点：结构简单、尺寸小、重量轻、输出信号大、性能稳定并容易实现任意函数。其缺点是要求输入号大、性能稳定并容易实现任意函数。其缺点是要求输入能量大，电刷与电阻元件之间容易磨损。能量大，电刷与电阻元件之间容易磨损。下页下页上页上页返回返回图库图库线性线性电位电位器器非线非线性电性电位器位器4.退出退出图2-1 电位器式位移传感器原理图全长全长Xmax，电阻电阻Rmax。当滑臂从。当滑臂从A向向B滑动到一点滑动到一点x后，电后，电阻阻Rx：2.1 电位器式传感器电位器式传感器|工作原理工作原理骨架骨架绕线绕线滑臂滑臂5.退出退出图2-2 电位器式角度传感器全角度全角度amax，电阻电阻Rmax。当滑臂从。当滑臂从A向向B转动一个角转动一个角度度a后，电阻后，电阻Rx：6.2.1 电位器式传感器电位器式传感器|2、特性参数、特性参数 下页下页上页上页返回返回图库图库位移式电位器式传感器位移式电位器式传感器角度式电位器式传感器角度式电位器式传感器灵敏度考量灵敏度考量位移式位移式角度式角度式线性线性7.退出退出 图2-3 线性线绕电位器示意图线性线绕电位器，骨架截面处处相等，由材料均匀的导线按线性线绕电位器，骨架截面处处相等，由材料均匀的导线按相等的绕距绕成。相等的绕距绕成。更准确的灵敏度计算发现，灵敏度不仅与电阻率有关，还与更准确的灵敏度计算发现，灵敏度不仅与电阻率有关，还与骨架尺寸、绕线直径、绕线节距有关，也骨架尺寸、绕线直径、绕线节距有关，也和通过电位器的电和通过电位器的电流大小有关流大小有关。实际灵敏度考量实际灵敏度考量8.退出退出图2-4 局部剖面和阶梯特性图绘制输入位移绘制输入位移x和输出电压和输出电压ux的关系图，发现图中阶梯特性。原的关系图，发现图中阶梯特性。原因：电刷在与一匝导线接触中，虽有微小位移但电阻值不变化。因：电刷在与一匝导线接触中，虽有微小位移但电阻值不变化。当电刷离开这匝而与下一匝接触，电阻突然增加一匝导线阻值。当电刷离开这匝而与下一匝接触，电阻突然增加一匝导线阻值。9.退出退出电位器的电压分辨率定义为：在电刷行程内，电位器输出电电位器的电压分辨率定义为：在电刷行程内，电位器输出电压阶梯的最大值（最小可分辨的输出电压间隔）与最大输出压阶梯的最大值（最小可分辨的输出电压间隔）与最大输出电压电压Umax的比值的百分数，即：的比值的百分数，即：实际改善阶梯误差和分辨率方法：实际改善阶梯误差和分辨率方法：增加导线匝数。增加导线匝数。分辨率分辨率10.图2-6 变骨架式电位器3 3、非线性电位器、非线性电位器 当采用变截面的骨架，即使滑臂移动相同的位移，电阻当采用变截面的骨架，即使滑臂移动相同的位移，电阻值的变化不同（值的变化不同（非线性电位器非线性电位器）。）。非线性电位器是指在空载时其输出电压(或电阻)与电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器，也称函数电位器。下页下页上页上页返回返回图库图库11.4、电位器式传感器的负载特性、电位器式传感器的负载特性下页下页上页上页返回返回图库图库电位器的输出端接负载时，输出电压特性称为负载特性。负电位器的输出端接负载时，输出电压特性称为负载特性。负载特性相对于空载特性的输出电压的偏差（两者的比）称为载特性相对于空载特性的输出电压的偏差（两者的比）称为负载误差负载误差。图2-8 电位器的负载特性曲线族其中，其中，12.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，会产生机械变形，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，这种现象称为应变效应。其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。分析分析:设有一长度为设有一长度为l、截面积为、截面积为S、半径为、半径为r、电阻率为、电阻率为 的金属的金属单丝，它的电阻值单丝，它的电阻值R可表示为可表示为当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如金发生变化。例如金属丝受拉时，属丝受拉时，l将变长、将变长、r变小，均导致变小，均导致R变大。变大。2.2 电阻应变片式传感器（电阻应变片式传感器（金属应变片金属应变片+半导体半导体应变片应变片）13.2.2 电阻应变片式传感器（电阻应变片式传感器（金属应变片金属应变片+半导体半导体应变片应变片）下页下页上页上页返回返回图库图库1 1、工作原理、工作原理图2-17 金属丝伸长后几何尺寸变化引起的电阻变化引起的电阻变化是长度应变系数是长度应变系数14.2.2 电阻应变片式传感器（电阻应变片式传感器（金属应变片金属应变片+半导体半导体应变片应变片）对半导体应变片而言，也有电阻应变效应，即半导体产对半导体应变片而言，也有电阻应变效应，即半导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。下页下页上页上页返回返回图库图库1 1、工作原理、工作原理其中，引起的电阻变化的主要是电导率的变化其中，引起的电阻变化的主要是电导率的变化是长度应变系数是长度应变系数灵敏度：灵敏度：15.电阻丝的轴向应变和受力间的关系：电阻丝的轴向应变和受力间的关系：电电阻阻丝丝及及应应变变片片的的电电阻阻相相对对变变化化量量 R R与与材材料料力力学中的轴向应变学中的轴向应变 l的关系在很大范围内是线性的，即的关系在很大范围内是线性的，即K Ks s电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度由材料力学可知，由材料力学可知，l=F/（SE），所以），所以 R/R又可表示为又可表示为 结论：结论：如果应变片的灵敏度如果应变片的灵敏度K Ks s 和试件的横截面积和试件的横截面积S S以及以及弹性模量弹性模量均为已知，则只要设法测出均为已知，则只要设法测出 R R/R R的数值，即可的数值，即可获知试件受力获知试件受力的大小，例如可用于电子秤的称重或测量加的大小，例如可用于电子秤的称重或测量加速度。速度。16.2.2 电阻应变片式传感器（电阻应变片式传感器（金属应变片金属应变片+半导体半导体应变片应变片）返回返回2 2、基本结构、基本结构2-18 金属丝应变片的基本结构图中，5 敏感栅（金属丝）；6 引线；除此之外还有，基底、粘合剂、覆盖层等17.2.2 电阻应变片式传感器（电阻应变片式传感器（金属应变片金属应变片+半导体半导体应变片应变片）返回返回2 2、基本结构、基本结构2-19 箔式应变片的基本结构图中，1 敏感栅；2 引线；3 基底18.2.2 电阻应变片式传感器（电阻应变片式传感器（金属应变片金属应变片+半导体半导体应变片应变片）返回返回2 2、基本结构、基本结构2-20 各种箔式应变片19.金属金属丝式式应变片片 使用最早，有使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属基、胶基之分。由于金属丝式式应变片蠕片蠕变较大，金属大，金属丝易脱胶，有逐易脱胶，有逐渐被箔式所取代的被箔式所取代的趋势。但其。但其价格便宜，多用于价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性力的大批量、一次性试验 金属丝式应变片和箔式应变片比较金属丝式应变片和箔式应变片比较箔式应变片：箔式应变片：箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的 材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较 好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于 大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处 理，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各理，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。种应变式传感器中。20.2.2 电阻应变片式传感器（电阻应变片式传感器（金属应变片金属应变片+半导体半导体应变片应变片）返回返回3 3、应变片的命名、应变片的命名应变片的命名方法从应变片的命名方法从1993年年7月月1日开始实施，标准号日开始实施，标准号GB/TI3993-92，主要内容，由汉语拼音字母和数字共，主要内容，由汉语拼音字母和数字共7项组成，项组成，从左到右依次排列：从左到右依次排列：1）第）第I项字母表示应变片类别；项字母表示应变片类别；2）第）第II项字母表示应变片基底材料；项字母表示应变片基底材料；3）第）第III项数字表示标称电阻值，单位：欧姆；项数字表示标称电阻值，单位：欧姆；4）第）第IV项数字表示应变片的栅长，单位：项数字表示应变片的栅长，单位：mm5）第）第V项两个字母表示应变片的形状；项两个字母表示应变片的形状；6）第）第VI项数字表示应变片的极限工作温度；项数字表示应变片的极限工作温度；7）第）第VII项表示温度自补偿所适用试件材料的线膨胀系数。项表示温度自补偿所适用试件材料的线膨胀系数。21.2.2 电阻应变片式传感器（电阻应变片式传感器（金属应变片金属应变片+半导体半导体应变片应变片）返回返回3 3、应变片的命名、应变片的命名22.康铜是现在电阻应变片康铜是现在电阻应变片应用较多的材料。应用较多的材料。1）去污：去污：采用手持砂轮工具除去采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力细纹以增加粘贴力，用浸有，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。棉球擦洗。应变片的粘贴应变片的粘贴23.2 2）贴片：）贴片：在应变片的表面和处理在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶均匀的粘贴胶 ，用镊子将，用镊子将应变片放上去，并调好位置，应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡揉和滚压，排出下面的气泡 。24.3）测量）测量：从分开的端子处，从分开的端子处，预先用万用表测量应变预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。断和坏的应变片。4）焊接：）焊接：将引线和端子用将引线和端子用烙铁焊接起来，注意烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。不要把端子扯断。25.5）固定：）固定：焊接后用胶布将引焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应起，防止损坏引线和应变片。变片。26.4 电阻传感器的测量电路（重点）电阻传感器的测量电路（重点）下页下页上页上页返回返回图库图库由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻值的变化测量出来，需要设计专业的测量电路把电阻值的变化测量出来，需要设计专业的测量电路把电阻的变化转换成电阻的变化转换成电压或电流的变化电压或电流的变化。最常用的电路是桥式电路。最常用的电路是桥式电路。桥式电路的主要指标：桥路的灵敏度；非线性和负载桥式电路的主要指标：桥路的灵敏度；非线性和负载特性。特性。27.-+-U Uo oR1R1R3R3E ER2R2R4R4 电桥平衡的条件：电桥平衡的条件：为了使电桥在测量前的输出为了使电桥在测量前的输出电压为零，应该选择四个桥臂电电压为零，应该选择四个桥臂电阻，使阻，使R R1 1R R4 4=R R2 2R R3 3或或R R1 1/R R2 2=R R3 3/R R4 4。此时桥路的输出电压为：此时桥路的输出电压为：28.-+-U Uo oR1R1R3R3E ER2R2R4R4单臂半桥测量电路单臂半桥测量电路单臂半桥工作方式：单臂半桥工作方式：R R1 1为应变片，为应变片，R R2 2、R R3 3、R R4 4为固定为固定电阻，即电阻，即 R R2 2 R R4 4均为零，均为零，此此时输出电压为：时输出电压为：忽略第忽略第1项分母中项分母中的电阻变化率的电阻变化率设：设：R2/R1=R4/R3=n29.-+-U Uo oR1R1R3R3E ER2R2R4R4单臂半桥测量电路单臂半桥测量电路1 1、分析电压灵敏度、分析电压灵敏度即输出电压变化即输出电压变化/中间量电阻变中间量电阻变化化设：设：R2/R1=R4/R3=n由由KuKu的公式，可知电压灵敏度与输入电压的公式，可知电压灵敏度与输入电压E E和电阻臂和电阻臂的比值的比值n n有关。有关。通过数学计算可得，当通过数学计算可得，当n=1n=1时，时，KuKu取极大值。取极大值。30.-+-U Uo oR1R1R3R3E ER2R2R4R4单臂半桥测量电路单臂半桥测量电路2 2、分析非线性（、分析非线性（了解了解）上述计算，忽略了分母中电阻上述计算，忽略了分母中电阻变化率，引入误差变化率，引入误差设：实际输出电压设：实际输出电压Uo*，计算输出电压，计算输出电压Uo，R2/R1=R4/R3=n上式可得，非线性和电阻变化率（机械应变）有关；和电阻臂上式可得，非线性和电阻变化率（机械应变）有关；和电阻臂比值比值n有关。有关。N应适当选取；机械应变有一个允许范围31.-+-U Uo oR1R1R3R3E ER2R2R4R4双臂半桥差动测量电路双臂半桥差动测量电路分析电压灵敏度分析电压灵敏度即输出电压变化即输出电压变化/中间量电阻变中间量电阻变化化设：设：R2/R1=R4/R3=n=1比单臂测量的输出电压比单臂测量的输出电压 扩大一倍，灵敏扩大一倍，灵敏度提高，几乎没有非线性度提高，几乎没有非线性32.四臂全桥测量电路四臂全桥测量电路 全桥的四个桥臂都为应变片，全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片如果设法使试件受力后，应变片R1R4产生的电阻增量（或感受产生的电阻增量（或感受到的应变到的应变 1 4）正负号相间，）正负号相间，大小相等，就可以使输出电压大小相等，就可以使输出电压Uo成倍地增大。此时输出电压为成倍地增大。此时输出电压为-+-U Uo oR1R1R3R3E ER2R2R4R4是单臂测量的输出电压是单臂测量的输出电压 的的4 4倍，灵敏度提倍，灵敏度提高，几乎没有非线性高，几乎没有非线性33.结论：结论：三种工作方式中，全桥四臂工三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。补偿。温度补偿：温度补偿：采采用用双双臂臂半半桥桥或或全全桥桥能能实实现现温温度度自自补补偿偿的的功功能能。当当环环境境温温度度升升高高时时，桥桥臂臂上上的的应应变变片片温温度度同同时时升升高高，温温度度引引起起的的电电阻阻值值漂漂移移数数值值一一致致，代代入入式式电电桥桥平平衡衡式式，可可以以相相互互抵抵消消，所所以以这这两两种桥路具有温度自补偿功能。种桥路具有温度自补偿功能。-+-U Uo oR1R1R3R3E ER2R2R4R434.4 4、桥路的调零：、桥路的调零：方法：方法：调调节节RPRP，最最终终可可以以使使R R1 1与与（RPRPR R5 5）、R R2 2与与（RPRPR R5 5）的的 并并 联联 结结 果果 之之 比比R R1 1/R R2 2 等等 于于R R4 4/R R3 3，电电桥桥趋趋于于平平衡衡，U Uo o被被预预调到零位。调到零位。R R 5 5减小调节范围的限流电阻。减小调节范围的限流电阻。调零的必要性：调零的必要性：实际使用中，实际使用中，R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4不可能严格成比例关系，不可能严格成比例关系，所以即使在未受力时，桥路的输出也不一定能严格为零，因所以即使在未受力时，桥路的输出也不一定能严格为零，因此必须设置调零电路。此必须设置调零电路。-+-U Uo oR1R1R3R3E ER2R2R4R4R5R5RpRp35.5 5、应变效应的应用、应变效应的应用 电阻应变片的应用可分为两大类：电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路。应变片，测量转换电路一般为桥路。第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。36.应变效应应用之一：各种悬臂梁测力应变效应应用之一：各种悬臂梁测力 37.各种悬臂梁各种悬臂梁测力测力FF固定点固定点电缆电缆38.应变式力传感器应变式力传感器 F（a a a a）双孔梁）双孔梁）双孔梁）双孔梁 （b b b b）S S S S形形形形 双孔梁受力时双孔梁受力时R1R2R1R2为正应变为正应变R3R4R3R4为负应变为负应变S S型梁受力时型梁受力时R1R3R1R3为正应变为正应变R2R4R2R4为负应变为负应变39.应变效应应用之二应变效应应用之二称重称重 应用式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置应用式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2 R4受力时受力时R1R3R1R3为正应变为正应变R2R4R2R4为负应变为负应变40.应变式荷重传感器外形及受力位置应变式荷重传感器外形及受力位置FF41.荷重传感器荷重传感器汽车衡汽车衡42.汽车衡汽车衡称重系统称重系统43.应变片式电阻传感器的测量电路应变片式电阻传感器的测量电路n例：已知公式：初始电阻R=120 灵敏度系数K=2 纵向应变=1000l=1时 求：该应变片电阻的绝对变化量 R=0.24 下页下页上页上页返回返回图库图库44.第第2章章 本章要点本章要点1、电位器式电阻传感器、电位器式电阻传感器 计算公式计算公式非线性（阶梯性）产生的原因非线性（阶梯性）产生的原因 非线性电位器的用途非线性电位器的用途2、应变片式电阻传感器、应变片式电阻传感器 电阻应变效应电阻应变效应已知机械形变和灵敏度系数，求电阻变化率已知机械形变和灵敏度系数，求电阻变化率测量电桥的计算（测量电桥的计算（*）下页下页上页上页返回返回图库图库45.本章习题本章习题1、说明电阻应变片的工作原理。它的灵敏度系数、说明电阻应变片的工作原理。它的灵敏度系数K与与金属丝的灵敏度系数金属丝的灵敏度系数K一样吗？为什么？一样吗？为什么？2、金属电阻式应变片和半导体电阻式应变片的工作原、金属电阻式应变片和半导体电阻式应变片的工作原理有何异同？理有何异同？3、假设应变片的灵敏度、假设应变片的灵敏度K=2，R=120欧，问：当试件欧，问：当试件承受承受600 时，电阻的变化值时，电阻的变化值下页下页上页上页返回返回图库图库46.n4、下图所示为一直流电桥，供电电源电动势、下图所示为一直流电桥，供电电源电动势E=3V，R3=R4=100欧，欧，R1和和R2 为相同型号的电阻应变片，为相同型号的电阻应变片，其电阻均为其电阻均为100欧，灵敏度系数欧，灵敏度系数K=2.0。两只应变片分。两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。设等强度梁在别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。设等强度梁在受力后产生的应变为受力后产生的应变为5000 ，试求此时电桥输出端电压，试求此时电桥输出端电压Uo。47.个人观点供参考，欢迎讨论！