第3章-电阻式传感器课件

1授课人：胡广新第第3 3章章 电阻式传感器电阻式传感器 温故而知新选用传感器的依据传感器工作过程的划分传感器输入输出的含义静态特性的涵义静态特性线性度、灵敏度、精度、迟滞、重复性的物理意义动态特性涵义动态特性中上升、调整时间的物理意义传感器动态特性数学模型的确立零阶、一阶、二阶的特征参数2授课人：胡广新本章内容本章内容3.1 3.1 工作原理工作原理 3.2 3.2 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 3.3 3.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路3.4 3.4 电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用 3授课人：胡广新知识单元与知识单元与知识点知识点应变、应变效应的基本概念；应变、应变效应的基本概念；应变电阻式传感器的工作原理、测量电路与典型应用；应变电阻式传感器的工作原理、测量电路与典型应用；电阻应变片的温度误差及其补偿。电阻应变片的温度误差及其补偿。能力点能力点深入理解应变、应变效应的基本概念；深入理解应变、应变效应的基本概念；理解应变片的分类；理解应变片的分类；把握应变电阻式传感器的工作原理、直流电桥与交流电桥的平衡条件与电压灵敏度特性；把握应变电阻式传感器的工作原理、直流电桥与交流电桥的平衡条件与电压灵敏度特性；会分析电阻应变片的温度误差及其补偿方法、直流电桥的非线性误差及其补偿方法；会分析电阻应变片的温度误差及其补偿方法、直流电桥的非线性误差及其补偿方法；了解应变电阻式传感器的典型应用。了解应变电阻式传感器的典型应用。重难点重难点重点：应变与应变效应的涵义；电阻应变片的温度误差及其补偿方法；应变电阻式传感重点：应变与应变效应的涵义；电阻应变片的温度误差及其补偿方法；应变电阻式传感器的工作原理；电阻应变片的测量电路。器的工作原理；电阻应变片的测量电路。难点：电阻应变片的温度误差及其补偿方法、直流电桥的非线性误差及其补偿方法。难点：电阻应变片的温度误差及其补偿方法、直流电桥的非线性误差及其补偿方法。学习要求学习要求掌握应变、应变效应的基本概念；掌握应变、应变效应的基本概念；牚握应变电阻式传感器的工作原理、直流电桥与交流电桥的平衡条件与电压灵敏度特性；牚握应变电阻式传感器的工作原理、直流电桥与交流电桥的平衡条件与电压灵敏度特性；掌握产生电阻应变片温度误差的主要原因及其补偿方法；掌握产生电阻应变片温度误差的主要原因及其补偿方法；了解应变片的分类、应变电阻式传感器的典型应用；了解应变片的分类、应变电阻式传感器的典型应用；会分析半桥差动、全桥差动对非线性误差和电压灵敏度的改善。会分析半桥差动、全桥差动对非线性误差和电压灵敏度的改善。4授课人：胡广新 3.1 3.1工作原理工作原理应变应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象弹性应变弹性应变 当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变应变弹性元件弹性元件具有弹性应变特性的物体具有弹性应变特性的物体5授课人：胡广新应变式传感器应变式传感器是利用弹性元件和电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器是利用弹性元件和电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器工作原理：工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。结构：结构：应变式传感器由应变式传感器由弹性元件（敏感元件）弹性元件（敏感元件）上粘贴上粘贴电阻应变片电阻应变片（转换元件）（转换元件）构成构成应用：应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量6授课人：胡广新3.1.1 3.1.1 应变效应应变效应电阻应变片的工作原理是基于电阻应变片的工作原理是基于应变效应应变效应即即导导体体或或半半导导体体材材料料在在外外界界力力的的作作用用下下产产生生机机械械变变形形时时，其其电电阻阻值值相相应应发发生生变变化化，这这种种现现象象称称为为“应应变变效应效应”。7授课人：胡广新一根金属电阻丝，在一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电其未受力时，原始电阻值为：阻值为：应变效应应变效应8授课人：胡广新 当当电电阻阻丝丝受受到到拉拉力力F作作用用时时，将将伸伸长长L，横横截截面面积积相相应应减减小小A，电电阻阻率率因因材材料料晶晶格格发发生生变变形形等等因因素素影影响而改变了响而改变了，从而引起电阻值变化量为，从而引起电阻值变化量为：式中：式中：dL/L长度相对变化量，用应变长度相对变化量，用应变表示为表示为 电阻相对变化量：电阻相对变化量：9授课人：胡广新 dA/A圆圆形形电电阻阻丝丝的的截截面面积积相相对对变变化化量量，设设r为为电电阻丝的半径，微分后可得阻丝的半径，微分后可得dA=2r dr，则，则：材材料料力力学学：在在弹弹性性范范围围内内，金金属属丝丝受受拉拉力力时时，沿沿轴轴向向伸伸长长，沿径向缩短，沿径向缩短，轴向应变和径向应变的关系可表示为轴向应变和径向应变的关系可表示为：为电阻丝材料的泊松比，为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。负号表示应变方向相反。10授课人：胡广新推得：推得：定定义义：电电阻阻丝丝的的灵灵敏敏系系数数（物物理理意意义义）：单单位位应应变变所引起的电阻相对变化量。其表达式为所引起的电阻相对变化量。其表达式为 11授课人：胡广新灵敏度系数灵敏度系数K K受两个因素影响受两个因素影响一是应变片受力后材料几何尺寸的变化，一是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即即1+21+2二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即即（/）/。对对金属材料金属材料：1+21+2(/)/)/对对半导体材料半导体材料：(/)/)/1+21+2大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对电阻的相对变化与应变成正比，即变化与应变成正比，即K K为常数。为常数。12授课人：胡广新3.1.2 3.1.2 电阻应变片种类电阻应变片种类常用的电阻应变片有两种：常用的电阻应变片有两种：金属电阻应变片金属电阻应变片半导体应变片半导体应变片 13授课人：胡广新金属电阻应变片金属电阻应变片灵敏度取决于尺寸变化（应变效应为主）14授课人：胡广新半导体应变片半导体应变片灵敏度取决于电阻率的变化（压阻效应为主）15授课人：胡广新分析：当半导体应变片受轴向力作用时分析：当半导体应变片受轴向力作用时半半导导体体应应变变片片的的电电阻阻率率相相对对变变化化量量与与所所受受的的应应变变力力有有关关：式中：式中：半导体材料的压阻系数半导体材料的压阻系数;半导体材料的所受应变力半导体材料的所受应变力;E半导体材料的弹性模量半导体材料的弹性模量;半导体材料的应变。半导体材料的应变。压阻效应压阻效应：单晶半导体材料沿某一轴向受到：单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象外力作用时，其电阻率发生变化的现象16授课人：胡广新因此：因此：实实验验证证明明，E比比1+2大大上上百百倍倍，所所以以1+2可可以以忽忽略略，因而半导体应变片的灵敏系数为：因而半导体应变片的灵敏系数为：17授课人：胡广新 测测量量原原理理：在在外外力力作作用用下下，被被测测对对象象产产生生微微小小机机械械变变形形，应应变变片片随随着着发发生生相相同同的的变变化化，同同时时应应变变片片电电阻阻值值也也发发生生相相应应变变化化。当当测测得得应应变变片片电电阻阻值值变变化化量量为为R时时，便便可可得得到到被被测测对对象象的的应应变变值值，根根据据应应力力与与应应变的关系，得到应力值变的关系，得到应力值为为：=E 应变力正比于电阻值的变化！应变力正比于电阻值的变化！18授课人：胡广新 3.1.3 应变片的温度误差及补偿1 应变片的温度误差应变片的温度误差 由由于于测测量量现现场场环环境境温温度度的的改改变变而而给给测测量量带带来来的的附附加加误误差差，称为应变片的温度误差。称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。1)电阻温度系数的影响电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：Rt=R0(1+0t)19授课人：胡广新式中式中:Rt温度为温度为t时的电阻值；时的电阻值；R0温度为温度为t0时的电阻值；时的电阻值；0温度为温度为t0时金属丝的电阻温度系数；时金属丝的电阻温度系数；t温度变化值，温度变化值，t=t-t0。当温度变化当温度变化t时，电阻丝电阻的变化值为：时，电阻丝电阻的变化值为：R=Rt-R0=R00t Rt=R0(1+0t)20授课人：胡广新 2)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 当当试试件件与与电电阻阻丝丝材材料料的的线线膨膨胀胀系系数数相相同同时时：环环境境温温度度变变化不会产生附加变形。化不会产生附加变形。当当试试件件与与电电阻阻丝丝材材料料的的线线膨膨胀胀系系数数不不同同时时：环环境境温温度度变变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。设设电电阻阻丝丝和和试试件件在在温温度度为为0时时的的长长度度均均为为l0,它它们们的的线线膨膨胀胀系系数数分分别别为为s和和g，若若两两者者不不粘粘贴贴，则则它它们们的的长长度度分分别别为：为：ls=l0(1+st)lg=l0(1+gt)21授课人：胡广新 当当两两者者粘粘贴贴在在一一起起时时，电电阻阻丝丝产产生生的的附附加加变变形形l、附附加加应应变变和和附附加加电电阻阻变变化化R分分别别为：为：22授课人：胡广新由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为 结结论论：因因环环境境温温度度变变化化而而引引起起的的附附加加电电阻阻的的相相对对变变化化量量，除除了了与与环环境境温温度度有有关关外外，还还与与应应变变片片自自身身的的性性能能参参数数（K0,0,s）以及被测试件线膨胀系数）以及被测试件线膨胀系数g有关。有关。23授课人：胡广新 2 2 电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法 电电阻阻应应变变片片的的温温度度补补偿偿方方法法通通常常有有线线路路补补偿偿和和应变片自补偿应变片自补偿两大类。两大类。电电桥桥补补偿偿是是最最常常用用且且效效果果较较好好的的电电阻阻片片温温度度误误差差补补偿方法。偿方法。24授课人：胡广新电桥补偿法电桥补偿法25授课人：胡广新电路分析电路分析g g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常数。由上式可知，由上式可知，当当R R3 3和和R R4 4为常数时，为常数时，R R1 1和和R R2 2对电桥输出电压对电桥输出电压U Uo o的作用方的作用方向相反。向相反。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。26授课人：胡广新 测量方法：测量方法：当被测试件不承受应变时：当被测试件不承受应变时：R1和和R2又又处处于于同同一一环环境境温温度度为为t的的温温度度场场中中，调调整整电电桥桥参参数使之达到平衡，此时有数使之达到平衡，此时有：工程上，一般按工程上，一般按R1=R2=R3=R4 选取桥臂电阻。选取桥臂电阻。27授课人：胡广新温温度度补补偿偿的的实实现现：当当温温度度升升高高或或降降低低t=t-t0时时，两两个个应应变变片片因因温温度度而而引引起起的的电电阻阻变变化化量量相相等等，电电桥桥仍仍处处于平衡状态，于平衡状态，即：即：应应变变的的测测量量：被被测测试试件件有有应应变变的的作作用用，则则工工作作应应变变片片电电阻阻R1又又有有新新的的增增量量R1=R1K，而而补补偿偿片片因因不不承承受受应应变变，故故不不产产生生新的增量，新的增量，此时电桥输出电压为此时电桥输出电压为：可可见见：电电桥桥的的输输出出电电压压Uo仅仅与与被被测测试试件件的的应应变变有有关关，而而与与环环境温度无关。境温度无关。28授课人：胡广新 注意补偿条件：注意补偿条件：在应变片工作过程中，保证在应变片工作过程中，保证R3=R4。R1和和R2两两个个应应变变片片应应具具有有相相同同的的电电阻阻温温度度系系数数、线膨胀系数线膨胀系数、应变灵敏度系数、应变灵敏度系数K和初始电阻值和初始电阻值R0。粘粘贴贴补补偿偿片片的的补补偿偿块块材材料料和和粘粘贴贴工工作作片片的的被被测测试试件件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。材料必须一样，两者线膨胀系数相同。两应变片应处于同一温度场。两应变片应处于同一温度场。29授课人：胡广新30授课人：胡广新尽量尽量保持保持恒温恒温测量测量31授课人：胡广新3.1.4 3.1.4 工程测试中的注意事项工程测试中的注意事项输出信号量通常非常微小，如V甚至nV级：为了满足小信号、低漂移和抗干扰性的要求，连接电阻应变片的导线应选用2芯或4芯双绞带金属屏蔽和护套的PVC电缆，线径不能太小；为提高抗干扰性能，需要对屏蔽线作适当的连接；测量过程中不要移动导线。电源的质量将影响整个测量电路的有效性，如果电源纹波大、稳定性差，将不能实现微小信号检测，因此，应根据测量信号的最小值和最小变化量，选取和设计电源方案。在采用直流电源时，应尽可能采用线性电源，降低电源纹波。在信号获取过程中，一般需要对信号进行逐次放大、滤波。对信号进行滤波和放大时，对元件的要求较高。选用时应尽量达到的性能参数要求主要有：尽可能小的输入电压噪声；尽可能小的输入失调电压（V级）；尽可能小的输入失调漂移，即受温度影响情况，对于测量精度要求高的场合，该值应该为nV/级；较高的共模抑制比；符合测量信号的频带范围，即带宽。32授课人：胡广新3.2 3.2 测量电路测量电路 3.2.1 3.2.1 直流电桥直流电桥 1.1.直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件图图3.5 直流电桥直流电桥 当当RL时，电桥输出电压为：时，电桥输出电压为：33授课人：胡广新当电桥平衡时，当电桥平衡时，Uo=0，则有：，则有：R1R4=R2R3或：或：电电桥桥平平衡衡条条件件：欲欲使使电电桥桥平平衡衡，其其相相邻邻两两臂臂电电阻阻的的比比值值应应相相等等，或相对两臂电阻的乘积应相等。或相对两臂电阻的乘积应相等。电桥平衡条件电桥平衡条件34授课人：胡广新 2.电压灵敏度电压灵敏度 应应变变片片工工作作时时：电电阻阻值值变变化化很很小小，电电桥桥相相应应输输出出电电压压也也很很小小，一一般般需需要要加加入入放放大大器器进进行行放放大大。由由于于放放大大器器的的输输入入阻阻抗抗比比桥桥路路输输出出阻阻抗抗高高很很多多，所所以以此时仍视电桥为此时仍视电桥为开路开路情况。情况。当当受受应应变变时时：若若应应变变片片电电阻阻变变化化为为R，其其它它桥桥臂臂固固定定不不变变，电电桥桥输输出出电电压压Uo0，则则电电桥桥不不平衡，输出电压为平衡，输出电压为 35授课人：胡广新36授课人：胡广新 设设桥桥臂臂比比n=R2/R1，由由于于R15的小曲率圆环：的小曲率圆环：A、B两点的应变。两点的应变。内贴取内贴取“一一”内贴取内贴取“”式中：式中：h圆环厚度；圆环厚度；b圆环宽度；圆环宽度；E材料弹性模量。材料弹性模量。58授课人：胡广新3 3悬臂梁式力传感器悬臂梁式力传感器悬臂梁是一端固定另一端自由的弹性敏感元件，其特点是结构简单、加工方便，在较小力的测量中应用普遍。根据梁的截面形状不同可分为变截面梁（等强度梁）和等截面梁。59授课人：胡广新60授课人：胡广新61授课人：胡广新3.3.2 3.3.2 应变式压力传感器应变式压力传感器 主要用来测量流动介质的动态或静态压力。主要用来测量流动介质的动态或静态压力。应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。在在压压力力p作作用用下下，膜膜片片产产生生径径向向应应变变r和和切切向向应应变变t，表表达式分别为达式分别为：62授课人：胡广新膜片式压力传感器膜片式压力传感器63授课人：胡广新应变变化曲线的特点：应变变化曲线的特点：当当x=0时，时，rmax=tmax；当当x=R时，时，t=0，r=2rmax。特特点点的的应应用用：一一般般在在平平膜膜片片圆圆心心处处切切向向粘粘贴贴R1、R4两两个个应应变变片片，在在边边缘缘处处沿沿径径向向粘粘贴贴R2、R3两两个个应应变变片片，然后接成全桥测量电路。然后接成全桥测量电路。避开避开 位置。位置。64授课人：胡广新3.3.3 3.3.3 电阻式差压传感器电阻式差压传感器电阻式差压传感器可用于气动测量，气动测量技术是通过空气流量和压力变化来测量工件尺寸的一种技术，由于其具备多个优点，在机械制造行业得到了广泛应用。测量方法是将长度信号先变换为气流信号，再通过气电转换器将气流信号转换为电信号，对应的传感器称为气动量仪。气动量仪与不同的气动测头搭配，可实现多种参数的测量，如孔的内径、外径、槽宽、双孔距、深度、厚度、圆度、锥度、同轴度、直线度、平面度、平行度、垂直度、通气度和密封性等。65授课人：胡广新气动测头的式样气动测头的式样66授课人：胡广新气动量仪的测量原理气动量仪的测量原理被调压后的气流通过调节器到达喷嘴处，如果喷嘴孔是对着大气的，最大流量通过喷嘴孔，此时在调节器和喷嘴之间存在一个最小压力，称为“背压”。当有障碍物由远至近靠近喷嘴孔时，喷出的空气流量会逐渐减少，同时背压值升高，当喷嘴孔被完全挡住后，背压值将同调节器的出口压力值相等。压力-间隙曲线(图3.16b)，除压力的初始和饱和阶段外，这条曲线的其它部分呈直线，该线性关系奠定了气动测量的理论基础，即在直线测量范围内，当背压增大或减小时，可以准确测量喷嘴孔与障碍物间间隙大小的变化，或测头到被测零件表面的间隙大小变化。气动量仪的测量原理利用了两个关系：流量和压力都与间隙大小成线性关系，流量和压力间成反比关系。67授课人：胡广新3.3.4 应变式容器内液体重量传感器应变式容器内液体重量传感器68授课人：胡广新感感压压膜膜感感受受上上面面液液体体的的压压力力。当当容容器器中中溶溶液液增增多多时时，感感压压膜膜感感受受的的压压力力就就增增大大。将将其其上上两两个个传传感感器器Rt的的电电桥桥接接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为：式中式中,K1，K2为传感器传输系数。为传感器传输系数。结结论论：电电桥桥输输出出电电压压与与柱柱式式容容器器内内感感压压膜膜上上面面溶溶液液的的重重量成线性关系，因此可以测量容器内储存的溶液重量。量成线性关系，因此可以测量容器内储存的溶液重量。69授课人：胡广新3.3.5 3.3.5 电阻式加速度传感器电阻式加速度传感器应变电阻式加速度传感器用于测量物体的加速度。加速度是运动参数而不是力，因此，它首先需要经过质量惯性系统将加速度转换成力，再作用于弹性元件上来实现测量：应变电阻式加速度传感器的结构如图3.18所示。等强度梁的自由端安装质量块，另一端固定在壳体上；等强度梁上粘贴四个电阻应变敏感元件；通常壳体内充满硅油以调节系统阻尼系数。测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度 运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，导致其上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻值发生变化，引起测量电桥不平衡而输出电压，即可得出加速度的大小。这种测量方法主要用于低频（1060Hz）的振动和冲击测量。