电阻式传感器原理与应用课件

第二章第二章 电阻式传感器及其应用电阻式传感器及其应用1.1.掌握传感器工作原理及性能掌握传感器工作原理及性能2.2.了解传感器结构、种类了解传感器结构、种类3.3.掌握测量电路及其补偿方法掌握测量电路及其补偿方法4.4.掌握应变片的布置及接桥方式掌握应变片的布置及接桥方式5.5.了解传感器的应用了解传感器的应用 电阻式传感器的基本原理：电阻式传感器的基本原理：将被测物理将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。的测量电路显示或记录被测量值的变化。其种类繁多，应用广泛。其种类繁多，应用广泛。按照其工作原理可分为：按照其工作原理可分为：变阻器变阻器(电位器电位器)式、电阻应变式、固态压阻式、热敏电阻式、电阻应变式、固态压阻式、热敏电阻式、气敏电阻式、磁敏电阻式等式、气敏电阻式、磁敏电阻式等 电阻应变式传感器电阻应变式传感器是基于测量物体受力是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为传感元件为电阻应变片电阻应变片。应用范围应用范围：用于位移、加速度、力、压力、：用于位移、加速度、力、压力、力矩等各种参数测量。力矩等各种参数测量。电阻应变式传感器特点：电阻应变式传感器特点：精度高，测量范围广；精度高，测量范围广；使用寿命长，性能稳定可靠；使用寿命长，性能稳定可靠；结构简单，体积小，重量轻；结构简单，体积小，重量轻；频率响应较好，既可用于静态测量又可用频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；于动态测量；价格低廉，品种多样，便于选择和大量使价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。用。3.1 3.1 电阻应变片的工作原理及特性电阻应变片的工作原理及特性1 1、工作原理、工作原理 电阻应变片的基本结构：电阻应变片的基本结构：电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理 电阻应变效应电阻应变效应是指金属导体在外力作用下发生是指金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长伸长或缩短或缩短)的变化而发生变化的现象。的变化而发生变化的现象。压阻效应：压阻效应：半导体材料在受到外力作用时，其半导体材料在受到外力作用时，其电阻率电阻率发生变化的现象。发生变化的现象。r r r r为金属丝半径为金属丝半径为金属丝半径为金属丝半径x x x x为金属丝轴向应变为金属丝轴向应变为金属丝轴向应变为金属丝轴向应变y y y y为金属丝横向应变为金属丝横向应变为金属丝横向应变为金属丝横向应变轴向轴向轴向轴向应变应变x x的数值一般很小，的数值一般很小，常以微应变度量；常以微应变度量；为电阻丝材料的泊松比，一为电阻丝材料的泊松比，一般金属般金属=0.3-0.5=0.3-0.5；对金属材料，电阻率几乎不变对金属材料，电阻率几乎不变：为压阻系数，与材质有关；为压阻系数，与材质有关；为应力值；为应力值；E E为材料的弹性模量；为材料的弹性模量；定义：定义：电阻丝的灵敏度系数电阻丝的灵敏度系数S S0 0表示单位应表示单位应变所引起的电阻相对变化。变所引起的电阻相对变化。n 电阻应变片灵敏度系数电阻应变片灵敏度系数S S称为称为“标称灵敏度系标称灵敏度系数数”，由实验测定。，由实验测定。分析：分析：应变片的纵向形变与测量的形变方向一致；应变片的纵向形变与测量的形变方向一致；但圆弧部分产生了一个负的电阻变化但圆弧部分产生了一个负的电阻变化降低了降低了应变片的灵敏度系数应变片的灵敏度系数;必须采取措施减小横向效应的影响（必须采取措施减小横向效应的影响（改进结构改进结构等等）。）。2 2、电阻应变片的种类及材料、电阻应变片的种类及材料电阻应变片的种类电阻应变片的种类常用有丝式、箔式、半导体式和薄膜式应变片等。常用有丝式、箔式、半导体式和薄膜式应变片等。n丝式应变片：金属电阻应变片的典型结构。丝式应变片：金属电阻应变片的典型结构。将一根高电阻率金属丝（将一根高电阻率金属丝（0.025mm0.025mm左右）绕左右）绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间并成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间并引出导线构成。引出导线构成。丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。分为易粘贴。分为丝绕式和短接式两种丝绕式和短接式两种。l丝绕式应变片因圆弧部分参与变形，丝绕式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应横向效应较大；较大；l短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大栅线直径大5 51010倍的镀银丝短接而成，其优点倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了是克服了横向效应横向效应。n箔式应变片：箔式应变片：利用照相制版或光刻技术，将厚利用照相制版或光刻技术，将厚约为约为0.0030.0030.01mm0.01mm的金属箔片制成敏感栅。的金属箔片制成敏感栅。箔式应变片优点箔式应变片优点:可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅，其栅可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅，其栅长最小可做到长最小可做到0.2mm0.2mm，以适应不同的测量要求；，以适应不同的测量要求；横向效应横向效应小；小；散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长；蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长；生产效率高，便于实现自动化生产。金属箔的材生产效率高，便于实现自动化生产。金属箔的材料常用料常用康铜和镍铬合金康铜和镍铬合金等。等。目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。n半导体应变片：半导体应变片：分为体型和扩散型两种。分为体型和扩散型两种。由于半导体由于半导体(如单晶硅如单晶硅)是是各向异性各向异性材料，因此材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与型有关，还与晶向有关晶向有关(即对晶体的不同方向上即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同施加力时，其电阻的变化方式不同)。半导体应变片的特性（与金属应变片相比较半导体应变片的特性（与金属应变片相比较)：优点：优点：灵敏度高；灵敏度高；机械滞后小、横向效应小、体积小、频响高；机械滞后小、横向效应小、体积小、频响高；易于集成化易于集成化.缺点：缺点：温度稳定性能差；温度稳定性能差；灵敏度分散度大；灵敏度分散度大；较大应力作用下，非线性误差大；较大应力作用下，非线性误差大；机械强度低机械强度低.n薄膜应变片：薄膜应变片：采用采用真空沉积或高频溅射真空沉积或高频溅射等方等方法，在绝缘基片上形成厚度在法，在绝缘基片上形成厚度在0.1mm0.1mm以下的以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅金属电阻材料薄膜的敏感栅厚度大约为厚度大约为箔式应变片的十分之一以下。箔式应变片的十分之一以下。优点：优点：应变灵敏系数大，可靠性好，精度高，容易应变灵敏系数大，可靠性好，精度高，容易做成高阻抗的小型应变片，无迟滞和蠕变现做成高阻抗的小型应变片，无迟滞和蠕变现象，具有良好的耐热性和冲击性能等。用化象，具有良好的耐热性和冲击性能等。用化学气相淀积法制备薄膜，具有成膜温度低、学气相淀积法制备薄膜，具有成膜温度低、可靠性好、系统简单等优点。可靠性好、系统简单等优点。薄膜应变片是今后的发展趋势薄膜应变片是今后的发展趋势3 3、电阻应变片的性能参数、电阻应变片的性能参数电阻值：应变片原始阻值电阻值：应变片原始阻值标准化，标准化，120120常常用用几何参数：敏感栅基长几何参数：敏感栅基长L L和宽度和宽度b b，制造厂常用，制造厂常用bbL L表示。表示。灵敏系数灵敏系数S S：表示应变片变换性能的重要参数。：表示应变片变换性能的重要参数。绝缘电阻：应变片与试件间的阻值，越大越好。绝缘电阻：应变片与试件间的阻值，越大越好。一般大于一般大于10101010。其它性能参数（允许电流、工作温度、应变极限、其它性能参数（允许电流、工作温度、应变极限、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。3 3.2.2 测量电路及温度补偿测量电路及温度补偿 电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路测量电路将电阻的变化再转换为电压或电流信号，将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被测最终实现被测量的测量。量的测量。1 1）测量电桥）测量电桥 电桥按其电源性质的不同可电桥按其电源性质的不同可 以分为以分为直流电桥直流电桥和和交流电桥交流电桥。直流电桥只能测量电阻，而直流电桥只能测量电阻，而 交流电桥可用于测量电阻、交流电桥可用于测量电阻、电感和电容的变化。电感和电容的变化。直流电桥的工作原理直流电桥的工作原理 实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最大灵敏度，通常得到电桥的最大灵敏度，通常R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R0 0,即为即为等臂电桥等臂电桥.直流电桥的联接方式直流电桥的联接方式:电桥的工作特性电桥的工作特性:1 1）不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度，尽量）不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度，尽量采用采用半桥双臂或全桥半桥双臂或全桥方式。方式。l可以保证电桥的输出可以保证电桥的输出U U0 0与与RR0 0/R/R0 0成正比；成正比；l可以获得最大的输出，例如全桥接法其灵敏度就可以获得最大的输出，例如全桥接法其灵敏度就为半桥单臂接法的为半桥单臂接法的4 4倍。倍。2 2）电桥的和差特性）电桥的和差特性 全桥接法：全桥接法：4 4桥臂均为工作应变片桥臂均为工作应变片 相邻桥臂：相邻桥臂：应变极性相同时，电桥输出电应变极性相同时，电桥输出电压与两应变差有关；应变极性相反时，电压与两应变差有关；应变极性相反时，电桥输出电压与两应变和有关。桥输出电压与两应变和有关。相对桥臂：相对桥臂：输出电压与应变的关系和相邻输出电压与应变的关系和相邻桥臂正好相反。桥臂正好相反。电桥的和差特性的实际应用：电桥的和差特性的实际应用：提高灵敏度提高灵敏度半桥双臂或全桥联接半桥双臂或全桥联接相对桥臂：相对桥臂：应变同极性应变同极性 相邻桥臂：应变反极性相邻桥臂：应变反极性实现温度补偿实现温度补偿 采用全桥或半桥双臂的采用全桥或半桥双臂的邻臂结构，要求处于同一邻臂结构，要求处于同一温度场，这样温度场，这样温度应变是同极性，可以相互抵消。温度应变是同极性，可以相互抵消。消除非测量载荷的干扰影响消除非测量载荷的干扰影响2 2、温度误差及其补偿、温度误差及其补偿 1 1）敏敏感感栅栅电电阻阻随随温温度度的的变变化化引引起起的的误误差差。当当环环境境温温度度变变化化t t 时时，敏敏感感栅栅材材料料电电阻阻温温度度系系数数为为 ，则则引引起的电阻相对变化为起的电阻相对变化为2 2）试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化）试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t t时，时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化 温度温度误差误差（附附加应加应变）变）应变丝的线膨胀系数；应变丝的线膨胀系数；试件的线膨胀系数试件的线膨胀系数相应的虚假应变输出相应的虚假应变输出可得由于温度变化而引起的总电阻变化为可得由于温度变化而引起的总电阻变化为 单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻温度补偿 温度补偿方法：温度补偿方法：电桥补偿法电桥补偿法 U0R1R4R3URbFFR1RbR1+RRb-RU0R1RR4R3URbR电桥补偿法电桥补偿法优点：优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好简单、方便，在常温下补偿效果较好.缺点：缺点：在温度变化梯度较大的条件下，很难做在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。因而影响补偿效果。应变片的自补偿法应变片的自补偿法 粘粘贴贴在在被被测测部部位位上上的的是是一一种种特特殊殊应应变变片片，当当温温度度变变化化时时，产产生生的的附附加加应应变变为为零零或或相相互互抵抵消消，这这种种应应变变片片称称为为温温度度自自补补偿偿应应变变片片。利利用用这这种种应应变变片片来来实实现现温温度度补补偿偿的的方方法称为应变片自补偿法。法称为应变片自补偿法。a.a.选择式自补偿应变片选择式自补偿应变片 b.b.双金属敏感栅自补偿应变片双金属敏感栅自补偿应变片 a.a.选择式自补偿应变片选择式自补偿应变片 优点：容易加工，成本低，优点：容易加工，成本低，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。由式由式(2.1.16)(2.1.16)可知，实现温度补偿的条件为可知，实现温度补偿的条件为 当被测试件的线膨胀系数当被测试件的线膨胀系数g g已知时，通过选择敏感栅材料，已知时，通过选择敏感栅材料，使下式成立使下式成立 即可达到温度自补偿的目的。即可达到温度自补偿的目的。R1R2组合自补偿法b.b.双金属敏感栅自补偿应变片双金属敏感栅自补偿应变片 敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成 选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足 通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达0.145*10-6/的高精度 上一页返 回下一页热敏电阻补偿热敏电阻补偿 T KRtUiR1RR4R3U0R2RtR5 分流电阻分流电阻 UURt U=Ui-URtK3 3、应变片的布置和接桥方式应变片的布置和接桥方式 利用适当的利用适当的布片和组桥布片和组桥方式消除温度变化方式消除温度变化和复合载荷作用的影响，获得最大的输出和复合载荷作用的影响，获得最大的输出灵敏度。灵敏度。1 1）应变片应布置在弹性元件产生）应变片应布置在弹性元件产生应变最大应变最大的位置，并沿主应力方向贴片；贴片处的的位置，并沿主应力方向贴片；贴片处的应变尽量与外载荷呈线性关系（避开非线应变尽量与外载荷呈线性关系（避开非线性区），同时应注意使该处不受非待测载性区），同时应注意使该处不受非待测载荷的干扰影响。荷的干扰影响。2 2）根据）根据电桥的和差特性电桥的和差特性，选择适当的接桥，选择适当的接桥方式，可以使输出的灵敏度最大，同时又方式，可以使输出的灵敏度最大，同时又能排除非待测载荷的影响并进行温度补偿。能排除非待测载荷的影响并进行温度补偿。柱式元件尽可能消除偏心和弯矩的影响。上一页返 回下一页E E为材料的弹性模量为材料的弹性模量结构简单，易加工，灵敏度高结构简单，易加工，灵敏度高适合于测适合于测5000N5000N以下的载荷以下的载荷,也可用于小压力测量也可用于小压力测量 b0R1R1R2R2l l0 0l lF Fb bh 等等截截面面悬悬臂臂梁梁b0R1R1R2R2X Xl lF Fb bh 等等 强强 度度 悬悬 臂臂 梁梁 双双端端固固定定梁梁薄壁圆环式薄壁圆环式在外力作用下，各点的应力差别较大在外力作用下，各点的应力差别较大 平面膜片应变节点膜片式膜片式压力传感器压力传感器 trR4R3R1R2 UU0膜片P P r r t tR1R2 R3R4rrtt膜片式压力传感器 筒式压力传感器筒式压力传感器 测较大压力测较大压力测较大压力测较大压力 机床液压系统的压力（机床液压系统的压力（10106 610107 7PaPa），），枪炮的膛内压力（枪炮的膛内压力（10108 8PaPa），），动态特性和灵敏度主要由材料的动态特性和灵敏度主要由材料的E E值和尺寸决定值和尺寸决定 组合式压力传感器 应变片不直接粘贴在压力感受元件上应变片不直接粘贴在压力感受元件上压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等 通常用于测量小压力。通常用于测量小压力。其缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程。其缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程。BK-2SBK-2S称重传感器称重传感器产品品详细介介绍采用国际流行的双梁式或剪切S梁结构，拉、压输出对称性好、测量精度高、结构紧凑，安装方便，广泛用于机电结合秤、料斗秤、包装秤等各种测力、称重系统中 供桥电压 12VDC 输入阻抗 38020 输出阻抗 35010 绝缘电阻 2000M 工作温度-10+50 3 3 电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用BKBK4 4轮辐式传感器系列轮辐式传感器系列 采用采用轮辐式式结构，高度低，抗偏构，高度低，抗偏抗抗侧能力能力强，测量精度高，性能量精度高，性能稳定定可靠安装方便，是大、中量程精度可靠安装方便，是大、中量程精度传感器中的最佳形式，广泛用于各种感器中的最佳形式，广泛用于各种电子衡器和各种力子衡器和各种力值测量，如汽量，如汽车衡、衡、轨道衡、吊勾秤、料斗秤道衡、吊勾秤、料斗秤技术参数 量程（t）：1，2，5，10，20，30，50；供桥电压：12VDC 灵敏度：15-2mV/V ；输入阻抗：73020 非线性（%FS）：0.03,0.05,0.1；输出阻抗：70010 重复性（%FS）：0.03,0.05,0.1；绝缘电阻：2000M 滞后（%FS）：0.03,0.05,0.1；工作温度：-10+50 允许过负荷：120%FS；热零点偏移：（%FS/10）AK-1AK-1型应变式脉动压力传感器型应变式脉动压力传感器产品品特点：采用外壳和膜片为一体的圆膜片结构 尺寸小，安装方便 频响高，精度高，性能稳定可靠 适用于各种动，静态、气、液体介质的压力测量容器内液体重量（液位）传感器容器内液体重量（液位）传感器 该传感器有一根传压杆，上端安装腰该传感器有一根传压杆，上端安装腰形筒微压传感器，下端安装感压膜，在形筒微压传感器，下端安装感压膜，在三者空腔内充满传压介质并密封。三者空腔内充满传压介质并密封。由于空腔内传压介质的高度比被测溶由于空腔内传压介质的高度比被测溶液的高度高，因而腰形筒微压传感器处液的高度高，因而腰形筒微压传感器处于负压状态。于负压状态。为了提高测量的灵敏度，安装了两只为了提高测量的灵敏度，安装了两只性能完全相同的微压传感器。性能完全相同的微压传感器。液位传感器：液位传感器：当容器中液体多时，感压膜感受的压力大，将两只微压当容器中液体多时，感压膜感受的压力大，将两只微压传感器的电桥接成正向串联的形式，则输出电压为：传感器的电桥接成正向串联的形式，则输出电压为：式中式中 A A1 1 、A A2 2传感器的传输系数；传感器的传输系数；g g 重力加速度重力加速度(m/s(m/s2 2)；被测溶液的密度被测溶液的密度(Kg/m(Kg/m3 3)。如如不变，则不变，则 与与h h有关，构成液位计有关，构成液位计溶液重量溶液重量 式中式中 Q Q容器内感压膜上面溶液的重量容器内感压膜上面溶液的重量(N)(N)；D D柱形容器的截面积柱形容器的截面积(m(m2 2)。可见电桥输出电压与柱形容器内感压膜上面溶液重量成可见电桥输出电压与柱形容器内感压膜上面溶液重量成正比，当传感器安装位置固定，电桥输出电压与容器内储正比，当传感器安装位置固定，电桥输出电压与容器内储存溶液重量成正比。存溶液重量成正比。溶液重量：溶液重量：由于由于表征着感压膜上面液体的压强，对于等表征着感压膜上面液体的压强，对于等截面圆柱形容器，有截面圆柱形容器，有应变式加速度传感器应变式加速度传感器在低频（在低频（10-60Hz10-60Hz）振动测量中得到广泛的应用）振动测量中得到广泛的应用,但不适用于频率较高的振动和冲击。但不适用于频率较高的振动和冲击。应变式加速度传感器结构示意图应变式加速度传感器结构示意图1 1等强度梁等强度梁 2 2质量块质量块 3 3壳体壳体 4 4电阻应变片电阻应变片应变式扭矩传感器应变式扭矩传感器式中，式中，M M为扭矩；为扭矩；F F为作用力（为作用力（N N）；）；l l为作用距离（为作用距离（m m）图2.1.20 轴表面应力应变计算 表面沿着与轴线成45和135斜角方向产生主应力：图2.1.21 电阻应变式扭矩传感器 1 集流环 2应变片 3回转轴 4振荡器 5放大器 6显示记录器 图2.1.22 应变式粘贴方法 图2.1.23 滑环式扭矩传感器1 测量轴 2风扇 3应变片 4电刷组 5滑环组 6轴承 经典信号采集电路(要求作用力为01500g时，U0输出01500mv）本章小结概念:电阻应变效应 问题1:说明电阻应变式传感器的基本原理？问题2:试简要说明电阻应变式传感器的温度误差产生的原因，并说明有哪几种补偿方法及其各自的特点。问题3：阐述电阻式应变式传感器测量电路中单臂桥、差动半桥、全桥的各自特点及输出电压与应变的关系？