第二章电阻式传感器课件

第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器就是利用一定的方式将被测量的变化转化为敏感元件电阻值的变化，进而通过电路变成电压或电流信号输出的一类传感器。可用于各种机械量和热工量的检测，它结构简单，性能稳定，成本低廉，因此，在许多行业得到了广泛应用。本章主要介绍电位器式传感器应变片式传感器和压阻式传感器。第一节第一节 电位器式传感器电位器式传感器 常见的旋转式变阻器和滑线式变阻器，可以作常见的旋转式变阻器和滑线式变阻器，可以作为角位移和线位移测量的电阻式传感器。位移的为角位移和线位移测量的电阻式传感器。位移的变化通过机械机构改变电阻器滑臂的位置，从而变化通过机械机构改变电阻器滑臂的位置，从而改变改变A A、B B端的电阻值端的电阻值R RABAB，如上图所示。，如上图所示。等效电路分析等效电路分析:xLL-L-变阻器总长变阻器总长;x-x-电刷移动量电刷移动量.R-R-总电阻总电阻;R RL L电刷电阻电刷电阻;UULLx=RRL=UU1x=LU1/U可见输出电压可见输出电压E1与位移与位移X成线性关系如后图所示。成线性关系如后图所示。输出电压输出电压UL与位移与位移X成线性关系，如下图所示成线性关系，如下图所示x=LUL/U=KUL0 LUULx如变阻器的输出电压的电路上接上负载电阻如变阻器的输出电压的电路上接上负载电阻Rm：UULV VRmRxR-Rx1UUL=xLRmR+Lx()-可见，输出电阻（负载上的电压）可见，输出电阻（负载上的电压）UL与位移与位移X呈非线呈非线性关系。性关系。负载效应负载效应1UUL=xLRmR+Lx()-0LU电位器式传感器结构简单，体积小，质量轻，价格低廉，性能稳定，对环境条件要求不高，输出信号较大，一般不需放大，并易实现函数关系的转换。但电阻元件与电刷间由于存在摩擦(磨损)及分辨率有限，故其精度一般不高，动态响应较差，主要适合于测量变化较缓慢的量。电位器式传感器种类较多，根据输入输出特性的不同，电位器式电阻传感器可分为线性电位器和非线性电位器两种；根据结构形式的不同，又可分为绕线式、薄膜式、光电式等。电位器式电阻传感器一般由电阻元件、骨架及电刷(滑动触点)等组成，电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动或螺旋运动。当被测量发生变化时，通过电刷触点在电阻元件上产生移动，该触点与电阻元件间的电阻值就会发生变化，即可实现位移(被测量)与电阻之间的线性转换，这就是电位器传感器的工作原理。1敏感栅；敏感栅；2基底；基底；3引线；引线；4覆盖层；覆盖层；5粘合剂；粘合剂；6电极；电极；电阻应变片的基本结构电阻应变效应电阻应变效应是指是指金属导体金属导体在外力作用下发生机械变形时，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其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发生变的变化而发生变化的现象。化的现象。应变片压阻效应应变片压阻效应：半导体半导体材料在受到外力作用时，其电阻材料在受到外力作用时，其电阻率率发生变化的现象。发生变化的现象。电阻应变片的工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数求导数（一）（一）应变效应应变效应金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为为代入代入有：有：金属丝：金属丝：金属丝体积不变：金属丝体积不变：有：有：当金属材料确定后，应变片的电阻变化率取决于材料的几当金属材料确定后，应变片的电阻变化率取决于材料的几何形状变化，其灵敏度系数为，何形状变化，其灵敏度系数为，当力作用到用金属材料制作的应变片上时，其电阻相对变当力作用到用金属材料制作的应变片上时，其电阻相对变化与电阻丝轴向应变成正比。化与电阻丝轴向应变成正比。（二）（二）灵敏系数灵敏系数 灵敏度系数的物理意义是单位应变引起的电阻相灵敏度系数的物理意义是单位应变引起的电阻相对变化。对变化。（1 1）对于金属材料，导电率不变，即）对于金属材料，导电率不变，即d d/11，因此有：，因此有：（2 2）对于半导体，由于）对于半导体，由于d d/项的数值远比（项的数值远比（1 12 2）项大，即半导体电阻变化率取决于材料的电项大，即半导体电阻变化率取决于材料的电子流变化，因此，子流变化，因此，简化为：简化为：式中式中 材料的材料的压压阻系数；阻系数；E材料的材料的弹弹性模数。性模数。因此灵敏系数为：因此灵敏系数为：（3）常用的应变片灵敏度系数大致是：金属导体应变片约为2左右，但不超过45；半导体应变片约为100200。可见半导体应变片的灵敏度系数值比金属导体的灵敏度系数值大几十倍。此外，根据选用的材料或掺杂多少的不同，半导体应变片的灵敏度系数可以做成正值或负值，即拉伸时应变片电阻值增加（K为正值）或降低（K为负值）。（三）测量原理当外力作用到弹性元件（试件）上时，弹性元件被压缩（或拉伸），即产生微小的机械变形，粘贴在弹性元件上的应变片感受到应力的作用，根据胡克定律，应变与应力成正比，即 E又由应变效应可知，应变片的应变与电阻值的相对变化dR/R成正比，所以，实现了对微小机械变量的测量。E为材料的弹性模量F为材料所受的外力A为材料的截面积（三）工作特性和主要参数1、几何尺寸：灵敏轴线、标距、工作宽度、使用面积、基片长度与宽度；2、电阻值，或称原始电阻值：电阻应变片在粘贴及未变形前，在室温下测定的电阻值。3、灵敏系数：4、横向效应及横向效应系数：（1）横向效应：轴向伸长和横向缩短。轴向伸长作用使电阻值增加横向缩短作用使电阻值减小电阻增量 减小。应变片由于感受横向应变而使电阻变化率减小，并减低灵敏度的现象称为应变片的“横向效应”。（2）横向效应系数引入“横向灵敏度 ”概念：轴向灵敏系数横向灵敏系数横向应变横向效应系数H：讨论1、标定条件：单一轴向应变已经考虑了横向效应的影响。所以只要应用一致，不需要修正；2、只有当测量平面应力，或 的条件下，要考虑横向效应带来的误差。5、应变极限 能够测量的最大应变值称为应变极限。指示的应变降到真实机械应变的90%误差带主要因素（1）基底材料传递应变的能力；（2）安装（3）敏感栅与引出线的布置形式。6、零漂和蠕变即：即：零漂：在温度保持恒定，试件没有机械变形，应变片的指示值（应变）随时间逐渐变化。,蠕变：在温度保持恒定，应变片承受恒定的机械应变，应变片的指示值（应变）随时间逐渐变化。,原因：存在内应力、内部结构变化、黏合剂受潮原因：绝缘电阻底、产生热电势等7、机械滞后原因：残余形变加载与卸载的特性曲线不相重合允许工作电流e允许工作电流又称为最大工作电流，是指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流值疲劳寿命疲劳寿命是指粘贴在试件上的应变片，在恒幅交变应力作用下，连续工作直到疲劳损坏的循环次数一般要求N=105107次电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路将电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被测量的电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被测量的测量。电阻的变化一般采用测量。电阻的变化一般采用电桥电路电桥电路测量。测量。电桥按其电源性质的不同可以电桥按其电源性质的不同可以分为分为直流电桥直流电桥和和交流电交流电桥桥。直流电桥只能测量电阻，而交流电桥可用于测量电阻、。直流电桥只能测量电阻，而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。u 直流电桥直流电桥原理：利用一个或数个桥臂的原理：利用一个或数个桥臂的阻值变化引起电桥输出电压的阻值变化引起电桥输出电压的变化；桥臂可由电阻式敏感元变化；桥臂可由电阻式敏感元件构成。件构成。测量电路及温度补偿测量电路及温度补偿直流电桥常见连接形式直流电桥常见连接形式半桥单臂半桥单臂半桥双臂半桥双臂全桥全桥测量电路及温度补偿半桥单臂：半桥单臂：假设：假设：半桥双臂：半桥双臂：全桥：全桥：测量电路及温度补偿半桥单臂：半桥单臂：半桥双臂：半桥双臂：全桥：全桥：测量电路及温度补偿当全桥四个桥臂阻值变化同号时，即：当全桥四个桥臂阻值变化同号时，即：有：有：测量电路及温度补偿测量电路及温度补偿（二）应变片的补偿环境温度变化时，敏感栅电阻随温度的变化引起环境温度变化时，敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。的误差。环境温度变化时，试件材料的线膨胀引起的误环境温度变化时，试件材料的线膨胀引起的误 差。差。应变片的阻值受环境（包括被测试件的温度）影应变片的阻值受环境（包括被测试件的温度）影响很大。因环境温度改变而引起电阻变化的两个响很大。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：主要因素：1 1、温度误差、温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，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。1)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：Rt=R0(1+0t)式中:Rt温度为t时的电阻值；R0温度为t0时的电阻值；0温度为t0时金属丝的电阻温度系数；t温度变化值，t=t-t0。当温度变化t时，电阻丝电阻的变化值为：R1=Rt-R0=R00t Rt=R0(1+0t)即：2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件（弹性元件）与电阻丝（敏感材料）材料的线膨胀系数相同时，不论环境温度如何变化，电阻丝的变形仍和自由状态一样，不会产生附加变形。当试件（弹性元件）与电阻丝（敏感材料）材料的线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。设试件和电阻丝在温度为0时的长度均为l0,它们的线膨胀系数分别为e和g，若两者不粘贴，则它们的长度分别为 le=l0(1+et)lg=l0(1+gt)当两者粘贴在一起时，由于t的存在，电阻丝产生的附加变形l、附加应变2t和附加电阻变化R2分别为 le=l0(1+et)lg=l0(1+gt)由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为 因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K0,0,g）以及被测试件线膨胀系数e有关。式223 2.2.温度补偿温度补偿电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。（1）单丝自补偿应变片这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片(称之为温度自补偿应变片)来补偿的。根据温度自补偿应变片的工作原理，可由式（2-23）得出：要实现温度自补偿，必须有上式表明，当被测试件的线膨胀系数e已知时，如果合理选择敏感栅材料，使其电阻温度系数0、灵敏系数K0以及线膨胀系数g来满足上式，则不论温度如何变化，均有Rt/R0=0，从而达到温度自补偿的目的。即：（2）双丝组合式自补偿应变片这种温度补偿应变片由两种不同电阻系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，当达到一定的温度范围时，在一定材料的试件上即可实现温度补偿。该补偿方法的优点是：制造时，可以调节两段敏感栅的丝长，以实现对某种材料的试件在一定温度范围内获得较好的温度补偿。补偿效果可达到（3）线路补偿法线路补偿法 电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。利用电桥相邻二臂同时产生大大小小相相等等、符符号号相相同同的电阻量不会破坏电桥平衡的特性来达到补偿的目的。下图是电桥补偿法的原理图。电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为：Uo=A(R1R4-RBR3)式中,A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知，当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压Uo的作用方向相反。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变,如下图(b)所示。Uo=A(R1R4-RBR3)当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有 工程上，一般按R1=RB=R3=R4 选取桥臂电阻。当温度升高或降低t=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态，即 若此时被测试件有应变的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量R1=R1K，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量，此时电桥输出电压为 由上式可知，电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变有关，而与环境温度无关。应当指出，若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下4个条件：在应变片工作过程中，保证R3=R4。R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度系数 K 和初始电阻值R0。粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。两应变片应处于同一温度场。补偿块自行温度补偿补偿块自行温度补偿右图，为一个梁受弯曲应变时，应变R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，应变片R1和R2的阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。此时电桥的输出为：补偿块自行温度补偿补偿块自行温度补偿右图是受单向应力的构件，将应变片R1的轴线顺着应变方向，应变片R2的轴向和应变方向垂直，R1和R2接入电桥相邻臂，此时电桥的输出为式中1受到拉应力，2受到压 应力，且 21 带入上式有