第3章-电阻式传感器课件.ppt

1、工作原理：工作原理： 将被测物理量（如压力、速度、位移将被测物理量（如压力、速度、位移等非电量）的变化转换为电阻值的变化，等非电量）的变化转换为电阻值的变化，再变为电量输出。再变为电量输出。电位器式：电位器式：应变式：应变式：压阻式：压阻式： 物理量变化物理量变化电阻变化电阻变化传感转换元件传感转换元件属于大电阻变化型，属于大电阻变化型，R：0R传传物理量变化物理量变化变形变形（应力、应变）（应力、应变）敏感元件敏感元件属于微电阻变化型，属于微电阻变化型，R：020%R传传传感转换元件传感转换元件电阻变化电阻变化 物理量变化物理量变化敏感元件敏感元件 电阻率电阻率传感转换元件传感转换元件电阻变

2、化电阻变化属于微电阻变化型，灵敏度比应变式高属于微电阻变化型，灵敏度比应变式高5070倍倍单点测量单点测量一片电阻应变片只能测定构件表面上一一片电阻应变片只能测定构件表面上一点的某个方向的应变点的某个方向的应变 ;并且只代表栅长范并且只代表栅长范围内的平均应变。围内的平均应变。应变片一般只能测量构件表面的应力应应变片一般只能测量构件表面的应力应变变,对结构内部的三维应力测量很难进行。对结构内部的三维应力测量很难进行。一个金属电阻丝，未受力时电阻值：一个金属电阻丝，未受力时电阻值：在外力作用下，电阻变化了在外力作用下，电阻变化了 R： SlRSSllRRrdrLdLyx金属丝横向应变金属丝轴向应

3、变LdLrdrrdrSdS2xxdRdR)21 ()21 (工作原理工作原理电桥平衡条件：电桥平衡条件：IL=0。即：。即：R1R3=R2R4桥臂比：桥臂比：n=R2/R1=R4/R313241234123434121324123412343412()()()()1()()()()LLLLR RR RIERRRRRR R RRR R RRR RR RUERRRRR R RRR R RRR直流电桥的电压灵敏度直流电桥的电压灵敏度R1为工作应变片，由于应变而产生相应的电阻变化为工作应变片，由于应变而产生相应的电阻变化 R1R2、R3、R4为固定电阻，设为固定电阻，设RL= 初始条件下令电桥平衡，即

4、初始条件下令电桥平衡，即U0=0当有应变时（当有应变时（R1 R1+ R1），），U0=n/(1+n)2 ( R1/R1)E电桥的电压灵敏度电桥的电压灵敏度Ku=(U0 -0) /( R1/R1)=n/(1+n)2E1）E越大，越灵敏。但一般测量电压越大，越灵敏。但一般测量电压 36V，通常取几伏。，通常取几伏。另外由于箔丝很弱，另外由于箔丝很弱，mA级电流。级电流。2）n=1时，时，Ku最大，所以一般采用最大，所以一般采用n=1的等臂电桥。的等臂电桥。此时此时Ku=（1/4）E。3）非线性误差为（近似于线性）非线性误差为（近似于线性）11111ooLoRUURRUnR对于对称电桥，对于对称电

5、桥，n1时时若想获得真正的线性，可采用差动电桥，即若想获得真正的线性，可采用差动电桥，即2个应变片。个应变片。URRU210假设假设 R1= R2= R3= R4 根据参与工根据参与工作的桥臂数作的桥臂数半桥半桥半桥单臂半桥单臂半桥双臂半桥双臂ERRU410ERRU210全桥全桥ERRU0R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b)R3 R3R4 R4UZZZZZZZZU)(4321324103241ZZZZjZeZ )(32)(413241jjeZZeZZ3241ZZZZ3241Z1UoU(a)Z2Z3Z4R1R2R4R3oUC1C2U(b)交、直

6、流电桥的优、缺点交、直流电桥的优、缺点直流电桥的优缺点直流电桥的优缺点优点：高稳定直流电源易于获得；电桥优点：高稳定直流电源易于获得；电桥调节平衡电路简单。调节平衡电路简单。缺点：容易产生零点漂移；线路复杂。缺点：容易产生零点漂移；线路复杂。交流电桥的优缺点交流电桥的优缺点优点：零漂小优点：零漂小缺点：电路调节繁杂。缺点：电路调节繁杂。电阻应变仪电阻应变仪上述交、直流电桥可将应变片电阻的变化上述交、直流电桥可将应变片电阻的变化转换成相应的电压或电流信号，但这种转换成相应的电压或电流信号，但这种信号较弱，且其波形并不是试件应变变信号较弱，且其波形并不是试件应变变化波形。使用一些部件，将这一电信号

7、化波形。使用一些部件，将这一电信号进行放大，并精确复现试件应变波形，进行放大，并精确复现试件应变波形，组成一台应变测量仪，称为电阻应变仪。组成一台应变测量仪，称为电阻应变仪。它分为直流电阻应变仪和交流电阻应变它分为直流电阻应变仪和交流电阻应变仪。仪。1ttRtR2()tgsRktR测量原理演示测量原理演示U0=( R/R)UE测结构的应变或应力测结构的应变或应力与弹性元件结合构成各种应变与弹性元件结合构成各种应变式传感器式传感器32141等强度梁；2质量块；3壳体；4电阻应变敏感元体微压传感器电阻应变敏感元件传压杆感压膜hRLU1R2R4R0R1R3RtUoLRU22R1R4R0RtR3RdR

8、dRx)21 (xEd半导体应变片的灵敏系数半导体应变片的灵敏系数 ERdRKxB二、结构二、结构三、温度误差补偿三、温度误差补偿四、转换电路四、转换电路同一半导体材料的压阻效应与其晶向有同一半导体材料的压阻效应与其晶向有关。关。五、压阻式传感器应用五、压阻式传感器应用工作过程演示工作过程演示将机械的线位移（直线运动）、角位移（转动）、将机械的线位移（直线运动）、角位移（转动）、直线角位移（螺旋运动）的变化直线角位移（螺旋运动）的变化 电阻或电压的变化电阻或电压的变化一定函数关系一定函数关系变变阻阻器器式式变变压压器器式式电位器分类电位器分类按输出按输出- -输入特性输入特性线性电位计线性电位

9、计非线性电位计非线性电位计按结构形式按结构形式线绕式线绕式在传感器中应用较多在传感器中应用较多薄膜式薄膜式具有较高的精度和线性特性具有较高的精度和线性特性光电式光电式无摩擦和磨损，分辨率高无摩擦和磨损，分辨率高 电位器其输出电压或电阻与电刷位移或转角之间可以是线性关系，电位器其输出电压或电阻与电刷位移或转角之间可以是线性关系，也可以是非线性关系，即其它函数关系。以直线位移电位器为例，也可以是非线性关系，即其它函数关系。以直线位移电位器为例，其转换电路如图所示：其转换电路如图所示：空载特性：空载特性：空载时：空载时： 空载特性：空载特性：负载特性：负载特性：负载时：负载时： 负载特性：负载特性：

10、 UULY RxRUUo 2RxRxRRLRRxRLUULUUoY 电阻灵敏度：电阻灵敏度： 电压灵敏度：电压灵敏度：设电阻相对变化为设电阻相对变化为负载系数负载系数则：负载特性则：负载特性 空载特性空载特性由于由于m 0，即，即RL ，是，是负载特性和空载特性之间产生偏差。负载输负载特性和空载特性之间产生偏差。负载输出电压比空载输出电压低，这种偏差与出电压比空载输出电压低，这种偏差与m、r有关。有关。 RLRm dxdRxKr dxdUxKu RRxr )1 (1rrmrUULYrRRxUUoY对负载特性的讨论：对负载特性的讨论： 当当 时，特时，特性曲线变成直线，性曲线变成直线，它实为空载

11、特性它实为空载特性 当带有负载时，当带有负载时，曲线下垂，负载曲线下垂，负载越小，下垂越多，越小，下垂越多，产生的负载误差产生的负载误差越大。越大。 RRKLL对负载特性的讨论：对负载特性的讨论： 负载误差负载误差 由于负由于负载电阻不是无限大，载电阻不是无限大，而是可与电位计电阻而是可与电位计电阻值相比的有限值，造值相比的有限值，造成负载特性为一下垂成负载特性为一下垂曲线，产生误差，也曲线，产生误差，也称非线性误差。称非线性误差。 电刷在起始和最终位电刷在起始和最终位置时，负载误差置时，负载误差 eL=0 电刷在相对行程电刷在相对行程X=1/2时，负载误差时，负载误差 eL max，且，且m ，eL 对负载特性的讨论：对负载特性的讨论： 负载误差：负载误差：为了减小负载误差，首先要尽量减小为了减小负载误差，首先要尽量减小m，通常通常m0.1。为此采用高输入阻抗放大器，。为此采用高输入阻抗放大器，或将电位器空载特性设计成某种上凸特或将电位器空载特性设计成某种上凸特性，其负载特性下降后正好是所要求的性，其负载特性下降后正好是所要求的特性。特性。 %100)1 (1)1 (2%100)(0rmrrmrUUULL集中应力作用于等强度梁的顶点上，计算说明如何粘贴应变片以期获得较高的灵敏度。并说明测力工作原理。