第2章 电阻式传感器及应用

2020/2/21第2章电阻式传感器及应用2020/2/22引言电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。电阻式传感器的结构简单、性能稳定、灵敏度较高，有的还适合于动态测量。2020/2/232.1弹性敏感元件弹性元件在传感器中的作用，它基本上可以分为两种类型：弹性敏感元件和弹性支撑。前者感受力、力矩、压力等被测参数，并通过它将被测量变换为应变、位移等，也就是通过它把被测参数由一种物理状态转换为另一种所需要的相应物理状态，故称为弹性敏感元件。2020/2/242.1.1弹性敏感材料的弹性特性弹性特性：作用在弹性敏感元件上的外力与由该外力所引起的相应变形（应变、位移或转角）之间的关系称为弹性元件的弹性特性1．刚度2．灵敏度3．弹性滞后4．弹性后效5．固有振动频率2020/2/251.刚度刚度是弹性敏感元件在外力作用下抵抗变形的能力。2.灵敏度灵敏度就是弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小。它是刚度的倒数，即0dlimdxFFkxx2020/2/26与刚度相似，如果元件弹性特性是线性的，则灵敏度为常数；若弹性特性是非线性的，则灵敏度为变数。3.弹性滞后实际的弹性元件在加、卸载的正、反行程中变形曲线是不重合的，这种现象称为弹性滞后现象，曲线1是加载曲线，曲线2是卸载曲线，曲线1、2所包围的范围称为滞环。产生弹性滞后的原因主要是弹性敏感元件在工作过程中分子间存在内摩擦，并造成零点附近的不灵敏区。dFdxK2020/2/274.弹性后效弹性敏感元件所加载荷改变后，不是立即完成相应的变形，而是在一定时间间隔中逐渐完成变形的现象称为弹性后效现象。由于弹性后效存在，弹性敏感元件的变形不能迅速地随作用力的改变而改5．固有振动频率弹性敏感元件的动态特性与它的固有振动频率fo有很大的关系，固有振动频率通常由实验测得。传感器的工作频率应避开弹性敏感元件的固有振动频率。2020/2/282.1.2弹性敏感元件的材料及基本要求（1）具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能。（2）良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）。（3）弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定。（4）抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。2020/2/292.1.3变换力的弹性敏感元件所谓变换力的弹性敏感元件是指输入量为力F，输出量为应变或位移的弹性敏感元件。常用的变换力的弹性敏感元件有实心轴、空心轴、等截面圆环、变截面圆环、悬臂梁、扭转轴等。2020/2/210变换力的弹性敏感元件2020/2/2111．等截面轴2．环状弹性元件3．悬臂梁4．扭转轴2020/2/2122.1.4变换压力的弹性敏感元件1．弹簧管（定性分析）2020/2/2132.1.4变换压力的弹性敏感元件2．波纹管2020/2/2142.1.4变换压力的弹性敏感元件3．等截面薄板2020/2/2152.1.4变换压力的弹性敏感元件4．波纹膜片和膜盒2020/2/2162.1.4变换压力的弹性敏感元件5．薄壁圆筒和薄壁半球2020/2/2172.2电位器传感器电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各种电器和电子设备中。它是一种把机械的线位移或角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件，主要用于测量压力、高度、加速度、航面角等各种参数的测量2020/2/2182.2.1电位器的原理和基本结构1．电位器的转换原理电位器的电压转换原理如图所示，设电阻体长度为L，触点滑动位移量为x，两端输入电压为Ui，则滑动端输出电压为oixUUL2020/2/219角位移式电位器对角位移式电位器来说，Uo与滑动臂的旋转角度成正比，即oi360UU2020/2/2202020/2/2212.2.2电位器传感器负载特性电位器输出端接有负载电阻时，其特性称为负载特性。2020/2/2222.2.3电位器传感器的应用实例1．电位器式压力传感器YCD—150型远程压力表原理图2020/2/223电位器式压力传感器的工作原理2020/2/2242．电位器式位移传感器2020/2/2253．电位器式加速度传感器2020/2/2262.3电阻应变式传感器2.3.1应变片与应变效应1．电阻应变效应导体、半导体材料在外力作用下发生机械形变，导致其电阻值发生变化的物理现象称为电阻应变效应实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化R/R与应变是成正比，即xRKR2020/2/2272．电阻应变片的结构与类型电阻丝式应变片基本结构应变片主要有金属应变片和半导体应变片两类。金属片有丝式、箔式、薄膜式3种电阻应变片2020/2/2282020/2/2293．应变片的粘贴技术①应变片的检查②试件的表面处理③确定贴片位置④粘贴应变片⑤固化处理⑥粘贴质量检查⑦引出线的固定与保护⑧防潮防蚀处理2020/2/2302020/2/2314．应变片参数（1）标准电阻值（R0）（2）绝缘电阻（RG）（3）灵敏度系数（K）（4）应变极限（ξmax）（5）允许电流（Ie）允许电流是指应变片允许通过的最大电流。（6）机械滞后ε2020/2/2322.3.2测量转换电路1．应变片测量应变的基本原理2．测量转换电路2020/2/2331．应变片测量应变的基本原理在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量R时，便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系，得到应力值σ为σ=E·ε应力值σ正比于应变，而试件应变正比于电阻值的变化，所以应力σ正比于电阻值的变化，这就是利用应变片测量应变的基本原理。2020/2/2342．测量转换电路机械应变一般在10µε～3000µε之间，而应变灵敏度k值较小，因此电阻相对变化是很小的，用一般测量电阻的仪表是难直接测出来，必须用专门的电路来测量这种微弱的变化，最常用的电路为直流电桥和交流电桥。2020/2/235（1）直流电桥电路直流电桥电路的4个桥臂是由R1、R2、R3、R4组成，其中a、c两端接直流电压Ui，而b、d两端为输出端，其输出电压为Uo。在测量前，取R1R3=R2R4，输出电压为Uo=0。2020/2/236（1）直流电桥电路当桥臂电阻发生变化，且ΔRiRi，在电桥输出端的负载电阻为无限大时，电桥输出电压可近似表示为312124oi2123412()()RRRRRRUURRRRRR2020/2/237（1）直流电桥电路一般采用全等臂形式，即R1=R2=R3=R4=R，3i124o1234()4RURRRURRRR2020/2/238（2）电桥工作方式①半桥单臂工作方式②半桥双臂工作方式③全桥4臂工作方式2020/2/239①半桥单臂工作方式传感器输出的电阻变化量ΔR只接入电桥的一个桥臂中，在工作时，其余3个电阻的阻值没有变化（即ΔR2=ΔR3=ΔR4=0）。电桥的输出电压为灵敏度为io4URURi4UK2020/2/240②半桥双臂工作方式安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂，称为半桥差动电路，电桥的输出电压为灵敏度为线性关系，温度补偿等优点。io2URURi2UK2020/2/241③全桥4臂工作方式若将电桥4臂接入4片应变片，即2个受拉应变，2个受压应变，将2个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。电桥的4个桥臂的电阻值都发生变化，电桥的输出电压为灵敏度为全桥差动电路没有非线性误差，电压灵敏度是单片的4倍，具有温度补偿作用。ioRUURiKU2020/2/242（3）电桥的线路补偿①零点补偿要求电桥的4个桥臂电阻值相同是不可能的，这样就使电桥不能满足初始平衡条件（即U0≠0）。为了解决这一问题，可以在一对桥臂电阻乘积较小的任一桥臂中串联一个可调电阻进行调节补偿。2020/2/243②温度补偿环境温度的变化也会引起电桥电阻的变化，导致电桥的零点漂移，这种因温度变化产生的误差称为温度误差。产生的原因有：电阻应变片的电阻温度系数不一致；应变片材料与被测试件材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变。因此有必要进行温度补偿，以减少或消除由此而产生的测量误差。电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。在只有一个应变片工作的桥路中，可用补偿片法。在另一块和被测试件结构材料相同而不受应力的补偿块上贴上和工作片规格完全相同的补偿片，使补偿块和被测试件处于相同的温度环境，工作片和补偿片分别接入电桥的相邻两臂如图所示。由于工作片和补偿片所受温度相同，则两者所产生的热应变相等。因为是处于电桥的两臂，所以不影响电桥的输出。补偿片法的优点是简单、方便，在常温下补偿效果比较好。缺点是温度变化梯度较大时，比较难以掌握。当测量桥路处于双臂半桥和全桥工作方式时，电桥相邻两臂受温度影响，同时产生大小相等、符号相同的电阻增量而互相抵消，从而达到桥路温度自补偿的目的。2020/2/2442.3.3应变式传感器应用实例电阻应变片、丝测量机械、仪器及工程结构等的应力、应变与某种形式的弹性敏感元件相配合专门制成各种应变式传感器用来测量力、压力、扭矩、位移和加速度等物理量2020/2/2451．应变式测力与荷重传感器电阻应变式传感器的最大用武之地是在称重和测力领域2020/2/246应变式力传感器应变式力传感器FFFF2020/2/247各种悬臂梁2020/2/248各种悬臂梁FF固定点固定点电缆2020/2/249应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2R42020/2/250应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF2020/2/251汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）2020/2/2522．压力传感器压力传感器主要用于测量流体的压力2020/2/2533．位移传感器应变式位移传感器是把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变，然后通过应变计和应变电桥，输出正比于被测位移的电量2020/2/2544.加速度传感器2020/2/2552.4热电阻传感器按热电阻性质的不同分为两大类：金属热电阻热电阻半导体热电阻热敏电阻。2020/2/2562.4.1.1热电阻传感器基本工作原理热电阻是利用电阻与温度成一定函数关系的特性，由金属材料制成的感温元件。当被测温度变化时，导体的电阻随温度变化而变化，通过测量电阻值变化的大小而得出温度变化的情况及数值大小.2020/2/2572020/2/258基本要求：电阻温度系数（）要大，以获得较高的灵感度；电阻率（）要高，以便使元件尺寸可以小；电阻值随温度变化尽量呈线性关系，以减小非线性误差；在测量范围内，物理、化学性能稳定；材料工艺性好、价格便宜等。2020/2/2592.4.1.2常用热电阻及特性1．铂电阻2．铜电阻3．其他热电阻2020/2/2601．铂电阻铂电阻主要用于制成标准电阻温度计，其测量范围一般为−200～+650℃。性能稳定，重复性好，测量精度高，其电阻值与温度之间有很近似的线性关系。缺点是电阻温度系数小，价格较高。2020/2/261铂电阻的结构与实物图2020/2/262防爆型铂热电阻2020/2/263铂电阻当温度t在200～0℃范围内时，铂电阻值与温度的关系可表示为当温度t在−200～850℃范围内时，铂的电阻值与温度的关系为230[1ABC(100)]tRRttt20(1AB)tRRtt2020/2/264铂电阻使用结论热电阻Rt不仅与t有关，还与其在0℃时的电阻值R0有关，即在同样温度下，R0取值不同，Rt的值也不同。目前国内统一设计的工业用铂电阻的R0值有