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1、第2章基本电量传感器本讲稿第一页，共二十三页单元单元4 4 电阻传感器电阻传感器【电路图电路图电路图电路图】【电路分析电路分析电路分析电路分析】直流电桥直流电桥 图示为直流电桥，图示为直流电桥，E为供电电源，为供电电源，R1、R2、R3、R4为桥臂电阻，为桥臂电阻，RL为负载电阻。为负载电阻。本讲稿第二页，共二十三页单臂电桥：单臂电桥：R1为电阻应变片时，为电阻应变片时，R2、R3、R4为电桥固定电阻。为电桥固定电阻。直流电桥的平衡条件：直流电桥的平衡条件：电桥平衡时电桥平衡时,Uo=0:【知识要点知识要点知识要点知识要点】1.应变效应应变效应本讲稿第三页，共二十三页当电阻丝受到拉力当电阻丝受
2、到拉力F作用时，轴向伸长作用时，轴向伸长l（dl）,长度相对变化量为长度相对变化量为dl/l，横截面积相应减小，横截面积相应减小A（dA），横截面积相对变化量为），横截面积相对变化量为dA/A，电阻，电阻率相应改变率相应改变（d），电阻率相对变化量为），电阻率相对变化量为d/，从而引起的电阻，从而引起的电阻值相对变化值相对变化:令令=dl/l，为轴向应变，简称应变。由截面积为轴向应变，简称应变。由截面积Ar2,则则dA=2rdr,dr/r称为径向应变称为径向应变:在弹性范围内金属丝受到轴向的拉力在弹性范围内金属丝受到轴向的拉力F时，将沿轴向伸长，沿径向缩短时，将沿轴向伸长，沿径向缩短,为为电阻
3、丝的泊松比电阻丝的泊松比,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：本讲稿第四页，共二十三页把单位应变引起的电阻值变化量定义为电阻丝的灵敏度把单位应变引起的电阻值变化量定义为电阻丝的灵敏度K，则：，则：半导体应变片半导体应变片:半导体应变片电阻值的相对变化量半导体应变片电阻值的相对变化量:一般一般E比比1+2大两个数量级，略去大两个数量级，略去1+2，半导体应变片的灵敏系数近似为：，半导体应变片的灵敏系数近似为：本讲稿第五页，共二十三页2.应变片的性能参数应变片的性能参数（1）灵敏度）灵敏度（2）横向效应）横向效应（3）应变）应变（4）应变片的电阻值）应变片的电阻值（
4、5）允许电流）允许电流 3.应变片的构造应变片的构造本讲稿第六页，共二十三页4.电阻应变片的材料要求电阻应变片的材料要求 （1）灵敏系数应在尽可能大的应变范围内保持为常数，即）灵敏系数应在尽可能大的应变范围内保持为常数，即 电阻变化与应变呈线性关系；电阻变化与应变呈线性关系；（2）电阻率）电阻率值要大，即在同样长度、同样横截面积的电值要大，即在同样长度、同样横截面积的电 阻丝中具有较大的电阻值；阻丝中具有较大的电阻值；（3）具有足够的热稳定性，电阻温度系数小，有良好的耐）具有足够的热稳定性，电阻温度系数小，有良好的耐 高温抗氧化性能；高温抗氧化性能；（4）与铜线的焊接性能好，与其他金属的接触电
5、动势小；）与铜线的焊接性能好，与其他金属的接触电动势小；（5）机械强度高，具有优良的机械加工性能。）机械强度高，具有优良的机械加工性能。5.电阻应变片的粘贴电阻应变片的粘贴（1）粘合剂选用）粘合剂选用（2）试件表面处理试件表面处理（3）确定贴片位置确定贴片位置（4）粘贴）粘贴（5）固化）固化 （6）粘贴质量）粘贴质量（7）引线的焊接与防护）引线的焊接与防护 本讲稿第七页，共二十三页【电路图电路图】【电路分析电路分析】单臂电桥电桥输出电压：单臂电桥电桥输出电压：半桥电桥输出电压：半桥电桥输出电压：全桥电桥输出电压：全桥电桥输出电压：本讲稿第八页，共二十三页【知识要点知识要点】1.电桥电压灵敏度正
6、比于电桥供电电压电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压U，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，而供电电压的，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，而供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择。提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择。2.电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择的函数，恰当地选择n值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。3.应变片的敏感栅是由金属或半导体材料制成的，因此工作时既能感受应变，又是温度的敏感元件。因为应变引应变片的敏感栅是由金属或半导体材料制成的，因此工作时既能感受应变，又是温度的敏感元件。因为
7、应变引起的电阻值变化很小，所以要提高测量精度，就必须消除或减小温度的影响。起的电阻值变化很小，所以要提高测量精度，就必须消除或减小温度的影响。电阻温度系数和试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数是产生应变片温度误差的主要因素。实电阻温度系数和试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数是产生应变片温度误差的主要因素。实际应用中，必须对电阻应变片进行温度补偿，电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和际应用中，必须对电阻应变片进行温度补偿，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。应变片自补偿两大类。4.电阻应变片是将外力作用引起的应变转换成电阻值的变化，再通过测量电桥将电阻值的变化转化为电压
8、电阻应变片是将外力作用引起的应变转换成电阻值的变化，再通过测量电桥将电阻值的变化转化为电压信号，从而确定外力的大小。所以应变片粘贴的位置合理与否，接入电桥的方式恰当与否等均会影响最终信号，从而确定外力的大小。所以应变片粘贴的位置合理与否，接入电桥的方式恰当与否等均会影响最终的测量结果。因此对电阻应变片的步片与组桥应该遵循以下原则：的测量结果。因此对电阻应变片的步片与组桥应该遵循以下原则：(1)根据弹性元件受力后的应力应变分布情况，应变片应该布置在弹性元件产生应变最大的位置，且沿主应力方根据弹性元件受力后的应力应变分布情况，应变片应该布置在弹性元件产生应变最大的位置，且沿主应力方向贴片；贴片处的
9、应变尽量与外载荷呈线性关系，同时注意使该处不受非待测力的干扰影响。向贴片；贴片处的应变尽量与外载荷呈线性关系，同时注意使该处不受非待测力的干扰影响。(2)根据电桥的和差特性，将应变片布置在弹性元件具有正负极性的应变区，并选择合理的接入电桥方式，以使根据电桥的和差特性，将应变片布置在弹性元件具有正负极性的应变区，并选择合理的接入电桥方式，以使输出灵敏度最大，同时又可以消除或减小非待测力的影响并进行温度补偿。输出灵敏度最大，同时又可以消除或减小非待测力的影响并进行温度补偿。本讲稿第九页，共二十三页【电路图电路图】【电路分析电路分析】每一桥臂上复阻抗每一桥臂上复阻抗：交流电桥输出电压：交流电桥输出电
10、压：本讲稿第十页，共二十三页电桥平衡时，电桥平衡时，UO=0:电感电桥平衡条件：电感电桥平衡条件：本讲稿第十一页，共二十三页【知识要点知识要点知识要点知识要点】1.直流电桥中高精度直流电源比较容易获得，电桥平衡调节简单，传感器直流电桥中高精度直流电源比较容易获得，电桥平衡调节简单，传感器引线分布参数影响小。不过由于电桥输出电压很小，一般都需要加放大引线分布参数影响小。不过由于电桥输出电压很小，一般都需要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，线路也较复杂器，而直流放大器易于产生零漂，线路也较复杂,因此现在应变电桥多采因此现在应变电桥多采用交流电桥。采用交流供电的交流电桥，其平衡条件、引线分布参数用
11、交流电桥。采用交流供电的交流电桥，其平衡条件、引线分布参数影响、后续信号放大线路等许多方面与直流电桥存在明显差异。影响、后续信号放大线路等许多方面与直流电桥存在明显差异。2.交流电桥除要满足电阻平衡条件外，还必须满足电容、电感平衡条交流电桥除要满足电阻平衡条件外，还必须满足电容、电感平衡条件，为此在桥路上除设由电阻平衡调节外还设有电容、电感平衡调节。件，为此在桥路上除设由电阻平衡调节外还设有电容、电感平衡调节。3.由交流电桥的平衡条件式以及电容、电感电桥的平衡条件可以看出，由交流电桥的平衡条件式以及电容、电感电桥的平衡条件可以看出，这些平衡条件是只针对电桥电源只有一个频率这些平衡条件是只针对电
12、桥电源只有一个频率 的情况下推出的。当电的情况下推出的。当电桥电源有多个频率成分时，得不到平衡条件，即电桥是不平衡的。因此，桥电源有多个频率成分时，得不到平衡条件，即电桥是不平衡的。因此，交流电桥要求电桥电源具有良好的电压波动性和频率稳定性。一般采用交流电桥要求电桥电源具有良好的电压波动性和频率稳定性。一般采用5kHz10kHz 高频振荡作为电桥电源，以便消掉外界工频干扰。除了高频振荡作为电桥电源，以便消掉外界工频干扰。除了通常讨论的电阻、电容、电感等通用电桥外，测量中还适用带有感应通常讨论的电阻、电容、电感等通用电桥外，测量中还适用带有感应耦合臂的电桥等其他形式的电桥。耦合臂的电桥等其他形式
13、的电桥。本讲稿第十二页，共二十三页【电路图电路图】【电路分析电路分析】设该电位器全长为设该电位器全长为xmax，总电阻为，总电阻为Rmax，则当电刷由，则当电刷由A到到B移动移动x后，后，A到电刷到电刷间的电阻值为：间的电阻值为：当作为分压器用时，若加在电位器当作为分压器用时，若加在电位器A、B之间的电压为之间的电压为U max，输出电压为：，输出电压为：本讲稿第十三页，共二十三页【知识要点知识要点知识要点知识要点】1.电位器传感器的工作原理：电位器式电阻传感器由电阻元件、骨架及电刷（滑动触点）等组成，电位器传感器的工作原理：电位器式电阻传感器由电阻元件、骨架及电刷（滑动触点）等组成，电刷相对
14、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）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。与电阻之间的线性转换。2.电位器广泛应用于各类电器和电子设备中。电位器式电阻传感器可将机械的直线位移或电位器广泛应用于各类电器和电子设备中。电位器式电阻传感器可将机械的直线位移或角位移输入量转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。它除了用于
15、线位移和角位移角位移输入量转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。它除了用于线位移和角位移测量外，还广泛应用于测量压力、加速度、液位等物理量。测量外，还广泛应用于测量压力、加速度、液位等物理量。3.电位器式传感器种类较多，根据输入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。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。4.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，对环境条件要电位器式传
16、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，适用刷间由于存在摩擦（磨损）及分辨率有限，故其精度一般不高，动态响应较差，适用于测量变化较缓慢的量。于测量变化较缓慢的量。回到第一页回到第一页回到第一页回到第一页本讲稿第十四页，共二十三页单元单元5 5 电容传感器电容传感器【电路图电路图】【电路分析电路分析】电容传感器的工作频率一般较高（不高于谐振频率），可忽略电容传
17、感器的工作频率一般较高（不高于谐振频率），可忽略RP、RS的影响，等效电容的影响，等效电容Ce为：为：电容传感器的等效电容值与传感器的固有电感电容传感器的等效电容值与传感器的固有电感L及角频率及角频率有关，在实际有关，在实际使用时必须与标定的条件相同。使用时必须与标定的条件相同。本讲稿第十五页，共二十三页【知识要点知识要点知识要点知识要点】1.平板电容器电容：平板电容器电容：A、和和任一参数发生变化，均可引起电容的变化，达到对被测参数任一参数发生变化，均可引起电容的变化，达到对被测参数到电容的变换。在实际应用中，通常只改变到电容的变换。在实际应用中，通常只改变A、和和其中的一个参数来使其中的一
18、个参数来使电容产生变化，形成常用的三类电容式传感器：电容产生变化，形成常用的三类电容式传感器：变极距式电容传感器、变变极距式电容传感器、变面积式电容传感器、变介电常数式电容传感器面积式电容传感器、变介电常数式电容传感器。本讲稿第十六页，共二十三页2.变极距式电容传感器变极距式电容传感器3.变面积式电容传感器变面积式电容传感器本讲稿第十七页，共二十三页4.变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器回到第一页回到第一页回到第一页回到第一页本讲稿第十八页，共二十三页单元单元6 6 电感传感器电感传感器【电路图电路图】【电路分析电路分析】电感线圈的自感：电感线圈的自感：自感式传感器的空气隙厚度和面积
19、是改变磁阻从而改变自感自感式传感器的空气隙厚度和面积是改变磁阻从而改变自感L L的主要的主要因素。被测量只要能够改变空气隙厚度或面积，就能达到将被测量的变因素。被测量只要能够改变空气隙厚度或面积，就能达到将被测量的变化转换成自感变化的目的，由此也就构成了间隙变化型和面积变化型的化转换成自感变化的目的，由此也就构成了间隙变化型和面积变化型的自感式电感传感器。自感式电感传感器。本讲稿第十九页，共二十三页【知识要点知识要点知识要点知识要点】1.1.电感传感器的敏感元件是电感线圈，其转换原理基于电磁感应原理。它把电感传感器的敏感元件是电感线圈，其转换原理基于电磁感应原理。它把被测量的变化转换成线圈自感
20、系数被测量的变化转换成线圈自感系数L L或互感系数或互感系数M M的变化而达到被测量到电的变化而达到被测量到电参量的转换。当一个简单的单线圈作为敏感元件时，机械位移输入会改变线参量的转换。当一个简单的单线圈作为敏感元件时，机械位移输入会改变线圈产生的磁路的磁阻，从而改变自感式装置的电感。磁路的磁阻变化可以通圈产生的磁路的磁阻，从而改变自感式装置的电感。磁路的磁阻变化可以通过空气间隙的变化来获得，也可以通过改变铁心材料的数量或类型来获得。过空气间隙的变化来获得，也可以通过改变铁心材料的数量或类型来获得。2.2.采用两个线圈的互感装置，当一个激励源线圈的磁通量被耦合到另一个传采用两个线圈的互感装置
21、，当一个激励源线圈的磁通量被耦合到另一个传感线圈上，就可从这个传感线圈得到输出信号。输入信息是衔铁位移的函数，感线圈上，就可从这个传感线圈得到输出信号。输入信息是衔铁位移的函数，它改变线圈间的耦合。耦合可以通过改变线圈和衔铁之间的相对位置而改变。它改变线圈间的耦合。耦合可以通过改变线圈和衔铁之间的相对位置而改变。这种相对位置的改变可以是线位移的，也可以是转动的角位移。这种相对位置的改变可以是线位移的，也可以是转动的角位移。3.3.按照转换方式的不同可将电感传感器分为自感型（包括可变磁阻式按照转换方式的不同可将电感传感器分为自感型（包括可变磁阻式与高频反射式）与互感型（差动变压器式与低频透射式）
22、。与高频反射式）与互感型（差动变压器式与低频透射式）。本讲稿第二十页，共二十三页【电路图电路图】【电路分析电路分析】在金属板一侧的电感线圈中通以高频激励电流时，线圈便产生高频磁场，该磁在金属板一侧的电感线圈中通以高频激励电流时，线圈便产生高频磁场，该磁场作用于金属板，由于集肤效应（交变电流通过导体时，由于感应作用引起导场作用于金属板，由于集肤效应（交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，越接近导体表面，电流密度越大，这种现象称为集体截面上电流分布不均匀，越接近导体表面，电流密度越大，这种现象称为集肤效应。集肤效应使导体的有效电阻增加。交流电的频率越高、集肤效应越显肤效应。
23、集肤效应使导体的有效电阻增加。交流电的频率越高、集肤效应越显著），高频磁场不能透过有一定厚度著），高频磁场不能透过有一定厚度h的金属板，而是作用于表面薄层，并的金属板，而是作用于表面薄层，并在这薄层中产生涡流。涡流在这薄层中产生涡流。涡流I2 又会产生交变磁通又会产生交变磁通2反过来作用于线圈，反过来作用于线圈，使得线圈中的磁通使得线圈中的磁通1发生变化而引起自感量变化，在线圈中产生感应电势。发生变化而引起自感量变化，在线圈中产生感应电势。电感的变化随涡流而变。而涡流又随线圈与金属板之间的距离电感的变化随涡流而变。而涡流又随线圈与金属板之间的距离x而变化。故可用而变化。故可用高频反射式涡流传感
24、器来测量位移量高频反射式涡流传感器来测量位移量x 的变化。的变化。本讲稿第二十一页，共二十三页【知识要点知识要点知识要点知识要点】1.涡流效应：电涡流式电感传感器的转换原理是金属导体在交变磁场中涡流效应：电涡流式电感传感器的转换原理是金属导体在交变磁场中的涡流效应。根据电磁感应定律，当一个通以交流电流的线圈靠近一的涡流效应。根据电磁感应定律，当一个通以交流电流的线圈靠近一块金属导体时，交变电流块金属导体时，交变电流I1产生的交变磁通产生的交变磁通1通过金属导体，在金属导通过金属导体，在金属导体内部产生感应电流体内部产生感应电流I2，I2在金属板内自行闭合形成回路，称为在金属板内自行闭合形成回路
25、，称为“涡流涡流”。涡流的产生必然要消耗磁场的能量，即涡流产生的磁通。涡流的产生必然要消耗磁场的能量，即涡流产生的磁通2总是与总是与线圈磁通线圈磁通1方向相反，使线圈的阻抗发生变化。传感器线圈阻抗的变化与方向相反，使线圈的阻抗发生变化。传感器线圈阻抗的变化与被测金属的性质（电阻率被测金属的性质（电阻率、磁导率、磁导率等）、传感器线圈的几何参数、激励电流等）、传感器线圈的几何参数、激励电流的大小与频率、被测金属的厚度以及线圈到被测金属之间的距离等有关。因此，的大小与频率、被测金属的厚度以及线圈到被测金属之间的距离等有关。因此，可把传感器线圈作为传感器的敏感元件，通过其阻抗的变化来测定导体的位移、可把传感器线圈作为传感器的敏感元件，通过其阻抗的变化来测定导体的位移、振幅、厚度、转速、导体的表面裂纹、缺陷、硬度和强度等。振幅、厚度、转速、导体的表面裂纹、缺陷、硬度和强度等。本讲稿第二十二页，共二十三页2.电涡流电感传感器有高频反射式和低频透射式两种类型电涡流电感传感器有高频反射式和低频透射式两种类型（1 1）高频反射式电涡流传感器）高频反射式电涡流传感器 （2 2）低频透射式电涡流传感器）低频透射式电涡流传感器 回到第一页回到第一页回到第一页回到第一页本讲稿第二十三页，共二十三页