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1、第2章电阻式传感器(3)本讲稿第一页，共三十三页电阻式传感器基本工作原理电阻式传感器基本工作原理 电阻式传感器基本工作原理是将电阻式传感器基本工作原理是将被测物被测物理量理量的变化转换成传感元件的变化转换成传感元件电阻值电阻值的变化，的变化，再经转换电路变成电量输出。再经转换电路变成电量输出。包括应变式、压阻式、电位器式等。包括应变式、压阻式、电位器式等。本讲稿第二页，共三十三页M,F,p M,F,p R/R R/R u ux,ax,a第一节 应变式传感器 弹性元件弹性元件弹性元件弹性元件应变片应变片应变片应变片电路电路电路电路 应变式传感器是利用金属的电阻应变效应将被测量转换为电量输出的一种
2、传感器。应变式传感器组成框图本讲稿第三页，共三十三页一、工作原理（一）金属丝的电阻应变效应 设有一根长为设有一根长为L L，截面积为，截面积为S S，电阻率为，电阻率为 的金属丝，在的金属丝，在未受到外力未受到外力F的作用时，电阻值为的作用时，电阻值为FFL Lr r 当受到拉力作用F后，电阻的变化量为全微分，本讲稿第四页，共三十三页令令 =dL/L=dL/L (纵向应变纵向应变 1 1=1=1 10 10 6 6mm/mmmm/mm)，并用增量形式表示并用增量形式表示两边同除以R和 L/S，相对变化为又因为根据材料力学知识代入上式得-金属电阻丝丝的灵敏度系数本讲稿第五页，共三十三页 电阻丝在
3、外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这种现象叫电阻的种现象叫电阻的应变效应应变效应。由上式可知，电阻丝的灵敏系数取决于两个因素的影响：由上式可知，电阻丝的灵敏系数取决于两个因素的影响：1)1)几何尺寸的变化（形变）引起，几何尺寸的变化（形变）引起，2)2)由电阻率随应变引起的变化（叫由电阻率随应变引起的变化（叫压阻压阻效应）。效应）。对金属丝对金属丝 k k0 0=1+2=1+2 （约为约为1.73.6)1.73.6)。大量实验证明：在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变大量实验证明：在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比
4、，即化与应变成正比，即k k0 0为常数。为常数。本讲稿第六页，共三十三页（二）应变片的基本结构及测量原理电阻应变片由基底、敏感栅、盖片（有时加上引出线）组成。用粘贴剂将其粘贴在一起，构成完整的应变片。传感器的测量原理：传感器的测量原理：传感器的测量原理：传感器的测量原理：将应变片粘贴将应变片粘贴在被测对象上，在被测对象上，当被测对象受力当被测对象受力变形时，应变片变形时，应变片的敏感栅也随之的敏感栅也随之变形，其电阻值变形，其电阻值发生相应变化，发生相应变化，通过转换电路为通过转换电路为电压或电流的变电压或电流的变化，来测量应变。化，来测量应变。本讲稿第七页，共三十三页二、应变片的类型、材料
5、及粘贴(二二)应变片的粘贴应变片的粘贴粘贴在应变变化粘贴在应变变化均匀均匀且且较大较大的地方。的地方。基底、盖片 敏感栅引出线金属丝式纸基、胶基金属丝 1250 m m(回线式、短接式）康铜、镍铬合金、铂等 0.0.10.15.15mmmm镀锡铜丝金属箔式胶基金属箔片厚310 m m(通过照相制版或光刻技术)康铜、镍铬合金有或无金属薄膜式金属薄膜厚0.10.1 m m以下溅射到相应的位置无（一）应变片的类型和材料本讲稿第八页，共三十三页三、金属应变片的主要特性（贴在试件上后讨论）（贴在试件上后讨论）（一）灵敏系数 当制成应变片后，其应变当制成应变片后，其应变电阻特性与金属丝就不同了，但在很大范
6、围内是线性的，原因：1）粘贴层传递变形失真,2）横向效应。实验表明，电阻应变片的灵敏系数k恒小于电阻丝的灵敏系数k0。且kkkk0。各种应变片(花)本讲稿第九页，共三十三页（二）横向效应（二）横向效应 在测量纵向应变时，应变片敏感栅的横向部分要产在测量纵向应变时，应变片敏感栅的横向部分要产生一负的电阻变化，从而降低应变片的灵敏度，这种现生一负的电阻变化，从而降低应变片的灵敏度，这种现象称为应变片的象称为应变片的横向效应横向效应。y x-y本讲稿第十页，共三十三页（三）机械滞后（三）机械滞后 应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特
7、性不重合，即为与卸载特性不重合，即为机械滞后。原因：残余应变；在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。1机械应变卸载加载指示应变i应变片的机械滞后（四）零漂和蠕变 T=c,=0时时,R/R=f(t)T=c,=c时时,R/R=f(t)（五）应变极限和疲劳寿命（六）最大工作电流(静:25mA 动:75100mA)绝缘电阻(50100M)本讲稿第十一页，共三十三页-平均应变-l/2处真实应变-应变波长应变波长l-应变片基长应变片基长x0=(x1+x2)/2（七）应变片的电阻值R（120、350、1000 ）应变片的规格一般以使用面积和电阻值表示，如320mm2，120。（八
8、）动态响应特性本讲稿第十二页，共三十三页例如：如果应变片的基例如：如果应变片的基长为长为l=/2/2，则 P P 0.64 0 0，而应变片中的应变 x0 x0=0 0，由此产生的误，由此产生的误差为差为36%。l(mm)0.20.51235101520f(kHz)125050025012583.3502516.6 12.5下表为不同基长时最高工作频率：如果应变片的基长为，从图中可以看出平均应变值为0。一般要求 l=(1/201/10)。本讲稿第十三页，共三十三页四、转换电路应变效应应变效应 R/R=kR/R=k 其中其中 k k 2 2，（应变片的灵敏系数）（应变片的灵敏系数）一般取一般取
9、101030003000 （弹性元件的应变）。（弹性元件的应变）。若若 R=120R=120 ,=1000=1000 ,R/R=2R/R=2 10001000 10 10 66=0.002,=0.002,则则则则 R=0.002R=0.002 120120 =0.24=0.24 一般电桥分为一般电桥分为 直流电桥直流电桥 交流电桥交流电桥为什么要用电桥呢？电桥电路电桥电路本讲稿第十四页，共三十三页（一）直流电桥 电路是由电路是由4 4个电阻组成的四边形电路，一般来说输出端个电阻组成的四边形电路，一般来说输出端接在阻抗较高的放大器或仪表上，所以输出端相当于接在阻抗较高的放大器或仪表上，所以输出端
10、相当于开路，没有电流，根据分压定律开路，没有电流，根据分压定律R1R2R3R4UU0ACDB在ADC支路上，在ABC支路上，本讲稿第十五页，共三十三页 实际测量时，为保证测量的准确性，在实测前应使电桥实际测量时，为保证测量的准确性，在实测前应使电桥平衡，使输出电压的变化只与应变片感受应变所引起的平衡，使输出电压的变化只与应变片感受应变所引起的电阻变化有关。电阻变化有关。电桥平衡：在 R=0时，输出电压U0=0的状态。电桥平衡条件：R1 R4=R2 R3本讲稿第十六页，共三十三页 上式是合理布桥的依据，在不同受力条件下，提高电桥的灵敏度，解决温度补偿等问题都要根据上式来分析和计算。上式的特点是：
11、上式的特点是：相邻相减，相邻相减，相对相加。相对相加。运用上式时，注意各部分量值的极性（即正、负号要清运用上式时，注意各部分量值的极性（即正、负号要清楚）。楚）。一般为等臂电桥，即 R1=R2=R3=R4=R，而且 Ri R(i=1,2,3,4)，高阶微量的影响较小，可略去，同时利用平衡条件，有本讲稿第十七页，共三十三页a.单臂工作：即只有一个桥臂为工作臂（如即只有一个桥臂为工作臂（如 R R1 1 1 1 有 R R R R1 1的变化），其的变化），其它为标准电阻（不是应变片）它为标准电阻（不是应变片）。则R1R2R3R4UU0ACDB本讲稿第十八页，共三十三页b.b.相邻两臂工作：R R
12、1 1 1 1，R R2 2 2 2为工作片，R R3 3 3 3，R R4 4 4 4为标准电阻，为标准电阻，此时没有意义，应避免。可见灵敏度比单臂工作时提高了一倍。R1R2R3R4UU0ACDB本讲稿第十九页，共三十三页例1.利用半桥进行温度补偿将将R R1 1，R R2 2 2 2放在相同的温度场中，场中，R R R R1 1 1 1感受应变的变化。对于对于R R R R1 1 1 1有R1工作片工作片FR2补偿片补偿片补偿块补偿块对于R R2 2有温度影响通过电桥相互抵消，U U0 0只反映应变的变化。本讲稿第二十页，共三十三页例2.半桥进行补偿（另一种方法）半桥进行补偿（另一种方法）
13、既实现了温补，又实现了提高灵敏度的作用。既实现了温补，又实现了提高灵敏度的作用。R1（拉）（拉）R2（压）（压）F本讲稿第二十一页，共三十三页c.相对两臂工作：R R1，R R4 4工作片，工作片，R R2，R3为标准电阻，为标准电阻，不能实现温补,但灵敏度提高了一倍。本讲稿第二十二页，共三十三页要提高灵敏度，应使相邻两臂的变化相反，相对两臂的变化相同。当 时，d.全桥工作：即四个臂均为工作臂，分别有 R R1，R R2，R3 3，R R4 4的变化，此时有本讲稿第二十三页，共三十三页例3.全桥测纯弯曲（上拉下压）R1（R4）FR1（R2）R2（R3）R4（R3）本讲稿第二十四页，共三十三页解
14、既提高了灵敏度，又实现了温度补偿。既提高了灵敏度，又实现了温度补偿。R1（R4）FR1（R2）R2（R3）R4（R3）本讲稿第二十五页，共三十三页f.最一般的情况因为分母中 R R1 1-R2 0，R3 3-R R4 4 0，所以存在非线性。，所以存在非线性。温补看具体情况。虽然也称全桥，但则本讲稿第二十六页，共三十三页再举几例1.纯弯曲悬臂梁测力。当F F力有偏斜时，即有一分力，造成 12 2 ，相邻两臂联接可消除拉伸变形的影响。从而只测量出纯弯曲的变形，同时输出电压增加一倍，可温补。这样布桥具有一定的抗偏载能力。一倍，可温补。这样布桥具有一定的抗偏载能力。R2R1FF本讲稿第二十七页，共三
15、十三页2.杆受拉伸变形当作用力当作用力F F不是绝对在轴线方向，有时若有弯曲变形的影响也可以消除。响也可以消除。R2R1FFR2R1FFFFR1，R2（相对桥臂）接入电路。若误将接入电路，电桥将无电压输出。R1，R2（相邻两臂）本讲稿第二十八页，共三十三页（二）电桥的非线性误差（二）电桥的非线性误差（R R R R1 1 1 1=R=R2 2=R=R=R=R3 3 3 3=R=R=R=R4 4 4 4=R=R，但，但 R R R Ri i 并不完全相等）并不完全相等）并不完全相等）并不完全相等）1.1.1.1.单臂电桥单臂电桥单臂电桥单臂电桥R1RRRUU0ACDB按幂级数展开后，再略去高阶量
16、按幂级数展开后，再略去高阶量,则则 L=R/2R当当k=2,=1000 时时,R/R=k =2 1000 10-6=0.002,L=0.002/2=0.1%。当要求测量精度较高时，或电阻相对变。当要求测量精度较高时，或电阻相对变化化 R/R较大时，不能忽略。较大时，不能忽略。本讲稿第二十九页，共三十三页2.双臂电桥及全桥一片受拉,一片受压,接入相邻两臂接入相邻两臂,跨接在电源的二端跨接在电源的二端。R1R2RRUU0ACDB此时没有非线性。其它形式有非线性。全桥视情况而定。当 时，本讲稿第三十页，共三十三页*电桥灵敏度ku：桥臂比：n=Rn=R2 2/R1 1（n=1时，ku最大，称对称电桥最大，称对称电桥）检定规程中传感器的灵敏度检定规程中传感器的灵敏度k为满量程输出的电压mV与电桥供桥电压V V之比之比（mV/V）本讲稿第三十一页，共三十三页（三）交流电桥采用交流电源供电，各桥臂用阻抗形式，则Z1Z2Z3Z40ACDB分析和计算要视情况而定。此时平衡条件为：而阻抗可用复数表示:平衡条件为:本讲稿第三十二页，共三十三页休息休息本讲稿第三十三页，共三十三页