第2章电阻式传感器精.ppt

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1、第2章电阻式传感器*中国地质大学（汉）传感器讲义1第1页，本讲稿共46页1、电阻式传感器的定义和分类电阻式传感器的定义和分类 一、定义一、定义 二、分类二、分类2 电位计式传感器电位计式传感器（简单介绍）（简单介绍）2.1、线绕式电位器传感器、线绕式电位器传感器 2.1、非线绕式电位器传感器、非线绕式电位器传感器第2页，本讲稿共46页3、应变、应变电阻式传感器电阻式传感器 3.1应变应变电阻式传感器概论电阻式传感器概论 3.2电阻应变片的结构和工作原理电阻应变片的结构和工作原理3.3电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路4、电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用4.1电位计式加速度计电位计式加速度

2、计 4.2应变式电子称应变式电子称4.34.3应变电阻式传感器实物图应变电阻式传感器实物图应变电阻式传感器实物图应变电阻式传感器实物图第3页，本讲稿共46页 1 电阻式传感器的定义和分类电阻式传感器的定义和分类电位计式：电位计式：应变式：应变式：物理量变化物理量变化电阻变化电阻变化传感元件传感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传传传感元件传感元件电阻变化电阻变化 1、定义：电阻式传感器是将非电量(如力、位移、形变、速度和加速度等)的变化量变换成与之成一定关

3、系的电阻值的变化，通过对电阻值的测量达到对上述非电量测量的目的。2、分类第4页，本讲稿共46页2 电位计式传感器电位计式传感器（简单介绍）（简单介绍）2.1、线绕式电位器传感器、线绕式电位器传感器:1、线绕电位器结构和工作原理：线线绕绕电电位位器器式式传传感感器器的的工工作作原原理理，可可由由图图21来来说说明明。若若线线绕绕电电位位器器的的绕绕线线截截面面积积均均匀匀，则则R变变化化均均匀匀(线线性性)。图图21中中的的为为工工作作电电压压，为为负负载载电电阻阻两两端端的的输输出出电电压压，x为为线线绕绕电电位位器器电电刷刷移移动动的的长长度度、L为为其其总总长长度度，对对应应于于电电刷刷移

4、移动动量量x的的电电阻值为阻值为。第5页，本讲稿共46页图2-1绕线式工作原理图 第6页，本讲稿共46页若电位器为空载()时，根据分压原理得：而对应的电阻变化为：（2-1）（2-2）将式（2-2）代入式（2-1）得：（2-3）第7页，本讲稿共46页式式中中：、分分别别为为线线绕绕的的电电阻阻和和带带电电压压灵灵敏敏度度，它它们们分分别别表表明明电电刷刷单单位位位位移移所所能能引引起起的的输输出出电电阻阻和和输输出出电电压压的的变变化化量量。、均均为为常常数数。上上述述分分析析表表明明改改变变测测量电阻值所引起输出电压的的变化为线性变化。量电阻值所引起输出电压的的变化为线性变化。图图21表表示示

5、了了电电位位器器的的工工作作原原理理：电电刷刷相相对对于于电电阻阻阻阻元元件件的的运运动动可可以以是是直直线线运运动动、转转动动和和螺螺旋旋运运动动，因因而而可可以以将将直直线线位位移移或或角角位位移移转转换换为为与与其其成成一一定定函函数数关关系系的的电电阻阻或或电电压压输输出出。它它除除了了用用于于线线位位移移和和角角位位移移测测量量外，还用于测量外，还用于测量压力压力、加速度加速度等物理量。等物理量。第8页，本讲稿共46页优点：电位器式传感器结构简单，价格低廉，性能稳定，对环境条件要求不高，输出信号大，并易实现函数关系的转换。缺点：但由于存在摩擦和分辨率有限，一般精度不够高，动态响应较差

6、，适合于测量变化较缓慢的量。分辨率低、耐磨性差、寿命较短等。因此人们研制了一些性能优良的非线绕式电位器。每课一新传感器介绍 近日，西门子的科研工作者们成功研制出一种全新构造的微型芯片传感器，它可以辨别气体与其味道。第9页，本讲稿共46页 据称，此种微型芯片将被应用与多种领域，例如检测空气中臭氧含量，监测火灾以及气体泄漏。此款芯片拥有体积小，成本低以及超低功耗等诸多优点，可以在100毫瓦至1毫瓦功率下保持运作。相信不久以后，此款芯片将嵌入多种便携设备为我们提供周到保护。第10页，本讲稿共46页碳膜电位器：是在绝缘骨架表面上喷涂一层均匀的电阻液经烘干聚合后而制成电阻膜。金属膜电位器 是在玻璃或胶木

7、基体上，用高温蒸镀或电镀方法，涂覆一层金属膜而制成。用于制作金属膜的合金为锗铑、铂铜、铂铑、铂铑锰等。2.2非线绕式电位器非线绕式电位器1、膜式电位器：膜式电位器通常有两种：一种是碳膜电位器另一种为金属膜电位器。第11页，本讲稿共46页2、导电塑料电位器：这种电位器由塑料粉及导电材料粉(合金、石墨、碳黑等)压制而成、它又被称为实心电位器。其优点是耐磨性较好、寿命较长、电刷允许的接触压力较大(几十至几百克)3、光电电位器：上述几种电位器均是接触式电位器，共同的缺点是耐磨性较差、寿命较短，接触电阻对输出影响较大。光电电位器是一种非接触式电位器，它克服了了上述几种电位器的缺点。其结构如图2-2所示。

8、第12页，本讲稿共46页1、光电导层 2、基体 3、薄膜电阻带 、4、电刷的窄光束 5、导电电极 图2-2 光电式电位器结构原理图 第13页，本讲稿共46页光电式电位器结构原理：其工作原理：其工作原理：在在当当电电刷刷的的窄窄光光束束4照照射射在在此此间间隙隙上上时时，就就相相当当于于把把电电阻阻带带3和和导导电电电电极极5接接通通，在在外外电电源源E的的作作用用下下，负负载载电电阻阻Rb上上便便有有电电压压输输出出；而而在在无无光光束束照照射射时时，因因其其暗暗电电阻阻极极大大可可视视为为电电阻阻带带与与导导电电电电极极之之间间断断路路，这这样样V输出电压随着光束位置移动而变化输出电压随着光

9、束位置移动而变化。光光电电电电位位器器优优缺缺点点：耐耐磨磨性性好好,精精度度、分分辨辨率率高高，寿寿命命、可可靠靠性性好好，阻阻值值范范围围宽宽(5000一一15M欧欧姆姆)等等等等；但但是是其其结结构构较较复复杂杂，工工作作温温度度的的范范围围比比较较窄窄(150)，输输出电流小，输出阻抗较高。出电流小，输出阻抗较高。第14页，本讲稿共46页3、应变、应变电阻式传感器电阻式传感器3.1应变应变电阻式传感器概论电阻式传感器概论 应变式电阻传感器是目前用于测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数最广泛的传感器之一。它具有悠久的历史，但新型应变片仍在不断出现，它是利用应变效应制造的一种测量微小变化

10、量(机械)的理想传感器。虽然新型传感器不断出现、为检测技术开拓了新的领域。但是，由于电阻应变测试技术具有以下独特优点，可以预见在今后它仍将是一种主要的测试手段。第15页，本讲稿共46页应变电阻式传感器优缺点：(1)结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；(2)易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远 距测量和遥测；(3)灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；(4)可以测量多种物理量。它已广泛应用于许多领域，诸如航空、机械、电力、化工、建筑 等领域。第16页，本讲稿共46页3.2应变应变电阻式传感器结构原理电阻式传感器结构原理一、应变效应一、应变效应一、应变效应一、应变效应：外力这种因形变而使其

11、阻值发生变化的现象称为应变效应。因为导体和半导体的电阻与电阻率及其几何尺寸因为导体和半导体的电阻与电阻率及其几何尺寸(其其L为长为长度，度，A为截面积为截面积)有关，当导体或半导体在受外力作用时，有关，当导体或半导体在受外力作用时，这三者都会发生变化所以会引起电阻的变化。通过测量这三者都会发生变化所以会引起电阻的变化。通过测量阻值的大小，就可以反映外界作用力的大小。阻值的大小，就可以反映外界作用力的大小。为什么会产生应变效应？第17页，本讲稿共46页二、二、基本结构：基本结构：电电阻阻应应变变片片种种类类繁繁多多、但但其其基基本本结结构构大大体体相相似似，现以金属丝绕式应变片结构为例加以说明。

12、现以金属丝绕式应变片结构为例加以说明。图2-3第18页，本讲稿共46页三、敏感系数及测量原理：所谓应变片的灵敏系数就是单位应变所能引起的电阻的相对变化。下面研究对灵敏系数的影响因素。金属导体的电阻R为：如果对电阻丝长度作用均匀应力、则 、L，A的变化(、)将引起电阻的变化。可通过上式的全微分求得：相对变化量为：（2-1）（2-3）（2-2）第19页，本讲稿共46页若电阻丝是圆形的，则 则有：令 为金属丝的轴向应变，为金属丝径向应变。当金属丝受拉力时沿铀向伸长，沿径向缩短，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为：其中表示金属材料的泊松系数。把 、代入公式(2-3)得到：（2-4）（2-5）第20页

13、，本讲稿共46页 将式（2-5）变形得：称为称为应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数其其物理意义是单位应变物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化所引起的电阻相对变化。灵敏系数受两个因素影响，。灵敏系数受两个因素影响，一个是受力后材料几何尺寸的变化，即一个是受力后材料几何尺寸的变化，即 ，另一个是，另一个是受力后材料的电阻率发生的变化即受力后材料的电阻率发生的变化即：对于确定的材料对于确定的材料是常数，其数值约在是常数，其数值约在12之间。之间。实验证明实验证明也是常数。则也是常数。则表示金属表示金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比关系。成正比关系。第21页，本讲稿

14、共46页应变电阻传感测量原理应变电阻传感测量原理应变电阻传感测量原理应变电阻传感测量原理第22页，本讲稿共46页3.3电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路 由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻值的变化测量出来，同时要把电阻相对变化等转换为电压或电流的变化，因此，需要设计专用的测量电路。用于测量应变变化而引起的电阻变化的电桥电路通常有直流电桥和交流电桥两种。电桥电路的主要指标是桥路灵敏度、非线性和负载持性。下面具体讨论有关电路和这几项指标。第23页，本讲稿共46页一、直流电桥基本形式及平衡条件 电电流流电电桥桥的的基基本本形形式式如如图图24所所示示。R1，R2、R3，R4称为电桥

15、的桥臂，认为称为电桥的桥臂，认为为其负载为其负载.图2-4第24页，本讲稿共46页当 时，电桥的输出电压应为：当电桥平衡时，由上式可得到：或称为直流电桥平衡条件。平衡电桥就是桥路中相邻两臂阻值之比应相等，桥路相邻两臂阻值之比相等方可使流过负载电阻的电流为0。二、电压灵敏度：第25页，本讲稿共46页 如果在实际测量中使第一桥臂R1由应变片来替代，微小应变引起微小电阻的变化电桥则输出不平衡电压的微小变化。当受应变时，若应变片电阻变化为 ，其他桥臂固定不变，则电桥输出电压 。下面试求不平衡电桥输出的电压值 设桥臂比 ,由于 可忽略，并由起始平衡条件 从而可以近似得到 电桥电压灵敏度定义为:第26页，

16、本讲稿共46页每课一新传感器介绍美研制美研制“武士武士”传感器传感器美国陆军正在研制一种可嵌入未来美国陆军正在研制一种可嵌入未来“武士武士”军军服内的传感器系统，指挥官和医护人员可通过这个服内的传感器系统，指挥官和医护人员可通过这个系统监测系统监测“武士武士”们的生理状态。该项研究将产生们的生理状态。该项研究将产生下一代战斗军服，内嵌有可配置的微型无线传感器下一代战斗军服，内嵌有可配置的微型无线传感器群。目前的试验传感器可监测心跳、步行（行军）群。目前的试验传感器可监测心跳、步行（行军）的代谢能量消耗、内层皮肤温度以及灵敏或迟钝情的代谢能量消耗、内层皮肤温度以及灵敏或迟钝情况。未来的传感器将把

17、数据传送到一个中央集线器况。未来的传感器将把数据传送到一个中央集线器设备，该设备做成呼机大小，佩带在士兵皮带上，设备，该设备做成呼机大小，佩带在士兵皮带上，形成一个低功率的无线个人局域网。传感器的数据形成一个低功率的无线个人局域网。传感器的数据提供关于士兵体力消耗、生理压力和警觉程度等的提供关于士兵体力消耗、生理压力和警觉程度等的信息。信息。第27页，本讲稿共46页1、电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压E，供桥电压E愈高、电桥电压灵敏度愈高、但是供桥电压E的提高，受到应变片允许功耗的限制，所以一般供桥电压E应适当选择。2、电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，因此必须恰当地选样桥臂比n的值。保证

18、电桥具有较高的电压灵敏度。下面分析当供桥电压E确定后，n应取何值电桥电压灵敏度才最高。三、提高电桥电压灵敏度的措施：第28页，本讲稿共46页 由 来求 的最大值，由此得求得n=1时，为最大。这就是说，在供桥电压确定后，R1=R2，R3=R4时，电桥的电压灵敏度最高。由上面式子可知，当电源电压E和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂阻值大小无关。四、非线性误差：在上面分析中，都是假定应变片的参数变化很小，而且可忽略掉，这是一种理想情况。第29页，本讲稿共46页实际情况是要考虑应变电阻微小的变化按下面的公式计算：上式的输出电压 与 的关系是非线性的。实际的非线性特性曲线

19、与理想的线性曲线的偏差称为绝对非线性误差。第30页，本讲稿共46页下面计算非线性误差。经过计算非线性误差：下面我们通过讨论来看看非线性误差的影响：（1）当灵敏系数较小时：对于一般的应变片所受应变 通常在5000 以下，若取灵敏系数为2，则：则相对非线性误差为：第31页，本讲稿共46页（2）但当灵敏系数较大时，电阻相对变化较大的情况：例如半导体应变片，为130，当承受应变为1000 时，代入：得到非线性误差达到6%，所以对半导体应变片的测量电路要作特殊处理，才能减小非线性误差。第32页，本讲稿共46页五、减小或消除非线性误差的方法有如下几种：（1）提高桥臂比：从式中我们可以看出当 提高时，可以减

20、小非线性误差。但从电压灵敏度考虑 电桥电压灵敏度将降低，这是一种矛盾。因此，为了达到既减小非线性误差，又不降低其灵敏度，必须适当提高供桥电压E。第33页，本讲稿共46页(2)采用差动电桥：根据被测试件的受力情况，根据被测试件的受力情况，若使一个应变片受拉若使一个应变片受拉，一个受压，一个受压，则应变符号相反；测试时将两个应变片则应变符号相反；测试时将两个应变片接入电桥的相邻臂上、如图接入电桥的相邻臂上、如图25所示称为所示称为半桥差动电半桥差动电路。路。图2-5第34页，本讲稿共46页该电桥输出电压：若 则得 由此可知，与 成线性关系，不存在线性误差。而而且且电电压压灵灵敏敏度度为为，比比使使

21、用用一一只只应应变变片片提提高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用。高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用。同同样样根根据据被被测测试试件件的的受受力力情情况况，若若使使两两个个应应变变片片受受拉拉，两两个个受受压压，则则应应变变符符号号相相反反；测测试试时时将将四四个个应应变变片片接接入入电电桥桥的的相相邻邻臂臂上上、如如图图26所所示示称称为为全桥差动电路全桥差动电路。第35页，本讲稿共46页 同样可以推出，由此可知，比用单片提高了四倍，比半桥差动电路提高了一倍。图2-6全桥差动电路第36页，本讲稿共46页（3）采用高内阻的恒流源电桥：通通过过电电桥桥各各臂臂的的电电流流如如果果不不恒恒定定，

22、也也是是产产生生非非线线性性误误差差的的重重要要原原因因。所所以以供供给给半半导导体体应应变变电电桥桥的的电源一般采用恒流源，如图电源一般采用恒流源，如图27所示所示。图2-7第37页，本讲稿共46页 供桥电流为I通过各臂的电流为 和 若测量电路输入阻抗较高，则：解该方程组得：输出电压为：若 电 桥 初 始 处 于 平 衡 状 态（R1R4=R3R2），而 且R1=R2=R3=R4，当第一桥臂电阻R1变化时，电桥输出电压为：由式可知，分母中的 被4R除，比前面的单臂供压电桥的非线性误差减少了50%。第38页，本讲稿共46页4、电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用 本章前三节介绍了电阻式传感器的

23、分类、结构、工作原理以及测量电路。在测量试件应变时，只要直接将应变片粘贴在试件上，即可用测量仪表(例如电阻应变仪)测量；然而测量如力、加速度等就需要辅助构件(例如弹性元件、补偿元件等)。首先将这些物理量转换成应变，然后再用应变片进行测量。由于实际使用的传感器形式很多。这里不可能一一介绍下面只能以电位计式加速度计和应变电阻式电子秤为例加以说明。第39页，本讲稿共46页l l电位计式加速度计电位计式加速度计图2-8第40页，本讲稿共46页应变电阻式电子秤应变电阻式电子秤下面介绍用电阻应变片的电子秤结构、工作原理相有关电路。感感器器弹弹性性体体为为双双弯弯曲曲梁梁，四四片片应应变变片片分分别别粘粘贴

24、贴在在梁梁的的上上、下下两两表表面面上上组组成成全全桥桥电电路路如如图图29所所示示。当当载载荷荷W作作用用时时，R1，R4受受拉拉伸伸，阻阻值值增增加加；R2、R3受受压压缩缩，阻阻值值减减小小，电电桥桥失失去去平平衡衡，产产生生电电压压输输出出，且且与与W成成正正比比，即即：当当其其他他条条件件不不变变时时与与W成成正正比比（由由于于涉涉及及材材料料力力学学的的知知识识这这里里不不详详细细论论述述为为什什么么？）。第41页，本讲稿共46页图2-9电子称传感器布置图 第42页，本讲稿共46页 为了提高测量精度，传感器可采用种种补偿措施消除有关误差。例如图2-10是一种调零电路。电桥2(补偿电桥)串接在应变片传感器的输出和测量电路之间通过调节补偿电桥中的电位器。改变其输出电压 ，用 来抵消传感器的零点偏移输出电压，因此调节W可使传感器在空载时输出电压为零。下图为采用单片机为核心的电子称的电路结构图。第43页，本讲稿共46页第44页，本讲稿共46页应变式传感器实物图应变式传感器实物图 应变式压力传感器应变式压力传感器第45页，本讲稿共46页应变式力传感器应变式力传感器 第46页，本讲稿共46页