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1、第3章：电阻传感器,本章要求：,1、掌握应变效应、应变方程、横向效应、灵敏系数、压阻效应及金属电阻应变片和半导体应变片的温度误差及温度补偿、电阻应变片的测量电路；,2、金属电阻应变片的结构、参数、弹性组件种类及金属电阻式传感器的应用。,本章重点：应变效应、横和效应、灵敏系数、温度误差及温度补偿、静态特性与动态特性。,本章难点：温度误差及温度补偿、静态特性与动态特性。,一、电阻传感器将力、扭矩、位移、速度、加速度及流量等非电量转换成电阻参数的变化，这种测量系统称为电阻传感器。,二、电阻传感器的种类1、电位器传感器；2、电阻应变传感器；3、压阻传感器,3.1、电位器传感器,一、电位器传感器的基本知
2、识,1、电位器传感器定义：将电位器作为传感元件，直接把机械线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出的装置称为电位器传感器。,2、电位器分类：（1）按输出输入特性分类，分为线性电位器和非线性电位器；（2）按制成电阻体材料分类，分为五类：a金属丝线绕式；b合成电阻膜式；c导电塑料式；d导电玻璃式；e半导体式；（3）按电刷位移方式分类，分为线位移和角位移；（4）按电位器结构分类，分为四类：A滑线式；B分段电阻式；C液体触点式；D光电式；,优点：,（1）结构简单，尺寸小，重量轻；,3、电位器传感器的优、缺点,（2）精度高（可达0.1%0.05%）,（3）性能稳定，受环境因素（温度、湿度、
3、电磁场干扰 等）影响小。,缺点：,（1）因为存在滑动触头与线圈或电阻膜之间的磨擦，因此需要较大的输入量；,（2）由于磨损，不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且降低测量精度。,二、线绕电位器传感器的结构及工作原理,1、结构：由两大部分组成：,（1）电阻体。塑料骨架上绕有电阻系数很大的电阻丝。,（2）电刷。,2、工作原理,电位器为空载(RL=)时，对应的输出电压为：而对应的电阻变化为：则输出电压为：,上述分析表明，空载时，改变测量电阻值Rx所引起的输出电压U0的变化为线性变化。,三、线绕电位器传感器的阶梯特性、阶梯误差和分辨率,1、阶梯特性由线绕电位器结构可知，当电刷在变阻器线圈上移动时，线圈一圈一
4、圈地变化，因此，电位器的电阻值随电刷位移x的变化量是不连续的，所以输出电压U0随电刷位移x的变化也是不连续的，而是阶跃式变化。如图3-2所示。,2、阶梯误差如图3-3所示，理论特性曲线 与理想特性曲线 的偏差称为阶梯误差。,3、电压分辨率线绕电位器的电压分辨率是指在电刷行程内电位器输出电压阶梯的最大值与最大输出电压之比的百分数。,四、电位器的负载特性与负载误差,图34所示为带负载电位器的电路图。,图35所示绘出了负载特性曲线,图36所示的曲线图为e与m、X的关系,五、非线绕电位器式传感器,线绕电位器式传感器具有高精度、性能稳定、易于达到较高的线性度和实现各种非线性特性等优点，但也存在阶梯误差、
5、分辨力低、耐磨性差、寿命较低等缺点。为此研制出一种非线绕电位器式传感器，非线性线绕电位器又叫函数电位器。,消除非线性误差的方法有两种：第一，采用空载特性为非线性的电位器。使它带负载时具有线性输出特性；这些非线性电位器有：用曲线骨架绕制的非线性电位器，输出输入之间具有正弦函数的非线性电位器，用分段法绕制的非线性电位器。用并联电阻法绕制的非线性电位器。第二，引入具有非线性可变电阻R，与负载电阻RL串联，有关具体实现方法这里不作讨论。,非线绕电位器式传感器有以下几种：,1、合成膜电位器,合成膜电位器的变阻器是由电阻液喷涂在绝缘骨架表面上形成电阻膜而制成的。电阻液是由石墨、炭黑、树脂等材料配制而成，经
6、烘干聚合后，在骨架上形成电阻膜。这种电位器的优点是分辨力高，阻值范围广、耐磨性好、工艺简单、成本低，其线性度为1%左右，经修刻后可提高至0.1%左右。其主要缺点是接触电阻大、抗潮湿性差和噪声较大。,2、金属膜电位器,金属膜电位器是在玻璃或胶木基片上，分别用高温蒸镀和电镀方法，涂复一层金属膜或金属复合膜而制成的。用于制作金属膜的合金有铑锗、铂铜、铂铑、铂铑锰等合金，而复合膜则是一层金属和一层氧化物膜的合成，如铑膜和氧化锡膜、镍铬合金膜加氧化钛膜等。使用金属复合膜的目的在于提高膜层的阻值和耐磨性，金属合金膜阻值高，而金属氧化膜耐磨。,电阻温度系数可达（0.51.5）10-4/0C，温度在1500C
7、以上能正常工作；分辨力高，磨擦力矩小。缺点是功率小，耐磨性差，阻值不高（12K）。,金属膜电位器的优点,3、导电塑料电位器,这种电位器又称为实心电位器，它的电阻元件是由塑料粉及导电材料（金属合金、石墨、碳黑等）粉经压制而成。其优点是耐磨性较高，使用次数可达上千万次，寿命较高；它的电刷可允许较大的接触力，由几十至几百克，适于在振动、冲击等恶劣条件下工作；其阻值易受温度和湿度影响，接触电阻大，精度不高。,4、光电电位器,光电电位器最大的优点是无磨擦和磨损，也不会产生磨擦力矩，提高了仪器的精度、寿命和可靠性；阻值范围宽（约5002M），且分辨率很高，这些都是一般电位器所不及的。,3.2 金属电阻应变
8、片,电阻应变片是一种能将被测试器件的应变变化转换成电阻变化的敏感组件。电阻应变片有两大类：金属电阻应变片和半导体应变片。,一、应变效应,金属电阻应变片的工作原理是电阻应变效应即金属导体或半导体材料在外力作用下产生变形时，导致其电阻值发生变化，使电阻相对变化量与其线应变成正比的现象称为电阻应变效应，或简称应变效应。,、结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；、易于实现测量过程自动化和多点同步测量、远距离测量和遥测；、灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；、可以测量多种物理量。,应变式电阻传感器具有如下独特的优点,1、金属电阻应变片的结构,二、金属电阻应变片的工作原理,金属丝应变片的结构如图38所
9、示。（1）敏感栅；（2）基底；（3）覆盖层；（4）引线；（5）粘结剂,2、应变片工作原理,设一长度为l、截面积为A、电阻率为的金属丝，未受外力作用时，其电阻为,电阻丝受到拉力作用时，电阻丝会发生变形。长度伸长l，面积减小A，电阻率变化，由此引起电阻变化，用微分方程表示 则 称为应变方程。KS即为电阻丝的应变灵敏系数。,则,3、产生应变的原因,1）、电阻丝受力后，材料的几何尺寸发生变化，导致其电阻值发生变化。即式中的（12）项。金属材料的电阻应变效应以此项为主，即K金12，其值约在1.73.6之间，一般取K金2。（2）、电阻丝受力后，材料内部的自由电子的数量和活动能力发生变化，引起物理性质发生变
10、化，使其电阻率发生变化，导致电阻 值发生变化。即式中的项。半导体材料的压阻效应以此项为主。即K半。其值可达100以上。由应变方程可知，电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比。,三、金属电阻应变片的静态特性,金属应变片感受试件不随时间变化或变化缓慢的应变时的输出特性称为静态特性。其主要指标有：,1、灵敏系数K；灵敏系数K有三个特点：（1）K与外施力F的方向无关，只与外施F的大小有关，即K拉K压K；（2）应变片的灵敏系数K一般小于制成该应变片敏感栅同等长度直电阻丝的灵敏系数KS。即KKS。（3）同批量应变片的K不完全相等，,横向效应：在测量纵向应变时，敏感栅的园弧部分将产生负的电阻变化，从而降低了应
11、变片的灵敏系数，这种现象称为应变片的横向效应。,2、横向效应及横向效应系数H：,消除横向效应影响的方法,、采用大基长窄基宽的敏感栅、采用短接式敏感栅、采用箔式敏感栅,3、机械滞后,指粘贴在试件上的应变片，在恒温条件下增减试件应变过程中，对应同一个机械应变g所指示的应变i差值。如图311所示。,4、零漂和蠕变,零漂是指温度恒定，试件初始空载时，应变片电阻值随时间变化的特性。粘贴在试件上的应变片，在恒温恒载条件下，指示应变随时间单向变化的特性称为蠕变。如图312所示，,5、应变极限min，指温度恒定时，使非线性误差达到10时的真实应变值，称为应变极限。即时的真min。6、绝缘电阻粘贴好的应变片引线
12、与试件之间的电阻值即为应变片绝缘电阻Rm。7、最大工作电流敏感栅允许通过而不影响其工作特性的最大电流称为最大工作电流Imax。工作电流大，输出信号大，灵敏度高。但工作电流超过Imax，应变片会过热，灵敏系数变化，零漂与蠕变增大，甚至烧毁应变片。一般静态测试电流取25mA，动态测试取75100mA,四、金属电阻应变片的动态特性,应变片的动态特性指其感受随时间变化的应变响应特性。,1、对正弦应变波的响应 应变片对正弦应变波的响应是在其栅长范围内所感受的应变量的平均值。如图3-13表示一频率为f，幅值为0的正弦波，以速度为沿着应变片纵向方向传播时，在某瞬时t的分布图。,2、应变极限和疲劳寿命 在幅值
13、一定的交变外力作用下，粘贴在试件上的应变片连续工作至疲劳损坏时的循环次数N称为应变片的疲劳寿命。当弹性体输入的真实应变超过某一限值时，应变片的输出特性将出现非线性，如图3-14所示。,五、金属电阻应变片电桥电路,因为应变片将被测非电量转换为电阻输出，要把电阻变换成电压或电流，必须和电桥电路一起使用。,1、直流电桥电路,(1)平衡条件直流电桥电路的基本形式如图3-20所示,R1、R2、R3、R4称为电桥的桥臂，RL为其负载。,R1R4=R2 R3 或便称为电桥平衡条件。,提高单臂工作应变片的电桥电压灵敏度的方法：,提高供桥电压U。但是，供桥电压的提高，受到两方面的限制：一是应变片的允许温升，即应
14、变片的允许功耗；一是应变片电阻的温度误差。采用等臂电桥,（3）、消除非线性误差的方法：,（2）电压灵敏度,半差动电桥；全差动电桥提高桥臂比；采用高内阻的恒流源电桥,采用差动电桥,a)、半差动电桥在同一试件上分别粘贴两只应变片，一只感受拉力，一只感受压力，两者应变符号相反，大小相等。测试时，将两只应变片分别接在电桥的相邻桥臂上，如图3-21所示。,b)、全差动电桥若在同一试件上分别粘贴4片应变片，其中两片受拉力，两片受压力，如图322所示。将两个应变符号相同的应变片接在相对桥臂上，则构成全差动电桥。,高内阻的恒流源电桥,通过电桥各桥臂的电流不稳定，也是产生非线性误差的重要原因之一。所以采用恒流源
15、供电，如图3-23所示。电桥输出电压为：由上式可知，用恒流源供电输出电压分母中的R被4R除，而用恒压源供电输出电压的分母中的R被2R除。因此，采用恒流源电桥比恒压源电桥的非线性误差减小一倍。,2、交流电桥电路,（1）、直流电桥的优缺点优点：易于获得高稳定性直流电源，电桥平衡调节简单，连接导线的分布参数小。缺点：输出电压采用直流放大器，易产生零点漂移。故多采用交流电桥电路。交流电桥连接导线的分布参数影响小，平衡调节、信号放大电路均与直流电桥明显不同。,（2）、交流电桥平衡条件交流电桥结构与工作原理和直流电桥基本相同，如图3-24所示。不同的是输入输出电压为交流。在一般情况下，其输出电压为其平衡条
16、件由复数U0求得。Z1Z4Z2Z30 则Z1Z4Z2Z3因此，交流电桥平衡条件有两个：r1r4r2r3x1x4x2x3 或 z1z4=z2z3r1x4+r4x1=r2x3+r3x2 1+4=2+3,（3）、交流电桥调平衡方法,、电阻调平法。包括串联电阻法和并联电阻法。,、电容调平法。包括差动电容法和阻容调平法。,（4）、交流不平衡电桥输出,（1）单臂交流电桥，其输出电压为,（2）半差动电桥，其输出电压为,（3）全差动电桥，其输出电压为,六、电阻应变片的温度误差及其补偿,温度效应单纯由温度变化引起应变片电阻虚假变化的现象，也为应变片的温度效应。温度误差由温度效应引起的误差。即由于环境温度改变而给
17、测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差，或称热输出。,1、温度效应与温度误差,2、产生温度误差的原因（1）、电阻温度系数的影响（2）、敏感栅材料与试件材料的线膨胀系数的影响（3）、温度变化使应变片产生的总的附加误差,（3）、总的温度影响,总的电阻相对变化。,总热输出。,总的应力误差。,3、温度误差补偿方法,月 温度误差补偿就是消除t对测量应变的干扰。通常采用温度自补偿和桥路补偿法。,（1）、应变片自补偿法,这种补偿方法是通过精心选配敏感材料与结构参数来实现温度误差被偿。,单丝自补偿法,双丝自补偿法,这种传感器的敏感栅由电阻温度系数为一正一负的两种合金丝串接而成。如图3-23所示。,（2）、桥
18、路被偿法,桥路被偿法利用电桥的和差原理来实现温度误差的被偿。有两种方法：补偿片法；差动补偿法,补偿片法A）、对被偿片法的要求：a、R1为工作片，RB为被偿片，二者性能要完全相同；b、R1、RB分别贴在两个材料完全相同的试件上，且处于同一温度场中 c、R1、RB接在电桥的相邻桥臂上。B）、被偿目的：如果电桥输出电压的分子中不含有Rt，则达到温度被偿目的。C）、被偿原理：D）、补偿片法的缺点：a、两个应变片只有一个工作，应变片利用率只有50；b、要求工作片与补偿片处于同一温度场中，感受温度完全相同，难以做到，因而难以达到完全温度补偿的目的。,为了提高应变片的利用效率，设法使补偿片也工作，但要接成差
19、动式。如图 3-25所示。,差动补偿法,A）、对应变片的要求：,a、R1、R2为工作片，且互为被偿片，二者性能要完全相同；b、R1、R2贴在同一试件上，使二者感受互为相反的力；c、R1、R2接在电桥的相邻桥臂上,B）、被偿目的：如果电桥输出电压的分子中不含有Rt，则达到温度被偿目的。,由于R1、RB 性能完全相同，又处于同一温度场中，故 R1tR2tRt R1R2R,则电桥输出电压为,式中：（RtR0）由上式知：,、分子中不含Rt，实现温度补偿；,、与补到相比，输出电压灵敏度提高一倍。,C）、补偿原理：,设t0时，应变片未工作，R1R2R3R4R0 应变片工作，且温度变化t后，R1R0R1R1
20、t R2R0R2R2t,（3）、热敏电阻补偿法,如图3-26所示。热敏电阻Rt与工作片R1处于同一温度场中，当温度升高时，使R1与Rt的阻值均升高。根据公式，输出电压U0为：,而,即,当tR1U0保持U0不变 tRtU，U0 式中Rt为热敏电阻。这样便达到了温度补偿的目的。,3.3、压阻式传感器及其应用,一、压阻效应：沿一块半导体的某一轴向施加压力使其产生变形时，它的电阻率发生显着变化的现象，称为半导体材料的压阻效应。,二、压阻式传感器：利用半导体材料的压阻效应制成的传感器称为压阻式传感器。即半导体应变片。,三、半导体应变片与金属应变片比较,1、金属应变片的特点：（1）性能稳定，精度高；（2）
21、应变灵敏系数小（K金1-3）,2、半导体应变片的特点：,（1）、应变灵敏系数很高，可达100200；（2）、几何尺寸小，且可以做成集成传感器；（3）、横向效应小，机械滞后小，稳定性好；,四、半导体应变片的工作原理,如图3-27所示，半导体小条在其纵向受到压力作用时，其电阻值会发生变化，其应变方程为：,对于半导体应变片，,由于,（12）,故,由半导体电阻理论可知：,LLE,则半导体压阻材料的应变灵敏系数K为 K=LE,1、K与下列因素有关：,1）K与半导体材料有关。一般P型半导体材料的应变灵敏系数K为正，N型半导体材料的应变系数K为负。,2）K与半导体的晶向有关。,经查资料得，P型材料在111晶
22、向的K最大。如图3-28所示.,2、影响压阻效应L的因素：1）压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小；2）表面杂质浓度低时，压阻系数随温度升高而下降较快。,五、半导体应变片的结构与主要特性,1、结构：其敏感栅可做成条形、U形、W形，一般栅长为110mm。,2、主要特性：,(1)、应变电阻特性,、总的讲来，P型硅Si比N型硅Si的线性要好。P型硅Si拉伸时的线性比压缩时好，N型硅Si压缩时的线性比拉伸时好。如图3-29所示。,、掺杂浓度增加，线性变好，但灵敏度下降。如图3-30所示。,(2)、电阻温度特性性,bKb（gb）t,、一般硅和锗的（7001060C），比康铜的（201060C）和卡玛丝等金
23、属的值大很多，且Kb比Kbg大50们以上，故半导体应变片电阻温度特性比金属电阻应变片大得多，、掺杂浓度增加时，RR受t影响减小，但灵敏系数下降。,、半导体应变片灵敏系数K随温度升高而降低；、K受温度的影响随杂质浓度增加而减小。当杂质浓度很高时，K几乎不受温度变化影响。,(3)、灵敏系数的温度特性,半导体应变片灵敏系数K受温度影响，这主要是由于压阻系数L受温度影响所致。半导体压阻系数L与温度t的关系为LAt，式中A、是由半导体材料与杂质浓度所决定的常数。,图3-32 示出P型硅半导体应变片的灵敏系数温度特性。灵敏系数的温度系数随杂质浓度增加而接近于零。,六、半导体应变片的温度补偿方法,1、温度自
24、补偿法：一组件补偿法；二组件补偿法。与金属应变片自补偿法同。,2、灵敏系数温度补偿法,应变片未工作时，调节调零器，使U00；、应变片工作时，U0IRIRIRK；、温度变化t后，RR0（1t）KK0（1t）则U0IRKIR0（1t）K0（1t）IR0K01（）tt2因为0 0 使得（）t20。使得U0IR0K0保持求变，达到温度补偿目的。,3.4 电阻式传感器的应用,（一）电阻应变仪电阻应变仪是一种可以直接测量试件应变的仪器。它以电桥为基础，将电桥输出微小变化，经过电压放大，供普通电流计指示或供记录仪纪录。电阻应变仪种类按测量应变变化频率划分有以下几种：1、静态电阻应变仪。2、静动态电阻应变仪。
25、3、动态电阻应变仪。4、超动态电阻应变仪。5、遥测应变仪。,（二）电位器式压力传感器,图3-36示出YCD-150型压力传感器原理图，它由一个C形弹簧管和电位器组成。电位器固定在壳体上，电刷与弹簧管的传动机构相连接。当流体被测压力P变化时，弹簧管的自由端产生位移，通过传动机构，一面带动指针偏转，一面带动电刷在线绕电位器上滑动，从而将被测压力转换为电阻值变化。图3-37为另一种电位器压力传感器原理图，,（三）金属电阻应变式传感器及应用,1、金属电阻应变式传感器由弹性敏感元件、金属电阻应变片及外壳等组成的装置。2、特点：测试范围宽，输出特性线性度好，测量精度高，性能稳定，工作可靠，能适应恶劣环境条
26、件。3、用途：用于测量力、压力、加速度等力学量，广泛用于煤炭、化工、冶金、机械、交通及国防等许多部门。,一、工作原理,把电阻应变片贴在传感器的弹性组件表面，当弹性组件受力作用产生应变时，电阻应变片就会感受到该变化随之产生应变，并引起应变片电阻的变化。即 dRRK0,二、常用弹性组件（敏感组件、试件）有以下几种：,1、等截面悬臂梁 式弹性组件,2、等强度悬臂梁,3、双端固定梁,4、薄壁环,5、筒式弹性组件 应变片在筒式（圆柱、圆筒、方柱）弹性元件上的位置如图3-42所示。,6、轮辐式剪切力传感器图3-43为轮辐式剪切力传感器。外力作用在轮的顶部和轮圈的底部，轮辐上受到纯剪切力。每条轮辐上的剪切力
27、和外力成正比。当外力作用点发生偏移时，一面的剪切力减小，一面的剪切力增加，其绝对值之和仍然是不变的常数。8个应变片的贴法和电桥的接法如图3-43（b）所示。,下面简单介绍采用S型双弯曲悬臂梁应变力传感器和单片机相结合的数字式电子称。,三、应变式传感器在电子秤中的应用,S型双弯曲梁应变式测力传感有以下特点：,1）输出灵敏度高；2）输出只与应变片基长l（常数）有关，而与重物加载点X无关3）抗侧向力强；4）结构简单，精度高，量程宽，工作可靠。,图3-47所示为带微处理机电子秤方框图,四、电阻应变传感器在泥石流预测中的应用,原理框图如图3-48所示。将电阻应变片粘贴在一定尺寸的钢筋上（钢筋尺寸大小及数
28、量由所处环境条件决定），钢筋埋入泥石流常发生且危及铁道的地方，电阻应变片分别接入电桥电路，电桥输出经信号处理电路送入测量仪器。当无泥石流时，电桥无输出信号，仪器无指示，无报警信号。一旦泥石流发生，由于各钢筋因泥石流冲压而受到不同的力，应变片感受力后阻值变化，电桥有信号输出，测量仪器有指示，报警装置即可报警提示。,MajpjMVcyzj21HLfrvy96dv02lPPfYgxUS7IYmZkyEmZ0kGeYZS3bpLCkYH1lt4EK7CxmUX3ijoYSOer7ZuaVWYgz4EpZrUirVpMzzvNtf1XZw5oswSXOtFaejnOcmfE1lZgnN1RSXg8wLC
29、G8CVQ3XPJMvodPFWcpiYJgZazNSEPNIaklYSu7qSd1UpaxmZDlpN9zW7kljfsLCLi26Yv109ffbnDH8LbUN1G6ACURQ39eG12KHL9tXsZ1jzgoCK8g1kuNOh5eFvcmVT5ZYVQt9zk3rp3qLnf02FovEXxVRxjCcFRNppiJljNiOuk6fONnyX7fyGg7sXZ49BmCN5oy9VesHpKzdjTKwjrkCEQCFDehVmGax3lrOEbw63VscA3YSijtUKoCyiLzAlVRp7l4QgPNHxvJFFDyjUVN3oHlMah0XBd4uTbkfPIhHt
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