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1、第二章 电阻式传感器,总课时：8 学时讲授：6 学时实验：2 学时,1、电阻式传感器的定义和分类 一、定义 二、分类2 电位计式传感器（简单介绍）2.1、线绕式电位器传感器 2.1、非线绕式电位器传感器,3、应变电阻式传感器 3.1 应变电阻式传感器概论 3.2电阻应变片的结构和工作原理 3.3 电阻应变片测量电路 4、电阻式传感器的应用 4.1电位计式加速度计 4.2应变式电子称 4.3应变电阻式传感器实物图,1 电阻式传感器的定义和分类,电位计式：应变式：,物理量变化,电阻变化,传感元件,属于大电阻变化型，R：0R传,物理量变化,变形（应力、应变）,敏感元件,属于微电阻变化型，R：020%
2、R传,传感元件,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,2 电位计式传感器（简单介绍）,2.1、线绕式电位器传感器:,1、线绕电位器结构和工作原理：,线绕电位器式传感器的工作原理，可由图21来说明。若线绕电位器的绕线截面积均匀，则R变化均匀(线性)。图21中的为工作电压，为负载电阻两端的输出电压，x为线绕电位器电刷移动的长度、L为其总长度，对应于电刷移动量x的电阻值为。,图2-1绕线式工作原理图,若电位器为空载()时，根据分压原理得：,而对应的电阻变化为：
3、,（2-1）,（2-2）,将式（2-2）代入式（2-1）得：,（2-3）,式中：、分别为线绕的电阻和带电压灵敏度，它们分别表明电刷单位位移所能引起的输出电阻和输出电压的变化量。、均为常数。上述分析表明改变测量电阻值所引起输出电压的的变化为线性变化。图21表示了电位器的工作原理：电刷相对于电阻阻元件的运动可以是直线运动、转动和螺旋运动，因而可以将直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。它除了用于线位移和角位移测量外，还用于测量压力、加速度等物理量。,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
4、辨率有限，一般精度不够高，动态响应较差，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。,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。,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
5、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,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。,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。,1、光电导层 2、基体
6、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,光电式电位器结构原理：,其工作原理：在当电刷的窄光束4照射在此间隙上时，就相当于把电阻带3和导电电极5接通，在外电源E的作用下，负载电阻Rb上便有电压输出；而在无光束照射时，因其暗电阻极大可视为电阻带与导电电极之间断路，这样V输出电压随着光束位置移动而变化。光电电位器优缺点：耐磨性好,精度、分辨率高，寿命、可靠性好，阻值范围宽(5000一15M欧姆)等等；但是其结构较复杂，工作温度的范围比较窄(150)，输出电流小，输出阻抗较高。,3、应变电阻式传感器,3.1 应变电阻式传感器概论,应变式电阻传感器是目前用于测量
7、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。,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。,3.2 应变电阻式传感器结构原
8、理,一、应变效应：,导体、半导体,外力,产生机械变形,电阻变化,这种因形变而使其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(其L为长度，A为截面积)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？,二、基本结构：电阻应变片种类繁多、但其基本结构大体相似，现以金属丝绕式应变片结构为例加以说明。,图2-3,三、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
9、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）,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）,将式（2-5）变形得：,称为应变片的灵敏系数其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。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，另一个是受力后材料的电阻率发生的变化即：对于确定的材料 是常数，其数值约在12之间。实验证明 也
10、是常数。则 表示金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变 成正比关系。,应变电阻传感测量原理,应变片,产生微小变形,电阻值变化,测得应变值,求得应力值,外力F,3.3 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。,一、直流电桥基本形式及平衡条件,电流电桥的基本形式如图24所示。R1，R2、R3，R4称为电桥的桥臂，认为 为其负
11、载.,图2-4,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：,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:,每课一新传感器介绍,美研制“武士”传感器美国陆军正在研制一种可嵌入未来“武士”军服内的传感器
12、系统，指挥官和医护人员可通过这个系统监测“武士”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，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信息。,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
13、地选样桥臂比n的值。保证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：,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。,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与理想的线性曲
14、线的偏差称为绝对非线性误差。,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：,（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。,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
15、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。,(2)采用差动电桥：,根据被测试件的受力情况，若使一个应变片受拉，一个受压，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25所示称为半桥差动电路。,图2-5,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。,而且电压灵敏度为，比使用一只应变片提高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用。同样根据被测试件的受力情况，若使两个应变片受拉，两个受压，则应变符号相反；测试时将四个应变片接入电桥的相邻臂上、如图26所示称为全桥差动电路。,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
16、路提高了一倍。,图2-6全桥差动电路,（3）采用高内阻的恒流源电桥：,通过电桥各臂的电流如果不恒定，也是产生非线性误差的重要原因。所以供给半导体应变电桥的电源一般采用恒流源，如图27所示。,图2-7,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%。,4、电阻式传感器的应用,本章前三节介绍了电阻式传感器的分类、结构、工作原理以及测量电路。在测量试件应变时，只要直
17、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。,电位计式加速度计,图2-8,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。,感器弹性体为双弯曲梁，四片应变片分别粘贴在梁的上、下两表面上组成全桥电路如图29所示。当载荷W作用时，R1，R4受拉伸，阻值增加；R2、R3受压缩，阻值减小，电桥失去平衡，产生电压输出，且与W成正比，即：当其他条件不变时 与W成正比（由于涉及材料力学的知识这里不详细论述为什么？）。,图2-9电子称传感器布置图,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。,应变式传感器实物图,应变式压力传感器,应变式力传感器,
