第二章 电阻式传感器

26
基座与被测对象固定在一起，当质量块感受加速度 而产生惯性力Fa时，在力Fa的作用下，悬臂梁发生弯曲 变形，其应变为
Fa ma
27
粘贴在梁两面上的应变片分别感受正(拉)应变和 负(压)应变而电阻增加和减小，电桥失去平衡而 输出与加速度成正比的电压U0，即
28
Diagram of strain gauge
12
第二节 应变式电阻传感器
三、电阻应变片的种类（按材料分类）
金属应变片和半导体应变片 • 1、金属应变片 （1）丝式应变片： 横向部分为较粗的铜线，减少横向效应 （2）箔式应变片 比表面积大，散热条件好，可通过较大电流；易于 制成各种形状，便于批量生产。
13
第二节 应变式电阻传感器
• 由前面分析可知，应变片电阻变化ΔR=KεR，对于金 属应变片，ε一般为10-6－10-3，应变片电阻值通常为 2个数量级，取K=2，因此ΔR的范围为10-4－10-1Ω， 很微弱，不易测量，因此在50年代中期出现了半导体 应变片。其特点有： • （1）灵敏度高，约为金属的50－80倍 • （2）体积小，易于微小型化、易于集成化 • （3）精度高，工作可靠，寿命长。大型飞机中作大气 数据计算机的压力传感器，计量用标准压力计上的压 力传感器，精度一般为千分之一，可达万分之二。 • （４）对温度敏感，非线性误差大
3
一、线绕式电位器传感器
２、传感器的阶梯特性、误差 （1）阶梯特性 当电刷在电阻体上移动时，电位器阻值随电刷从 一圈移动到另一圈是不连续变化的，故UO也是不连续 变化的，而是阶跃式地变化。电刷每移动一圈使UO产 生一次跳动。若线圈匝数为n匝，则UO的阶跃值为：
•
4
一、线绕式电位器传感器
• 传感器的特性曲线是一条阶梯形的曲线，如图所示： 对阶梯特性曲线进 行线性化处理，即 画出其理论特性曲 线（通过每个阶梯 中的直线），
14
第二节 应变式电阻传感器
• 它是利用压阻效应工作的． • 压阻效应：对一半导体沿某一晶向施加 应力时，其电阻率会产生一定的变化， 这种现象称为～。 • 当半导体应变片承受应力时，相对电阻 率为：
15
16
第二节 应变式电阻传感器
四、应变片的测量电路
由前可知，应变片的电阻变化值很微弱，用万 用表无法测量，同时为了便于显示或控制需将Ｒ转 换成Ｕ、Ｉ，所以通常采用电桥作为测量电路。 • 由于应变片的应用非常广泛，其测量电路已有 很多种标准形式，称为应变仪。 根据供电电源的不同，电桥又可分为直流电桥 和交流电桥两种。 • 根据电桥的读数方法不同，又分为两类： 平衡电桥：精度高，只适用于测量静态参数 不平衡电桥：精度较低，使用方便，可测静、动 态参数 •
（１）提高桥臂比 (２）采用差动电桥
21
差动电桥分为半桥差动和全桥差动电路两 种。
半桥差动电路： • 将两个性能完全相同的应变片贴在被测试件的表面， 一个被拉伸，一个被压缩。设Ｒ１被拉伸，电阻值增加了 ΔＲ１，Ｒ２被压缩，电阻值减少了ΔＲ２，两个应变片 接入相邻桥臂
R3 R1 R1 U 0 E( ) R1 R1 R2 R2 R3 R4
5
一、线绕式电位器传感器
（２）阶梯误差
阶梯特性曲线围绕直线上下波动，显然存在非线 性误差，在此称为阶梯误差。 定义为：理想阶梯特性曲线对理论特性直线之间的最 大偏差与最大输出电压之比的百分数
增大线圈匝数，可减少阶梯误差。
6
二、非线绕式电位器
以光电电位器为例： 在基体上沉积一层硫化镉光电导层，硫化镉材料 具有以下性质： • 有光照时，Ｒ值很小，约几ＫΩ • 无光照时，Ｒ值很大，约几十ＭΩ • 当作为电刷的窄光束照射到某处，相当于在该 处将电阻带和导电电极接通，在输出电压的大 小随光束的位移而改变。
1
第一节 电位器式电阻传感器
一、线绕式电位器传感器（滑线变阻器）
１、线绕式电位器的结构和工作原理 由骨架和电阻丝、电刷三部分组成。 若电位器空载（ＲＬ为无穷大），则
•
式中ＳＲ，ＳＶ分别为电位器的电阻和电压灵敏度，两者均为常 数，即传感器的输出—输入之间为理想的线性关系。
2
一、线绕式电位器传感器
• 注意： • 得出该结论的前提条件是：负载ＲＬ为无穷 大。可以证明，若该条件不满足，则为非线性 关系。
20
为了简化分析，我们取桥臂比n=1
U 0 U 0/ / UO
R1 U0 11 R1 1 / 1 R1 R1 U0 1 1 2 R1 R1
由上可知，γ与Ｋ、ε有关。对于金属应变片，Ｋ小于 ２，γ也较小；半导体应变片，Ｋ值较大，当承受应变较 大时，γ较大，不能满足要求，这时候必须采取措施，减 小非线性误差。通常有以下几种方法：
17
电阻应变片的测量电路
以直流不平衡电桥为例：R1为应变片
18
由上式可得出两点结论： （1）SV与E有关，E↑→SV↑，但E不能太大，通常为1~2伏 （2）SV 与n有关
19
2、电路的非线性误差及其补偿 在刚才的分析中是假设ΔR1很小，得到理想的线性 关系。当应变较大时，分母中的ΔR1不能忽略，则有：
9
第二节 应变式电阻传感器
２、工作原理 以金属电阻丝为例： 当金属丝受到外力时，产生相应的机械变形，其ρ、Ｌ、 Ｓ值均改变，从而使Ｒ值改变。
10
第二节ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ应变式电阻传感器
11
第二节 应变式电阻传感器
• 同一材料制成应变片的灵敏系数小于金 属丝的灵敏系数，这种现象称为横向效 应。因此应变片的灵敏系数必须通过实 验重新标定，称为标称灵敏系数。(一批 产品中取5%进行实验测试，测出灵敏系 数，其平均值为该批产品的标称灵敏系 数)
第二章
•
电阻式传感器
定义： 电阻式传感器是将非电量的变化量转换成与之有
一定关系的电阻值的变化，通过对电阻值的测量达到测 量非电量的目的。
• 分类：
热电阻式 （后面章节中介绍） 电位器式：线绕式和非线绕式，
适用于非电量变化较大场合 应变式： 金属和半导体应变片， 适用于非电量变化相对较小的场合， 灵敏度高。
8
第二节 应变式电阻传感器
二、电阻应变片的结构和工作原理 １、基本结构 如图所示为其结构示意图 • 敏感栅：将金属电阻丝绕制成 • 栅状用粘合剂将敏感栅粘贴在 • 基片上，上面覆盖一保护薄膜 • 称为覆盖层，再焊两根引线。 • b：敏感栅的宽度 • l：敏感栅的长度 • b×l：敏感栅的使用面积 • 应变片规格：使用面积，敏感栅阻值。例： 3×10mm2，120Ω
23
全桥差动电路：
•
如果使用四个应变片，两个被拉伸，两个被压 缩，变形相同的应变片接在相对的桥臂，则得到全桥 差动电路。 取 Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４ ΔＲ１＝ΔＲ２＝ΔＲ３＝ΔＲ４
R1 U0 E R1
由上式可知，UO与ΔR1/R1之间为线性关系,灵敏度为 半桥差动电路的2倍，也具有温度补偿的作用。
1 R1 U0 E 2 R1
由上式可知差动电桥无非线性误差，同时电压灵 敏度提高了一倍
22
此外，该电路还具有温度补偿的作用
补充：
•
应变片的温度误差主要来自两方面，一是环 境温度变化时，使应变片的阻值改变，二是由于 热胀冷缩且试件与应变片的膨胀系数不同，从而 使应变片被迫跟随试件发生相同的变化，产生一 虚假应变。无应变时，若环境温度改变，对于一 般电桥，应变片阻值Ｒ１改变，存在温度误差； 对于半桥差动电路，相邻桥臂中R1、R2同时变化， 且ΔR1=ΔR2，从而消除了温度误差。
24
• 注意：若电桥中形变相同的应变片接在 相邻桥臂，则UO恒为0，无法进行测 量。
25
应变式加速度传感器
应变式加速度传感器的具体结构形式很多，但都可简化 为下图所示的形式。等强度弹性悬臂梁固定安装在传感 器的基座上，梁的自由端固定一质量块m，在梁的根部 附近两面上各贴一个(成两个)性能相同的应变片，应变片 接成对称差动电桥。
29
The structure of typical elastic element and its designing calculation as follows:
30
Bending beam
Applied force
Proving ring 测力环
31
非线绕电位器无机械部件的磨损，寿命长； 无阶梯误差，精度高
7
第二节 应变式电阻传感器
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 一、应变效应 导体或半导体材料在受到外界力作用时，产生机械 变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其 阻值发生变化的现象称为～。