傳感器與檢測技術(shù)第02章課件

第二章電阻式傳感器1電位器式電阻傳感器2應(yīng)變片式電阻傳感器電位器式：（電位計）應(yīng)變式：物理量變化電阻變化傳感元件屬于大電阻變化型，R：0—R傳物理量變化變形（應(yīng)力、應(yīng)變）敏感元件屬于微電阻變化型，R：0—20%R傳傳感元件電阻變化電阻式傳感器的基本原理：將被測量的變化轉(zhuǎn)化成電阻值的變化，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路而最后顯示被測量的變化電位計式傳感器的優(yōu)、缺點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、精度高(0.1%0.05%)、性能穩(wěn)定、受環(huán)境因素影響小，可實現(xiàn)輸出-輸入任意函數(shù)關(guān)系，輸出信號較大，一般不用放大。缺點：存在滑動觸頭與線圈等之間的摩擦，輸入能量要求較大，且磨損降低壽命和可靠性，也會降低測量精度。2.1電位器式電阻傳感器2.1.1線性線繞電位計以線位移型為例若變阻器式：若分壓器式：kR

電阻靈敏度kU

電壓靈敏度一、線性線繞電位器式傳感器工作原理：kR

電阻靈敏度kU

電壓靈敏度二、階梯特性、階梯誤差和分辨率2階梯特性電位計輸出電壓隨x的變化是不連續(xù)的，而是一條階梯形的折線。1理論特性曲線（線性）通過每個階梯中點的曲線。2.1.2非線性電位器非線性電位器是指在空載時其輸出電壓(或電阻)與電刷行程之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器，也稱函數(shù)電位器。常用的非線性線繞電位器有變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式及電位給定式四種。2.1.3負載特性與負載誤差1負載特性—電位器端接有負載電阻時的特性。電阻相對變化系數(shù)：令負載系數(shù)：負載特性曲線：3改善電位器式電阻傳感器的特性（1）采用高輸入阻抗放大器；（2）將電位器空載特性設(shè)計成某種上凸特性。2.1.4電位器的結(jié)構(gòu)與材料由于測量領(lǐng)域的不同，電位器結(jié)構(gòu)及材料選擇有所不同。但是其基本結(jié)構(gòu)是相近的。電位器通常都是由骨架、電阻元件及活動電刷組成。常用的線繞式電位器的電阻元件由金屬電阻絲繞成。1—電刷2—電阻元件2.1.5電位器式傳感器應(yīng)用舉例2.1.5電位器式傳感器應(yīng)用舉例1—骨架；2—觸點；3—輸入軸；4—導(dǎo)電片2.1.5電位器式傳感器應(yīng)用舉例2.1.5電位器式傳感器應(yīng)用舉例案例：重量的自動檢測--配料設(shè)備

比較重量設(shè)定原材料原理：彈簧->力->位移

->電位器->電阻案例：煤氣包儲量檢測煤氣包鋼絲原理：鋼絲->收線圈數(shù)

->電位器

->電阻案例：玩具機器人（廣州中鳴數(shù)碼）原理：電機->轉(zhuǎn)角

->電位器

->電阻2.2.1工作原理及分類電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理是將電阻應(yīng)變片粘貼到各種彈性敏感元件上，使物理量的變化變成應(yīng)變片的應(yīng)力、應(yīng)變變化，從而變成電阻值變化。根據(jù)應(yīng)變片的材料不同，可分為兩種金屬電阻應(yīng)變片：應(yīng)變效應(yīng)（本節(jié)內(nèi)容）半導(dǎo)體應(yīng)變片：壓阻效應(yīng)2.2.1工作原理及分類電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)，將電阻應(yīng)變片粘貼到各種彈性敏感元件上，使物理量的變化變成應(yīng)變片的應(yīng)力、應(yīng)變變化，從而變成電阻值變化。應(yīng)變效應(yīng)：在導(dǎo)體產(chǎn)生機械形變時，導(dǎo)體的電阻值相應(yīng)地發(fā)生變化。

1應(yīng)變效應(yīng)：2應(yīng)變片式電阻傳感器的工作原理：3理論基礎(chǔ)：根據(jù)歐姆定律：優(yōu)點：①精度高，測量范圍廣②頻率響應(yīng)特性較好（響應(yīng)速度快）③結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕④可在高(低)溫、高速、高壓、強烈振動、強磁場及核輻射和化學腐蝕等惡劣條件下正常工作⑤易于實現(xiàn)小型化、固態(tài)化⑥價格低廉，品種多樣，便于選擇缺點：①具有非線性，輸出信號微弱，抗干擾能力較差，因此信號線需要采取屏蔽措施；②只能測量一點或應(yīng)變柵范圍內(nèi)的平均應(yīng)變，不能顯示應(yīng)力場中應(yīng)力梯度的變化等；③不能用于過高溫度場合下的測量。4優(yōu)缺點：一、應(yīng)變片結(jié)構(gòu)與材料1.敏感珊2.基底和蓋片3.粘合劑4.引線2.2.2金屬電阻應(yīng)變片主要特性（1）

敏感柵電阻應(yīng)變片的電阻值為60Ω、120Ω、200Ω等多種規(guī)格，以120Ω最為常用。應(yīng)變片測得的應(yīng)變大小是應(yīng)變片柵長和柵寬所在面積內(nèi)的平均軸向應(yīng)變量。（2）

基底和蓋片基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，基底的全長稱為基底長，其寬度稱為基底寬。（3）引線

是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細金屬線。（4）粘結(jié)劑用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。常用的粘結(jié)劑分為有機和無機兩大類。金屬箔式應(yīng)變片

在絕緣基底上，將厚度為0.003～0.01mm電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀。二、主要特性1（應(yīng)變片）靈敏系數(shù)金屬應(yīng)變絲的電阻相對變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)KO表示；而電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K卻不同，一般K<KO

。原因有二：（1）彈性元件的形變是通過剪切力傳遞到金屬絲上的；（2）因橫向效應(yīng)的存在應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K只能通過實驗方法抽樣測定確定，具體方法：每批產(chǎn)品中提取一定百分比的產(chǎn)品進行標定。2

橫向效應(yīng)

金屬應(yīng)變片發(fā)生機械形變時，除應(yīng)變片的軸向應(yīng)變ε使敏感柵電阻發(fā)生變化外，其橫向應(yīng)變εr也將使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。金屬應(yīng)變片在發(fā)生機械形變時，既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。bOlεrrdldθθε0ε圖為應(yīng)變片敏感柵半圓弧部分的形狀。沿軸向應(yīng)變?yōu)棣?，沿橫向應(yīng)變?yōu)棣舝

。3

機械滯后

應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不重合，即為機械滯后。ΔεΔε1機械應(yīng)變ε卸載加載指示應(yīng)變εi應(yīng)變片的機械滯后產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機械應(yīng)變后，其內(nèi)部會產(chǎn)生殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時，如果敏感柵受到不適當?shù)淖冃位蛘哒辰Y(jié)劑固化不充分。4

零點漂移和蠕變零點漂移：對于粘貼好的應(yīng)變片，當溫度恒定時，不承受應(yīng)變時，其電阻值隨時間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零點漂移。產(chǎn)生原因：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。蠕變：如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機械應(yīng)變，其電阻值隨時間增加而變化的特性稱為蠕變。產(chǎn)生原因：由于膠層之間發(fā)生“滑動”，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。5溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)：粘貼在試件上的電阻應(yīng)變片在環(huán)境溫度變化時引起的電阻變化，產(chǎn)生虛假效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng)。兩種主要影響因素：①敏感柵的電阻溫度系數(shù)引起的電阻變化；②由于熱脹冷縮，膨脹系數(shù)不同形成的機械形變而引起的電阻變化。虛假應(yīng)變：6應(yīng)變極限、疲勞壽命應(yīng)變極限：在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對測試值的真實應(yīng)變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時的最大真實應(yīng)變值。εlim真實應(yīng)變εz指示應(yīng)變εi應(yīng)變片的應(yīng)變極限±10%1疲勞壽命：連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)N，稱為應(yīng)變片的疲勞壽命。疲勞損壞：三種情形。①敏感柵或引線發(fā)生斷路；②輸出指示應(yīng)變的極值變化10%；③輸出波形上出現(xiàn)穗狀尖峰。7絕緣電阻、最大工作電流應(yīng)變片絕緣電阻Rm：是指已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測試件之間的電阻值。通常Rm在50～100MΩ以上。應(yīng)變片最大工作電流Imax:對已安裝的應(yīng)變片，允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流稱為應(yīng)變片最大工作電流。8

動態(tài)特性

當被測應(yīng)變值隨時間變化的頻率很高時，需考慮應(yīng)變片的動態(tài)特性。因應(yīng)變片基底和粘貼膠層很薄，構(gòu)件的應(yīng)變波傳到應(yīng)變片的時間很短(估計約0.2μs)，故只需考慮應(yīng)變沿應(yīng)變片軸向傳播時的動態(tài)響應(yīng)。

應(yīng)變片對應(yīng)變波的動態(tài)響應(yīng)ε0應(yīng)變片ε1lx1λεx2.2.3溫度誤差及其補償1、敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。當環(huán)境溫度變化△t時，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為，則引起的電阻相對變化為2、試件材料的線膨脹引起的誤差。當溫度變化△t時，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片將產(chǎn)生附加拉長（或壓縮），引起的電阻相對變化

溫度誤差

相應(yīng)的虛假應(yīng)變輸出：溫度補償單絲自補償法自補償法組合式自補償法線路補償法〔電橋補償法、熱敏電阻〕溫度補償（1）單絲自補償應(yīng)變片

優(yōu)點：容易加工，成本低，缺點：只適用特定試件材料，溫度補償范圍也較窄。實現(xiàn)溫度補償?shù)臈l件為當被測試件的線膨脹系數(shù)βg已知時，通過選擇敏感柵材料，使下式成立

即可達到溫度自補償?shù)哪康摹Ｒ?、自補償法

R1R2組合自補償法一（2）組合式自補償應(yīng)變片（雙金屬絲柵法）

敏感柵絲由兩種不同符號的電阻溫度系數(shù)的金屬絲串接組成選用兩者具有不同符號的電阻溫度系數(shù)調(diào)整R1和R2的比例，使溫度變化時產(chǎn)生的電阻變化滿足通過調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長度來控制應(yīng)變片的溫度自補償，可達±0.45μm/℃的高精度

（2）組合式自補償應(yīng)變片

敏感柵絲由兩種相同符號的溫度系數(shù)，R2為補償電阻滿足以上條件即可實現(xiàn)自補償二

線路補償法如圖，電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關(guān)系為

式中A——由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。USCR2R4R1R3E橋路補償法由上式可知，當R3、R4為常數(shù)時，Rl和R2（可調(diào)）對輸出電壓的作用方向相反。利用這個基本特性可實現(xiàn)對溫度的補償，并且補償效果較好，這是最常用的補償方法之一。

由上式可知，電橋輸出電壓只與應(yīng)變ε有關(guān)，與溫度無關(guān)。為達到完全補償，需滿足下列三個條件：①R1和R2須屬于同一批號的，即它們的電阻溫度系數(shù)α、線膨脹系數(shù)β、應(yīng)變靈敏系數(shù)K都相同，兩片的初始電阻值也要求相同；②用于粘貼補償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件二者材料必須相同，即要求兩者線膨脹系數(shù)相等；③兩應(yīng)變片處于同一溫度環(huán)境中。缺點：三個條件不易滿足，尤其是條件③。在某些測試條件下，溫度場梯度較大，R1和R2很難處于相同溫度點。方法一：測量應(yīng)變時，使用兩個應(yīng)變片，一片貼在被測試件的表面，圖中R1稱為工作應(yīng)變片。另一片貼在與被測試件材料相同的補償塊上，圖中R2稱為補償應(yīng)變片。在工作過程中補償塊不承受應(yīng)變，僅隨溫度發(fā)生變形。由于R1與R2接入電橋相鄰臂上，因溫度變化造成ΔR1t與ΔR2t相同，根據(jù)電橋理論可知，其輸出電壓USC與溫度無關(guān)。當工作應(yīng)變片感受應(yīng)變時，電橋?qū)a(chǎn)生相應(yīng)輸出電壓。補償應(yīng)變片粘貼示意圖R1R2方法二：根據(jù)被測試件承受應(yīng)變的情況，可以不另加專門的補償塊，而是將補償片貼在被測試件上，這樣既能起到溫度補償作用，又能提高輸出的靈敏度，如圖所示的貼法。R1R2FFR1R2（b）（a）F構(gòu)件受彎曲應(yīng)力構(gòu)件受單向應(yīng)力

如圖所示，熱敏電阻Rt與應(yīng)變片處在相同的溫度下，當應(yīng)變片的靈敏度隨溫度升高而下降時，熱敏電阻Rt的阻值下降，使電橋的輸入電壓溫度升高而增加，從而提高電橋輸出電壓。選擇分流電阻R5的值，可以使應(yīng)變片靈敏度下降對電橋輸出的影響得到很好的補償。USCR2R4R1R3ERtR5方法三：采用熱敏電阻進行補償2.2.4

應(yīng)變片式電阻傳感器的測量電路

應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對變化ΔR/R，要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能用電測儀表進行測量。根據(jù)電源不同，分為直流電橋和交流電橋。一直流電橋

R2R4R1R3E電橋線路原理圖RLACDILB由IL=0可得：1直流電流平衡條件檢流計中流過的電流IL=O。式中RL為負載電阻，當R1R4=R2R3時，IL=0，UL=0，即電橋處于平衡狀態(tài)。若電橋的負載電阻RL為無窮大，則B、D兩點可視為開路，上式可以化簡為：2直流電橋的輸出電壓電橋的輸出電壓Ug為：3直流電橋的電壓靈敏度應(yīng)變片工作時：電阻值變化很小，電橋相應(yīng)輸出電壓也很小，一般需要加入放大器進行放大。由于放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多，所以此時仍視電橋為開路情況。

當受應(yīng)變時：若應(yīng)變片電阻變化為ΔR，其它橋臂固定不變，導(dǎo)致電橋不平衡，那么電橋輸出電壓Uo≠0。3直流電橋的電壓靈敏度（續(xù)）

①單臂電橋——當只有R1為應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變時，輸出電壓為：

設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于ΔR1<<R1，分母中ΔR1/R1可忽略，并考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3，則上式可寫為：

電橋電壓靈敏度定義為：分析：①電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越高，電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓的提高受到應(yīng)變片允許功耗的限制，所以要作適當選擇；②電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。②半橋差動——當只有R1、R2為應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變時，一個受拉應(yīng)變，一個受壓應(yīng)變，輸出電壓為

若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，則得：

可知：Uo與ΔR1/R1成線性關(guān)系，無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度KU=E/2，是單臂工作時的兩倍。

③全橋差動——電橋四臂接入四片應(yīng)變片，即兩個受拉應(yīng)變，兩個受壓應(yīng)變，將兩個應(yīng)變符號相同的接入相對橋臂上。若R1=R2=R3=R4，且ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，則：結(jié)論：全橋差動電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度為單片工作時的4倍。4.非線性誤差及其補償方法

與ΔR1/R1的關(guān)系是非線性的，非線性誤差為：

理想情況（略去分母中的ΔR1/R1項）：實際情況（保留分母中的ΔR1/R1項）：如果橋臂比n=1，則：減小和消除非線性誤差的方法:半橋（單臂、雙臂）和全橋初始情況：R1=R2=R3=R4，假設(shè)R1=R2=R3=R4

根據(jù)參與工作的橋臂數(shù)半橋半橋單臂半橋雙臂全橋應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。它可以測量應(yīng)變應(yīng)力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類：第一類是將應(yīng)變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。應(yīng)變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體，傳感元件就是應(yīng)變片，測量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路；第二類是將應(yīng)變片貼于被測試件上，然后將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測試件的應(yīng)變量。2.2.5應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用舉例

應(yīng)變式傳感器包括兩個部分：一是彈性敏感元件，利用它將被測物理量（如力、扭矩、加速度、壓力等）轉(zhuǎn)換為彈性體的應(yīng)變值；另一個是應(yīng)變片作為轉(zhuǎn)換元件將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。柱力式傳感器梁力式傳感器應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式加速度傳感器1、荷重柱式傳感器

柱式力傳感器-ε2+ε1截面積SFFF面積S-ε1+ε2b）a）圓柱式力傳感器的彈性元件分為實心和空心兩種。

在軸向布置一個或幾個應(yīng)變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片，后者取符號相反的橫向應(yīng)變，從而構(gòu)成了差動對。2、梁力式傳感