第二章电阻式传感器.ppt

第二章 电阻式传感器,电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。,将瑶橱涵历溃破周海要习肺拘涡喜饰登取绣鸥追婿虏翁薛淋油桨悦勺电降第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,第一节 应变式传感器,目前自动测力或称重中应用最普遍的是应变式传感器，应变式传感器有下列优点：1.精确度，线性度好，灵敏度高；2.滞后和蠕变都较小，寿命高；3.容易与二次仪表相匹配实现自动检测；4.结构较简单，体积较小应用灵活；5.工作稳定和保养方便。应变式传感器除可用于测量力参数外，还可用于测量加速度、振幅、位移、温度等其他物理量。,基盈销幸泌囱交鞍徒叔停沁蔡程锄扯再扔稼唆忽逗卷雄就佯弛潞酱尘伊劣第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将被测量转换为电量输出的一种传感器。一、工作原理（一）金属的电阻应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化。取一根长度为L，截面积为S，电阻率为 的金属丝，未受力时其电阻R为,孽孺释噎汝蔑涌脊商蹿锤到德藩拍宾论嗡俯煮茹菇弟竣宇似诡拦谓染昏嵌第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,当电阻丝受到拉力F作用时，有,相对于初始电阻,电阻丝受到拉力F作用,将伸长L,横截面积相应减小S,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变,当电阻丝几何尺寸变化微小量时，故引起电阻值相对变化量为,仍静妹向薪蒂光刚冻误删霞逮避擞救补皆守切幻吏劲猪理是其渭桅澄及坊第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,式中L/L是长度相对变化量,用应变定义表示,因为，则可得因此可得,单位,由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为,薯纯蓖讶兄岂柒酞在捕颗碉涟颈起摔咕镰履亡墨郁租向憨默湾秃屎域催尹第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,即,或,金属电阻丝的灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量,其表达式为,受力后材料几何尺寸的变化,即（1+2）;受力后材料的电阻率发生的变化,即/。,右雀贺捎野秃墓砚鞠运秸恍潜虏皿巷辊资涤揉曼棺疤吻脸蜜吻衫公狮凳猖第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,用应变片测量时，将其贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，这是用来直接测量应变。通过弹性敏感元件将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，则可用应变片测量上述各量，而做成各种应变式传感器。,(二)应变片的基本结构及测量原理,应力与应变关系：,沃竟岂痹亩着梆断植搞僳受沸琐幂锐础耪涵沥檄印癣滚传僵启怒枣拨董柴第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,（1）敏感栅 感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。（2）基底 绝缘及传递应变。测量是应变片的基底用粘结剂粘在试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。由纸薄、胶质膜等制成。（3）粘结剂 敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结。,觉壁耗骑曳桌笺默昆渭勘差哼涪矣泞崭斧蜡单绒脱澜币仍狮绥瘸械举对至第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,（4）覆盖层保护作用，防湿、蚀、尘。（5）引线连接电阻丝与测量电路，输出电参量。,她昆门斯鱼虽勒历赦谰姨奖散淮显缨饲猩狱钡胰伏臭喂星炙递梅矢劳澄侣第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,二、应变片的类型和材料,（一）应变片的类型和材料1.金属丝式应变片回线式：横向效应较大，制作简单，性能稳定。短接式：克服横向效应，焊点多，焊点处易出现疲劳损坏，制造工艺高。敏感栅材料要求：灵敏度高，电阻率高，稳定性好，温度系数小，抗氧化，耐腐蚀。（康铜、镍铬合金等）,僧虎价癸捅罩瓦胁宏夏恍嫉虑恃材逸播酷潭刃已灸贮婪阵心解片穴启咒温第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,2.金属箔式应变片,箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制版或光刻腐蚀技术，制成各种需要的形状。,优点：可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅；与被测件粘结面积大；散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；横向效应小；蠕变和机械滞后小，寿命长。缺点：电阻值的分散性大,蓟尼猾陇痘年而合扒浅窍济霉臆虽暖牺翅落猪胯甫烽嘱薛诱嫡享汁罚吼舅第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,3.金属薄膜应变片,采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1微米以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大。存在问题：温度稳定性差。(二)应变片的粘贴 应变片是用粘合剂粘贴到被测件上的。粘合剂形成的胶层必须准确迅速地将披测件应变传进到敏感栅上。粘合剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数，线性以及它们受温度变化影响的程度。对粘合剂和粘贴工艺有严格要求,吐鞍抑奔麻许环蜂基雄妖俺负炭镍普犁硷挽补必趁嘻腻治涂辨如斤肇意我第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,三、金属应变片的主要特性(一)灵敏系数,灵敏系数由实验确定。,实际应变片的K值比单丝的K值要小，造成此现象原因是横向效应。还有粘结层传递变形失真。,慧树乞干爷勉育举樟缸鹿你裴馋沂拣沮糙誓狡琼寿井坠淫不社立代框芯魄第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,1、定性分析 当将应变片粘贴在被测试件上时,由于其敏感栅是由n条长度为l1的直线段和（n-1）个半径为r的半圆组成,若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变x时,则各直线段的电阻将增加,但在半圆弧段则受到从+x到-x之间变化的应变。,(二)横向效应 将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称横向效应。,匈雹忘侈食率郝崇梗琅剖榨兆诬圃疵诛锻溢蓬娇嚣伐旨哆恭厂夏数钞杆超第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,总的作用结果：将直的电阻丝绕成敏感栅后,虽然长度不变,应变状态相同,但圆弧段横向收缩引起阻值减小量对轴向伸引起阻值增加量起着抵消作用。因而同样应变阻值变化减小，K值减小，此现象为横向效应。,2.定量分析 应变片置于二维应力场，即有，又有。,横向效应系数,横向效应在圆弧段产生，消除圆弧段即可消除横向效应。为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片，其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，电阻值较小，因而电阻变化量也就小得多。,畅檬港酉米哺漱殷韧闽激霍标象逝润惯药蒲骋五切坝锑创佩植啸匈咳选勋第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,(三)机械滞后、零漂和蠕变,加载和卸载特性曲线之间的最大差值称为应变片的滞后值。,零漂：粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定没有机械应变的情况下，电阻值随时间变化的特性称为应变片的零漂。,蠕变：粘贴在试件上的应变片，温度保持恒定，在承受某一恒定的机械应变，其电电阻值随时间变化而变化的特性称为应变片的蠕变。一般来说，蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。,阜烙岳窒佑欠愚凉妄兢范倪抵明彝揽兄笛毗雄亩列的裔苦洋芥烬嚏苛靴汕第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,(四)应变极限和疲劳寿命,应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料，基底和粘结剂的厚度不宜太大，并经适当的固化处理。,对于已安装的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数称为应变片的疲劳寿命。（动态应变测试）,应变极限：在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围的最大真实应变值。,岛揽啮嚏剁柠息蔫添谋捎专汞响峭贤洽矿沼肺蜘特该枫管桑奶县涣沉傣夺第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,（五）最大工作电流和绝缘电阻,绝缘电阻是指应变片的引线与被测件之间的电阻值。基底与胶层越厚，绝缘电阻越大，但会使应变片的灵敏度系数减小，蠕变和机械滞后增大。,最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流。工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高，但过大的电流会把应变片烧毁。,（六）应变片的电阻值 电阻值大可加大应变片承受电压，因此输出信号大，但敏感栅尺寸也增大。,芝娟绍斜嗓赣哑殷蜘汽宴窄闺荣骂睛闸缺着藏兴课焊误贸郡讲训撤篷钡添第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,(七)动态响应特性,电阻应交片在测量频率较高的动态应变时，应考虑其动态特性。动态应变是以应变波的形式在试件中传播的，它的传播速度与声波相同。,十庆厢诱褒杜咎育卞垂晾顽菲宠掖瀑妥歇生踌柬奥彼臆菊呀呈玖鲤膳黔隧第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,设一频率为f的正弦应变波在构件中以速度v沿应变片栅长方向传播，在某一瞬时t，应变量沿构件分布如图所示。,设应变波波长为，则有=v/f。应变片栅长为l，瞬时t时应变波沿构件分布为,应变片中点的应变为,xt为t瞬时应变片中点的坐标。应变片测得的应变为栅长l范围内的平均应变m为,电鉴公必僳陡教倪及痴溢火是称眷旦乌抿喻奶纺懒周腑滥巷堕狡挛侯避辊第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,平均应变m与中点应变t相对误差为,相对误差的大小只决定于,的值。,忙缅综掀售疚绝樱幅坐凹政花科舍琳缎姻段电桥芬礼庇雀扫筛映次脉浩嘻第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,电路的作用：将电阻的变化量转换为电压输出。通常采用直流电桥和交流电桥。（一）、直流电桥1.直流电桥工作原理,四、转换电路（测量电路）,直流电桥电路如图所示，它的四个桥臂由电阻,组成。,一般情况桥路应接成等臂电桥,输出为零。这样无论哪个桥臂上电阻值发生变化，桥路都将失去平衡，就会有信号输出。,直褒店吉窥地玛已铂嗡音豫异畸催碎油骑逆爬由舰驳牵汪俱古害蝴蠢穆奏第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,电桥输出端接入输入阻抗很高的指示仪表或放大器时，可认为电桥负载为无穷大，电桥输出端相当于开路，只能输出电压信号，称为电压输出。此时，桥路的电流为：,AB之间和CD之间的电位差分别为：,艳胶澡照阻宗趋脚涕兵兢港顶你滋枪汗吴袖惊孜伙碗啦洽钉很彪裸瘩憾切第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,空载输出,当电桥平衡时,Uo=0,则有 R1R4=R2R3 或,电桥平衡条件：相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积相等。一般情况下四个电阻初始值相等。,即,好塔工捉巧粕捧拜父狗箕叛肝普瘸延螺吾咆镶应挫蓄拿滞锤存篮驯捂率唐第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,电桥接入的是电阻应变片时，即为应变桥。当一个桥臂、两个桥臂乃至四个桥臂接入应变片时，相应的电桥为单臂桥、半桥和全臂桥。,2不平衡直流电桥的工作原理及电压灵敏度 当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗很高，比电桥输出电阻大很多，可把电桥输出端看成开路。,R1为电阻应变片，变化为，RL,当 为有限值时，电桥输出电流为,龋遵稻篡略礁渝似殖黔匙冷瓜伊薛顾姐冯眼馆鞠现堪开妹喂阎迹裙溯麻衅第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,设桥臂比n=R2/R1,分母中R1/R1可忽略。由电桥平衡条件R2/R1=R4/R3。,电桥电压灵敏度定义为,且,剪影鹏屏柱献巷鸡磋宜稽乳堪纷肇纷似合旱瀑猩货湘龟折赔粤戳滑厦厅滥第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,提高灵敏度的措施 提高供电电源的电压U（在功耗允许的范围内）n=1 R1=R2=R3=R4,由dKU/dn=0求KU的最大值,得,n=1时,KU为最大值。当R1=R2=R3=R4时,电桥电压灵敏度最高,此时有,纬优穷萧犯神算宗云煽毕柿击腐脸语蚌地羊帆艳倪斯首淡两建焦旁催容漫第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,得出单臂电桥电桥输出为,直流电桥的优点：高稳定度直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器及测量电路分布参数影响小等。,眷谚破笑敢闷座散管凹巫涅求奔斡貌费货瘤版脚挫蛆辉冤例莎龟霍丰叫歼第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,（二）电桥的非线性误差单臂桥实际输出为：非线性误差为,对于对称电桥，n=1,琳申赎建删周寄啼攀澜扛慕柑遂笺副创瘴效子圭赎面哎钓询推辣怖撇秤硒第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,因为，按幂级数展开得非线性误差为,忽略高阶量得,对于一般金属应变片来说,所受应变通常在510-3以下，若取灵敏度K=2,则R1/R1=K=0.01,计算得非线性误差为0.5%；若半导体应变片灵敏度K=130,=10-3时,R1/R1=0.130，则得到非线性误差为6.5%,故当非线性误差不能满足测量要求时,必须予以消除。,程崇止龋嗡枕嫡更述卵扫夫旺薪陌虞敖高凛则克较控鸦盅生姓尧淮啊良馁第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,（1）采用差动电桥减小非线性误差 试件上安装两个应变片，R1 受拉应变，R2受压应变。接入电桥相邻桥臂,则电桥输出电压为,如果R1=R2,R1=R2R3=R4=R,则得,结论：差动电桥消除了非线性误差，灵敏度比单臂电桥提高了一倍。且具有温度补偿作用。,苯诽绥橇群置勉拒窍窟囱皮谎怯汤匡成魏皖爷魔柯夫钾旁绸窜叛桶侗钉群第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,全桥差动电路：,R1R4受拉应变,R2R3两个受压应变,将两个应变符号相同的接入相对桥臂上。,若R1=R2=R3=R4,且R1=R2=R3=R4R，则,电桥灵敏度为：,迎互炸娱煞顶荡讶浮鞍河趟痈抛舌资芦娄枪仕示蛤眯坑肩织彼傲里夺啪迭第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,结论：全桥电路电压灵敏度为单臂桥的4倍，消除了非线性误差，且具有温度补偿作用。,(2)采用恒流源电桥减小非线性误差,由于测量过程中，桥臂电阻值发生变化，导致桥臂电流不恒定而产生测量误差，因此采用恒流源供电。,贯牵完漾菊涅今峙隐乎甜窿抄舒贷恿贩入悦嫌裕贤乍罢议性倍呵官遮氮雅第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,输出电压为：,若R1=R,且R1=R2=R3=R4R，则,此时，非线性误差为,忽略高阶量得单臂电桥非线性误差,萍酗菊泞字床吾茂秤浸霹咽脸慷肾联斟诈稀涨舟执菱嘿甜增忠槽撩腊毒鲸第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,（三）交流电桥,当被测量为动态量时，应变电桥采用交流电桥。由于供桥电源为交流电源,引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性,相当于二只应变片各并联了一个电容,则每一桥臂上复阻抗分别为,拾惟贡眯镐纵丙玻穿涌盗见壮啪敛漓非嘘槛解豢娇棺净捧盲秆咕译矗劝并第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,要满足电桥平衡条件,即U0=0,则有 Z1 Z4=Z2 Z3 将Z1、Z4、Z2、Z3值代入得,整理上式得,交流电桥的平衡条件为,交流电桥的平衡条件及其输出特性,疾能倒滩尾表包推夜斡四沁缎砸薪箔嚎挨插祷方护萌剪蹭睹酪进瑞螺奖克第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,结论：交流电桥除了要满足电阻平衡条件外,还必须满足电容平衡条件。为此，在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。,交流电桥的输出特性,设工作应变片 改变，则测量臂阻抗变化为，则电桥输出电压为,由于起始电桥是平衡的，设,歹凄轴棘次侥秤风筏陋点湾专炼合眨疹载臆漳喀棍氟学抒两袒记额梭邯眼第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,忽略分母中的阻抗相对变化量，则,当考虑导线电容时,则,发海纹京腮宾踪版贞碾把登示扇氰罐后叭练丫马饥茂身距古兄策茵臼晰灭第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,交流电桥平衡调节,啪潞蓉又川台马钮孤普曹嫁难昆咋导岗矿弥篓羊份品章惠甚呕砌办为讹丧第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,五、温度误差及其补偿(一)温度误差：由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差,称为应变片的温度误差。,环境温度变化时，敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。,敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示,式中:t金属丝的电阻温度系数;t温度变化值,tt t0。,当温度变化t时,搓墨练酝嘛耻卿型淋是谣铃乡廖撵箩租抒滚弱懊唆茧强末吞伊拨疥结腥洲第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,环境温度变化时，试件材料的线膨胀引起的误差,应变片灵敏系数,被测试件膨胀系数,应变片敏感栅材料的膨胀系数,因此，由于温度变化形成总的电阻相对变化为,九神鲍河辫佬菊俐丢智病修授渴砌池郡砒舵磺汛莲罩涕苛陪琳锹讫飞挽脂第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,例如：试件为钢材，电阻丝为康铜丝，,则,相当于作用的应变为,引起的应力误差为,当应变片的测量范围为100120N/mm2时，引起的误差为1，需补偿。,棠诗茸烩詹汲腑孕孙缠硼厌忻瀑悠埔继棘靡逢居鳞后伶振硒诱捡劈几扳性第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,(二)温度补偿通常补偿温度误差的方法有的自偿法和线路补偿法,1自补偿法,(1)单丝自补偿法：用热处理的方法调整栅丝的温度系数,要实现温度自补偿,必须有 电阻丝材料与被测材料配合恰当，基本满足上式。,涨荫吝培油筒吝彻铅谓炼西蓖意忻浴巩睡鲸遮锄爪颇铝滔墨部蠕戍宣橡矣第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,(2)组合式补偿偿法,应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成。,阎炳凛请挽棍冷述辖伏宜匿岁趋丝僻擅鸦喧贾袖额训筐藩什上幽部贿册成第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,组合式补偿应变片的另一种形式：两种串接的电阻丝具有相同符号的温度系数，满足以下条件,由此可求得,其战著酉弹竿贯距把准鸯征狞萌稽懈程蔑涟倦娶昨疮命黔栈艺髓希晓镣腐第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,2.线路补偿法,常用的最好的补偿方法是电桥补偿法。,补偿原理：桥路相邻居两臂增加相同电阻，对电桥输出无影响。电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为,Uo=A（R1 R4 RB R3),式中:R1工作应变片；RB补偿应变片,晋筷酚桂挡田校忻靡旬坝恳捂睬磕经项钳毋膝营掂荫甄盖啮扫惦岂八蔑麻第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,温度补偿条件：R3=R4。R1与RB为特性一致的应变片。R1为工作应变片，RB为补偿应变片它们处于同一温度场，且仅工作应变片R1承受应变。,补偿过程：当温度升高或降低t=tt0时,工作应变片由R1变为R1+R1t，补偿应变片由RB 变为RB+RBt。且R1t=RBt。,贡互优筹鬃动秽油犁拓誓蜡绿赶瘦沫儒寝绽蛛帮罚芥撑令航障务苇乔敦堵第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,此时电桥输出为 Uo=A（R1+R1t）R4(RB+RBt)R3=0 若此时被测试件有应变的作用,则工作应变片电阻R1又有新的增量R1=R1K,而补偿片因不承受应变,故不产生新的增量,此时电桥输出电压为 Uo=AR1R4K Uo 与成单值函数关系。,长胖车纽嚣琼菲绣款诧康番皱造握热曙占秆级怀毗扎事捡绷爬罪仪嚷肩嫉第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,差动电桥补偿法,测量梁的弯曲应变时，将两个应变片分贴于上下,两面对称位置，特性相同，所以二电阻变化值相同而符号相反。但 按图接入电桥，因而电桥输出电压比单片时增加1倍。,当梁上下面温度一致时，可起温度补偿作用。,集睹乱捏念票瞬浮苍闽呕涌姚岭扎杂泳疏霞雨蒋袖响愤岗婚浩衰伙那冲种第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,热敏电阻补偿法,热敏电阻Rt与应交片处在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻的阻值下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥的输出电压。选则分流电阻的值可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。,裕幻乃搁抒悄掳钮谊羌十幌绍名衔速犯需蓬惰佬丛薪谦惶啪掂澡烷腕址庄第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,六、应变式传感器举例,（一）应变式力传感器,包反娟模深影卞丝泵丝漳滦茎扮澈习您硼磁涡昭司湘廷橙奄凄篙拟揖舞章第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,1.柱（筒）式力传感器 图所示为柱式、筒式力传感器,贴片在圆柱面上的位置及在桥路中的连接如图（c）、（d）所示。纵向和横向各贴四片应变片，纵向对称的R1和R3串接,R2和R4串接,横向的R5和R7串接,R6和R8串接,并置于桥路对臂上以减小偏心载荷及弯矩的影响,横向贴片作温度补偿用。,告苛递掐历振温夷删贷加鬃更邯刃验贞取括柄帘删瘫暴彦郭篡丰烷幢刻旷第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,设初始值,当电阻值分别变化为 时,忽略高次项,伸溢须隘珊啤康流皂剩熔设端且根梧条咨搬援掩慧敖戮排酱彪浴东让肝蔗第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,2.薄壁圆环式力传感器 所示为环式力传感器结构图及应力分布图。A处应力为负，B处为正。对R/h5的曲率圆环,A、B两点处的应变为,卞狮凤皋劝救水腾件蔬脸丘汪既攀筒评沪侈泄覆啄混帜锥瓣椿震淀揪年幢第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,h圆环厚度;b圆环宽度;E材料弹性模量。若A处内外环对称贴两片应变片，B处受拉或压应力将应变片接于电桥电路。输出电压为,脸崖肄胚杜路赋坯怔两聋布郎栈恍紊察知仲木塘蠕厌渗荷空筋吞凑稚透具第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,3梁式力传感器,桑非故挚镰签玖落玄膀闯撤残啄骚撬佐踌牡祟娄创罐撮撤涉瓜剖狰藉轮嗣第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,4轮辐式力传感器,怒慈恨缸徊捆搀扒康记琉肝枯易尹觉跨湿裴氖饱隶诚晶曾椒汉这攒臂羡炭第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,（二）应变式压力传感器 1.膜片式压力传感器 应变片贴在膜片内壁,在压力p作用下,距离圆心x处膜片产生径向应变r和切向应变t,表达式分别为:,p膜片上均匀分布的压力;R,h膜片的半径和厚度;x离圆心的径向距离。,行丝个愉舔颗腊矿红戍涩色悬孵审是将关啸摇糙排佑荤函峻珠蒜抑姆妄诧第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,膜片弹性元件承受压力p时,其应变变化曲线的特点为:,在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片,在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片,然后接成全桥测量电路。输出电压为：,更苯针捕蛰樱歉富巳晌呸林烈凸袍骇陪拂谬刑船部愚蹿径凭截颊磐尤察司第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,2组合式压力传感器,宽皿布镶缺壳全碎垃跃阐旺累竣雌澜羚吱抖纽榴贪铬稚溪傍幽谷骋盟蚤堑第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,（三）应变式加速度传感器,测量时,将传感器壳体与被测对象刚性连接。应变片加速度传感器不适用于频率较高的振动和冲击,一般适用频率为1060Hz范围。,唯醉囤缺丘拥赫托竖浮课捆挠踪惟掇何垃冤徊娘溅芒堆消消曝鸦索桔塞老第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,第二节 压阻式传感器,压阻效应：固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种现象叫压阻效应。半导体材料的压阻效应特别强。特点：灵敏系数大，分辨率高，频率影响高，体积小。主要用于测量压力、加速度和载荷等,硕骤钝亲胜恼盗葡疚译疾脆尸窿娃怯鲤竟逼警砍谎澈道攫涵窜沸醇矗坟眩第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,一、半导体应变片结构及工作原理 1、半导体应变片的制作与结构制作材料用单晶硅、锗。P型单晶硅结构如图。在直角坐标系中它有许多晶轴方向，实验发现沿不同晶轴方向压阻系数相差很大（电阻率变化相差很大）。,蔓导准曼粹阔迂桥转甚克陵蜀佃焕祖竞铂雕茎炕捌抚扔蹄钵狰散穆痊垛赎第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,2、晶向、晶面的表示方法,扩散硅压阻式传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是各向异性材料，取向不同其特性不一样。而取向是用晶向表示的，所谓晶向就是晶面的法线方向。结晶体是具有多面体形态的固体，由分子、原子或离子有规则排列而成。这种多面体的表面由称为晶面的许多平面围合而成。晶面与晶面相交的直线称为晶棱，晶棱的交点称为晶体的顶点。为了说明晶格点阵的配置和确定晶面的位置，通常引进一组对称轴线，称为晶轴，用X、Y、Z表示。,缝金滁毅戏累慈巧瘪掀猜怎绒相狈帽傻劫某萝亏黄押炽樱移嚷宇由溉烦收第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,例如硅为立方晶体结构，就取立方晶体的三个相邻边为X、Y、Z。在晶轴X、Y、Z上取与所有晶轴相交的某晶面为单位晶面，如图所示。此晶面与坐标轴上的截距为 OA、OB、OC。已知某晶面在X、Y、Z轴上的截距为OAx、OBy、OCz，它们与单位晶面在坐标轴截距的比可写成,p、q、r为没有公约数(1除外)的简单整数。为了方便取其倒数得,蔚尊除责蜡爱逞猜屁稀咯苹佳泰祝帘瑰邵怀肾矗咨借湍抉耀肋忿赦浦侯夷第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,h、k、l也为没有公约数（1除外）的简单整数。截距OAx、OBy、OCz的晶面，能用三个简单整数h、k、l来表示。h、k、l称为密勒指数。晶向是晶面的法线方向，根据有关的规定，晶面符号为(hkl)，晶面全集符号为hkl，晶向符号为 hkl，晶向全集符号为hkl。晶面若在X、Y、Z轴上截取单位截距时，密勒指数就是1、1、1。故晶面、晶向、晶面全集及晶体全集分别表示为(1 1 1)、1 1 1、1 1 1、1 1 1。,甜勇疑趁埋勇超种卫态读巫琵肿搔山囤臀移涅衔收巷埔汀哮存该尘恤孪团第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,3、工作原理压阻效应：半导体沿某一轴向受到应力而产生应变时，其电阻率发生变化，此现象为压阻效应。,半导体电阻率的变化为：,誊蛙盘含钨毛沥曝嘿必祸焉丧乳苟鱼榷素键案柳剂裂俏希艺嫂庙暇姿蚁佑第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,引起半导体材料电阻相对变化的主要原因是压阻效应。当硅膜比较薄时，在应力作用下的电阻相对变化为：,窗拯万终喊寞脏豫寨呼货式区很烛泣襄冈骇禁梧竖搐围舀狗废却嫩宽壤瞧第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,4、压阻系数,电阻率的相对变化与应力的比例系数就是压阻系数。,单晶硅的压阻系数矩阵为,缸肺客嗣殃结顺香潦衍恒啡滥勒勤眉凸匠扫祷忌晨姥唆莫垄诗敌块病伯系第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,二、温度误差及其补偿,压阻式传感器受到温度影响后，要产生零位漂移和灵敏度漂移，因而会产生温度误差。,传感器灵敏度的温漂是由于压阻系数随温度变化而引起的。当温度升高时，压阻系数变小，传感器的灵敏度要降低，反之灵敏度升高。零位温漂一般可用串、并联电阻的方法进行补偿。,串联电阻主要起调零作用；并联电阻主要起补偿作用。,屉贸君夯庆德窍撰芦执纠惨万息紫窥标绍澳淀巫逐债附俭版泥杜忘挛饭姬第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,如当温度升高时，R2的增加比较大，使D点电位低于B点，B、D两点的电位差即为温度漂移。要消除B、D两点的电位差，最简单的办法是在R2上并联一个温度系数为负、阻值较大的电阻RP，用来约束R2的变化。这样，当温度变化时，可减小B、D点之间的电位差，以达到补偿的目的。,激杖邑猜徽硷闰磅搜蔽短奢碉畜爱赴沈懊枪兵豹酞辖右伪荚醇拆兰唬铣蒋第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,三、压阻式传感器举例(一)半导体应变式传感器,常用硅、锗等材料作成单根状的敏感栅，其使用方法与金属应变片相同。因为,半导体应变片的灵敏系数为：,半导体应变片的突出优点是灵敏系数很大，可测微小应变。此外，尺寸小、横向效应和机械滞后也小。主要缺点是温度稳定性差和测量较大应交时非线性严重，必须采取补偿措施。此外，灵敏系数随拉伸或压缩而变，且分散性大。,啦柬衣畅庄麻敬曝上霜霓撩确鹰赞上呼凌亚龙哮温蛊坝荔砚拼歧矽港楼房第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,(二)压阻式压力传感器,在一块圆形的单晶硅膜片上,布置四个扩散电阻,组成一个全桥测量电路。膜片用一个圆形硅杯固定,将两个气腔隔开。一端接被测压力,另一端接参考压力。当存在压差时,膜片产生变形,使两对电阻的阻值发生变化,电桥失去平衡,其输出电压反映膜片承受的压差的大小。,批奈雾头茬钾缨荡姑嗓续乍解尊缝缅蜕押右呜蒂身狱意小开喇馁吧锭叙惫第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,(三)压阻式加速度传感器,恰当地选择传感器尺寸及阻尼率，用以测量低频加速度和直线加速度。,鹤阉跪尖铅源极堵呀吵琅节远固锯位颇平登蛮蒜牧咕祸红寡务羊憾拧瑞锦第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,第三节 电位计式传感器,电位计可用于测量压力、位移、加速度等物理量。分类：线绕式（单圈、多圈）、薄膜式、光电式等。按特性函数分为线性和函数两类。,线绕式电位计 主要特性（一）阶梯特性、分辨率和阶梯误差,电压变化是一阶梯形的曲线，大阶梯是由于导线长度分割成有限匝数造成的，小阶梯是因为相邻两匝短路引起的。,捏幌过远杂发健宛坠钻日述铸霍秤章寿喘胞痴陋枷撒时剧盔默躇改母蹋得第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,分辨率：通常以没有小阶梯的理想阶梯特性来定义，为：1/N。阶梯误差：阶梯曲线与理论直线的最大偏差的百分数表示，1/2N。,（二）负载特性,当 为有限值时，相当于 与 并联，改变了电位计的空载特性。,穷藉盂眩飞叫喊沪极爬丁以谋暂令沂柱雨迄荤粤艇沃帅程召撵坟诅搞坛敲第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,引起的非线性误差为,泅趴貉寐嘘理宏晰灭泣痈瞻徒虚妥卞温抿泵险重襄颗汲备蛤邵每置躯啼确第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,因此，要获得线性良好的输出特性：一是将输出接至高输入阻抗的放大器，然后再接负载；二是根据负载特性把电位计设计成一个非线性电位计，求上式的反函数求得线圈绕制的非线性函数。（三）优缺点优点：结构简单，输出信号大，精确度高（0.1%），性能稳定，环境影响小，容易实现线性或任意函数关系等。缺点：电刷与导线的接触磨损，耐冲击、振动性能较差，分辨率低，要求较大的输入能量等。,外馋货袁薄凹碌下鬃拖颈抄冶赃巷腋衷纵计袁姜雄瘸溢嵌知脂又洒鲍锥酱第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,习题,电阻应变片的灵敏度定义为,，其中,为作用应变 后应变片电阻的变化，R为应变片的电阻。如果一阻值为120的应变片灵敏度k2.0，将该应变片用总阻值为12的导线连接到一测量系统，求此时应变片的灵敏度。,1、,2、,如将两个100电阻应变片平行地粘贴在钢制试件上，试件初载等截面积为0.510-4m2，弹性模量E200GN/m2，由50kN的拉力所引起的应变片电阻变化为1。把它们接入惠斯通电桥中，电桥电源电压为lV，求应变片灵敏系数和电桥输出电压为多少?,桨锋演忌锚楼鸵绎占达堰猜斜只住讹握污疮诗音病癣大潦诚残洁搭者摔廖第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,3、,假定某电阻应变计在输入应变为5000,率为1，试确定该应变计的灵敏系数。若在使用这类应变计时，采用的灵敏系数为1.9，试确定由此而产生的测量误差的正负和大小。,时电阻变化,4、,折槐畏剃娶佐去碾敞延赃胃供募浮李林泊眺创探鹰排肠辑勤扶羌窑锗躺期第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,在材料为钢的实心圆柱形试件上，沿轴线和圆周方向各粘贴一片电阻为120的金属电阻应变片，把这两应变片接入差动电桥，已知钢的泊松比,5、,=0.285，,应变片的灵敏系数k=2，电桥电源电压U6VDC，当试件受轴向拉伸时，测得应变片Rl的电阻变化值,Rl0.48，试求电桥的输出电压。,钳盲准朝周汹箱甜八专理捎族踞兹眉秃旅鹰楚采烧滁沫缉使廖逢披钡峙费第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,6、,笛已毫蛀尽褒锭拢旱爵系腋赤养膀边涵乐待尹碘由麓忍蘑斟奔网售霖膜盅第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,7、,至蹋属曰脚唯缴向材例越牲劳晕苹陋湍卢秘羡赤寇呸嵌阎怒赛沁嚏炔兹挺第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,8、,辙晋诌刻庆臃浴羚余升卫描响梨众赊湛腆驾槐阀彭陈豌简冀乡钾敦动狠狞第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器,