art2电位器式和应变片式电阻传感器.ppt

第二章 电阻式传感器,一类电阻式传感器：,1.测电流：在被测线路上直接串接一个相对很小的电阻（尽量不影响该线路上电流的大小），从电阻两端输出测量信号。例如，电缆厂高速小拉机上的,2.测电压：在被测电压两端并联大电阻（尽可能小地改变被测电压值），分压输出测量信号。例如，电子束焊机输出电压测量,电阻式传感器的分类,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%R传,传感元件,电阻变化,2-1 电位计式传感器,电位计式传感器分类,将机械的线位移或角位移的变化,电阻或电压的变化,一定函数关系,变阻器式,变压器式,电位计式传感器的优、缺点：,优点：结构简单、尺寸小、重量轻、精度高(0.1%0.05%)、性能稳定、受环境因素影响小，可实现输出-输入任意函数关系，输出信号较大，一般不用放大。缺点：存在滑动触头与线圈等之间的摩擦，输入能量要求较大，且磨损降低寿命和可靠性，也会降低测量精度。,电位计分类,电位计分类,按输出-输入特性,线性电位计非线性电位计,按结构形式,线绕式在传感器中应用较多薄膜式具有较高的精度和线性特性光电式无摩擦和磨损，分辨率高,一、线绕电位计的结构,二、线绕电位计的工作原理,根据欧姆定律：,以线位移型为例：,若变阻器式：,SR 电阻灵敏度：表示电刷单位位移能引起的输出电阻的变化量,若分压器式：,SV 电压灵敏度：表示电刷单位位移能引起的输出电压的变化量 SR、SV均是常数,三、线绕电位计的输出特性,阶梯特性和阶梯误差 阶梯特性 电位计输出电压随x的变化是不连续的，而是一条阶梯形的折线。阶梯误差 理论特性曲线 通过每个阶梯中点的曲线。阶梯误差 阶特梯形曲线围绕理论特性曲线上下波动产生的偏差。,输出特性二,负载特性和负载误差 负载特性 电位计有负载的情况下得到的特性。,一般表达式：,UC,对负载特性的讨论：,当 时，特性曲线变成直线，它实为空载特性 当带有负载时，曲线下垂，负载越小，下垂越多，产生的负载误差越大。,设有显示器其输入为05V时，相应地显示0.00 5.00。若UC接入该显示器，且U=5V、RL=，则当x由0逐渐增大到L时，显示器随x的变化线性地显示0.00 5.00。（特性为一斜线）,若RL，则为非线性，如上图所示。,输出特性三,负载误差 由于负载电阻不是无限大，而是可与电位计电阻值相比的有限值，造成负载特性为一下垂曲线，产生误差，也称非线性误差。电刷在起始和最终位置时，负载误差 eL=0,电刷在相对行程X=1/2时，负载误差 eL max，且m，eL,四、电位计式传感器的应用,电位计式压力传感器,电位计式加速度计,电位计式加速度传感器1惯性敏感质量；2弹簧片；3电阻元件；4电刷；5活塞阻尼器；6壳体。,总结,2-2 电阻应变式传感器,优点：,结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；易于实现测试过程自动化和多点同步测量，以及远距测量和遥测；灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；可测多种物理量，如：位移、加速度、力、力矩、压力等。,工作原理及分类,电阻应变式传感器的工作原理是将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，使物理量的变化变成应变片的应力、应变变化，从而变成电阻值变化。根据应变片的材料不同，可分为两种,金属电阻应变片半导体应变片,2-2-1 电阻应变片,一、金属电阻应变片,金属的应变效应,根据欧姆定律：,金属的应变效应,金属丝的电阻应变效应 金属丝的电阻值随着金属丝的几何尺寸变化（伸长或缩短）而发生相应的变化的现象。,称为泊松比,结构和形式,种类,电阻-应变特性,令,Ks越大，越灵敏,Ks 金属丝的灵敏系数：表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。,Ks只能靠实验求得，而,一般 KKs，K是通过抽样测定的，故称标称灵敏系数。,二、半导体应变片,半导体材料有明显的压阻效应，即半导体材料的电阻率随作用应力而变化。,压阻效应系数 E 弹性模数,实验表明：E1+2,半导体应变片的灵敏系数,2-2-2 测量电路,测量过程,力、压力,应变变化,电阻变化,电压或电流的变化并显示和记录,敏感元件,应变片,电阻应变仪,按激励电压性质,直流电桥交流电桥,一、直流电桥1、不平衡桥式,直流不平衡式电桥形式,电桥平衡条件为：R1R4=R2R3一般取 R1=R2=R3=R4=R当R RR 时，U0相应变化,半桥和全桥,假设R1=R2=R3=R4,根据参与工作的桥臂数,半桥,半桥单臂,半桥双臂,全桥,讨论,电桥接法与电桥灵敏度的关系：S半桥单臂：S半桥双臂：S全桥=1：2：4 电桥联接的规律 电阻变化符号相反的联入相邻臂中 电阻变化符号相同的联入相对臂中桥臂电阻数与输出之关系,单纯的增加桥臂电阻数不会增加输出，但可以起平均作用及消除干扰的作用。,2、平衡桥路原理,H的读数桥臂电阻变化R 特点：电表G始终指零，与输入电压U无关，故测量误差仅取决于可变电位器的精度及刻线精度，而与电源无关，这种方法称为“零位法”。,二、交流电桥,输出电压,平衡条件,设各臂阻抗为,Z复阻抗的模 则,根据复数相等条件可得交流电桥平衡条件为,在测量前对电桥应分别进行电阻、电容平衡，即R1R4=R2R3 R1C1=R2C2,2-2-3 温度误差及其补偿,一、温度误差,敏感栅电阻随温度的变化引起的误差 试件材料的线膨胀引起的误差,二、温度补偿,自补偿法 1）单丝自补偿法 2）组合式自补偿法 a.选用两者具有不同符号的电阻温度系数 b.两种串接的电阻丝具有相同符号的温度系数,2.线路补偿法,1）电桥补偿法 2）采用差动电桥补偿法3）热敏电阻补偿法,2-2-4应变式传感器的应用,一、测结构的应变或应力,二、与弹性元件结合构成各种应变式传感器,典型应变式传感器a）位移传感器；b）加速度传感器；c）柱式测力传感器；d）扭矩传感器；e）筒式压力传感器,应变式加速度传感器,应变式加速度传感器1.惯性质量块；2.等强度梁；3.阻尼液；4.限位块；5.应变片；6.壳体,应变式传感器实例,应变式压力传感器,应变式力传感器,三、压阻式压力传感器,四、压阻式加速度传感器,总结,