《电阻传感器》PPT课件.ppt

第2章 应变式传感器,2.1 工作原理,1,2.2 电阻应变片特性,2.3 电阻应变片的测量电路,3,2.4 应变式传感器应用,4,2,3.1 电位器式传感器,电位器是人们常用到的一种电子元件，它作为传感器可以将机械位移或其他能变换成位移的非电量变换为电阻值的变化，并容易转换成电压的变化。电位器式传感器具有结构简单，价格低廉，性能稳定，对环境条件要求不高，输出信号大，易于转换，便于维修的优点。其缺点是存在摩擦，分辨力有限，精度不够高，动态响应较差，仅适于测量变化较缓慢的量，常用作位置信号发生器。图3-1(a)和(b)分别为直线位移和角位移传感器的外形图。,图3-1 电位器式传感器的外形及电压转换原理图（a）直线位移传感器；(b)角位移传感器；(c)电位器的位移电压转换原理图,3.1.1 电位器式传感器的转换原理根据电工知识，我们很容易理解电位器的电压转换原理。电位器的位移电压转换原理如图3-1（c）所示。设电阻体的长度为l，电阻值为R，两端所加（输入）电压为Ui，则滑动端输出电压为,式中，x为位移量,3.1.2 电位器式传感器的结构与类型如图3-2所示，电位器由电阻元件、电刷、骨架等组成。其形式有直滑式和旋转式，旋转式有单圈和多圈两种。电刷由触头、臂、导向及轴承等装置组成；触头常用银、铂铱、铂铑等金属；电刷臂用磷青铜等弹性较好的材料；骨架常用陶瓷、酚醛树脂及工程塑料等绝缘材料。电阻元件有线绕电阻、薄膜电阻、导电塑料电阻、导电玻璃釉电阻等。,图3-2 电位器的原理图（a）直滑式；(b)单圈旋转式；(c)多圈旋转式,2.非线绕电位器1)合成膜电位器合成膜电位器的电阻体是用具有某一电阻值的悬浮液喷涂在绝缘骨架上形成电阻膜而制成的。其优点是分辨率较高，阻值范围很宽（100 4.7 M），耐磨性较好，工艺简单，成本低，线性度好等；主要缺点是接触电阻大，功率不够大，容易吸潮，噪声较大等。,2）金属膜电位器金属膜电位器由合金、金属或金属氧化物等材料通过真空溅射或电镀方法，在瓷基体上沉积一层薄膜而制成。金属膜电位器具有无限分辨力，接触电阻很小，耐热性好，满负荷达70。与线绕电位器相比，它的分布电容和分布电感很小，特别适合在高频条件下使用。它的噪声仅高于线绕电位器。金属电位器的缺点是耐磨性较差，阻值范围窄，一般在10100。由于这些缺点，限制了它的使用范围。,3)导电塑料电位器导电塑料电位器又称实心电位器，这种电位器的电阻是由塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成的。导电塑料电位器的耐磨性很好，使用寿命较长，允许电刷的接触压力很大，在振动、冲击等恶劣环境下仍能可靠工作。此外，它的分辨率较高，线性度较好，阻值范围大，能承受较大的功率。导电塑料电位器的缺点是阻值易受湿度影响，故精度不易做得很高。导电塑料电位器的标准阻值有1 k、2 k、5 k和10 k，线性度为0.1%和0.2%。,4）导电玻璃釉电位器导电玻璃釉电位器又称金属陶瓷电位器，它是以合金、金属氧化物或难溶化合物等为导电材料，以玻璃釉粉为粘合剂，混合烧结在陶瓷或玻璃基体上制成的。导电玻璃釉电位器的耐高温性、耐磨性好，有较宽的阻值范围，电阻湿度系数小且抗湿性强。导电玻璃釉电位器的缺点是接触电阻变化大、噪声大、不易保证测量的高精度,3.2应变片式电阻传感器,3.2.1.电阻应变片的工作原理 电阻应变片的工作原理是基于应变效应的，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。,金属电阻丝应变效应图,金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为:电阻丝的电阻率；L电阻丝的长度；S电阻丝的截面积。当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长，横截面积相应减小，电阻率将因晶格发生变形等因素而改变，故引起电阻值相对变化量为:,式中 是长度相对变化量，用金属电阻丝的轴向应变表示，数值一般很小表达式为：S/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量，即：,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：电阻丝材料的泊松比；一般金属，负号表示应变方向相反。将式(2-3)、(2-4)、(2-5)代入式(2-2)，可得：,又因为-为压阻系数，与材质有关；为试件的应力；E为试件材料的弹性模量。所以根据上述特点，测量应力或应变时，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量 时，便可得到被测对象的应变值。,3.2.2 电阻应变片特性,一电阻应变片的种类 常用的应变片可分为两类：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成，如图所示:,图3-9 金属电阻应变片的结构图,敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，厚度一般在。其优点是散热条件好，允许通过的电流较大，便于批量生产，可制成各种所需的形状，如下图所示：,箔式应变片缺点是电阻分散性大。薄膜式应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1m以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大，允许电流密度大，工作范围广。,图3-10各种形状的箔式应变片图,二、应变片的主要特性1、灵敏系数当具有初始电阻值 的应变片粘贴于试件表面，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化。理论和实践表明，在一定应变范围内 与 的关系满足下式 为应变片的轴向应变；是应变片未经安装也不受外力的情况下，于室温测得的电阻值。,上式中的 就是应变片的灵敏系数，但应变片的灵敏系数不等于其敏感栅应变丝的灵敏系数，一般情况下，。其原因有两个：一是粘结层传递变形失真，另一个是栅端圆弧部分的横向效应。值通常需要在规定条件下通过实测来确定，称为标称灵敏度系数。上述规定的条件是：试件材料取泊松系数为0.286的钢材；试件单向受力，且受力方向与应变片轴向一致。,2.横向效应将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，但由于应变片敏感栅的电阻变化较小，因而其灵敏系数 较电阻丝的灵敏系 数 小，这种现象称为应变片的横向效应。,（a）应变片及轴向受力图（b）应变片的横向效应图,应变片轴向受力及横向效应,应变片轴向受力及横向效应,当将上图所示的应变片粘贴在被测试件上时，由于其敏感栅是由 条长度为 的直线段和 个半径为 的半圆组成，若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变 时，则各直线段的电阻将增加，但在半圆弧段则受到从 到 之间变化的应变圆弧段电阻的变化将小于沿轴向安放的同样长度电阻丝电阻的变化，所以 值减小。,当实际使用应变片的条件与其灵敏系数k的标定条件不同时，如0.285或受非单向应力状态，由于横向效应的影响，实际 值要改变，如仍按标称灵敏系数来进行计算可能造成较大误差。当不能满足测量精度要求时，应进行必要的修正。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。,3、机械滞后、零漂和蠕变机械滞后是指粘贴在试件上的应变计，在恒温条件下增(加载)、减(卸载)试件应变的过程中，对应同一机械应变所指示应变量(输出)之差值。,图3-11 应变计的机械滞后特性图,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，如图中 所示。,图应变计的蠕动和零漂特性,温度保持恒定，在承受某一恒定的机械应变时，应变片电阻值随时间变化而变化的特性称为应变片的蠕变，如上图中所示。蠕变的方向一般与原应变量变化的方向相反。蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性，通常要求。引起蠕变的主要原因是，制作应变计时内部产生的内应力和工作中出现的剪应力，使丝栅、基底，尤其是胶层之间产生的“滑移”所致。,应变片的温度误差及补偿,1.应变片的温度误差当测量现场环境温度变化时，由于敏感栅温度系数及栅丝与试件膨胀系数之差异性而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。下面对应变片温度误差产生的主要因素进行分析:,（1）电阻温度系数的影响敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：温度为t时的电阻值；温度为 时的电阻值；金属丝的电阻温度系数；温度变化值，。当温度变化t时，电阻丝电阻的变化值为：,（2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时，不论环境温度如何变化，电阻丝的变形仍和自由状态一样，不会产生附加变形。当试件和电阻丝线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻。,2电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。（1）线路补偿法 电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。,图3-12电桥补偿法的原理图,应当指出，若实现完全补偿，上述分析过程必须满足四个条件：在应变片工作过程中，保证。和 两个应变片应具有相同的电阻温度系数，线膨胀系数，应变灵敏度系数 和初始电阻值。粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。两应变片应处于同一温度场。,3.2.4 应变片式电阻传感器的测量电路,由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来，同时要把电阻相对变化 转换为电压或电流的变化。因此需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路，通常采用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、非线性和负载特性，下面具体讨论相关原理。,一、直流电桥1直流电桥平衡条件 E 为电源，为桥臂电阻，为负载电阻。输出电压为：,图3-14（a)直流电桥,图3-14 常用电桥电路（a）单臂；（b）双臂；(c)全桥；(d)交流电桥,当电桥平衡时：或 上式称为电桥平衡条件。这说明欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积相等。,2电压灵敏度设 为电阻应变片，为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。当产生应变时，若应变片电阻变化为，其它桥臂固定不变，电桥输出电压，则电桥不平衡输出电压为：,设桥臂比，由于，分母中 可忽略，并考虑到平衡条件，则上式可写为：电桥电压灵敏度定义为：,分析上式可知：电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制；电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。当 值确定后，n值取何值时使 最高？由 求 的最大值，得：,求得 时，为最大值。这就是说，在电桥电压确定后，当 时，电桥电压灵敏度最高，此时有：从上述可知，当电源电压 和电阻相对变化量 一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。,3非线性误差及其补偿方法由式 求出的输出电压因略去分母中的 项而得出的是理想值，实际值计算：与 的关系非线性，非线性误差为：,如果是四等臂电桥，即，则对于一般应变片来说，所受应变 通常在 以下，若取应变片灵敏系数，则 代入上式计算得非线性误差为0.5%；若，时，则得到非线性误差为6%，故当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。,为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥（a）半桥差动（b）全桥差动在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂，称为半桥差动电路。,图2-13 差动电桥,应变式传感器的应用,