第三章 电阻式newppt课件

1、第三章、电阻式传感器第三章、电阻式传感器1 1 工作原理工作原理2 2 金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性3 3 测量电路测量电路4 4 应变式传感器应用应变式传感器应用返 回 横截面为横截面为A的物体受到外力的物体受到外力F的作用并处于平衡状态时，的作用并处于平衡状态时，物体在单位面积上引起的内力称为应力物体在单位面积上引起的内力称为应力，即，即AF 应变是表征物体受外力作用时产生相对变形大小的无量纲物应变是表征物体受外力作用时产生相对变形大小的无量纲物理量。设物体原长为理量。设物体原长为l,受力后纵向产生受力后纵向产生l的形变，则应变的形变，则应变为：为：ll 纵向应变纵向应变、横向

2、应变、横向应变r，那么：，那么：rrr（为泊松比）为泊松比） 由胡克定律：当应力未超过某一极限值时，应力与应变由胡克定律：当应力未超过某一极限值时，应力与应变成正比，即：成正比，即：E（E为弹性模量）为弹性模量）上一页返 回下一页工作原理工作原理1.金属的电阻应变效应电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时 其电阻值将发生变化AlRF l、A 、 RAlRlnlnlnln上一页返 回下一页AAllRR此式可看出，电阻值的相对变化率取决于三个基本因素电阻的灵敏系数电阻的灵敏系数AAllRR对于半径为r，长度为l的圆导体，A=r2，A/A=2r/r又由材料力学可知，在弹性范围内， 上一页返

3、 回下一页Errll/,/,/)21 (ERR为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.30.5；为压阻系数，与材质有关；为应力值；E为材料的弹性模量； 金属电阻的灵敏系数金属电阻的灵敏系数k0k0/210RRk21/0k材料的几何尺寸变化引起材料的电阻率随应变引起压阻效应）金属材料：k0以前者为主，则k01+2=1.73.6半 导 体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定0kRR上一页返 回下一页应变片的基本结构与种类应变片的基本结构与种类 敏感栅 直径为0.025mm左右的合金电阻丝丝绕式 基 底 绝缘 覆盖层 维护位移、力、力矩、加速度、压力弹性

4、敏感元件 应变 外力作用被测对象表面产生微小机械变形应变片敏感栅随同变形电阻值发生相应变化 应变片上一页返 回下一页应变片的结构应变片的结构图3-2 金属电阻应变片的结构 引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅lb丝式丝式箔式箔式应变片的类型和材料应变片的类型和材料 金属丝式 金属箔式 金属薄膜式 回线式短接式 上一页返 回下一页金属丝式应变片金属丝式应变片上一页返 回下一页 金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线 金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略 0)21 (KRR应变片电阻的相对变化与应变片

5、纵向应变成正比，应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比， 并且对同一电阻材料，并且对同一电阻材料， K0=1+2是常数。是常数。其灵敏度系数多在其灵敏度系数多在1.73.6之间。之间。 上一页返 回下一页金属箔式应变片 在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状 箔式应变片 上一页返 回下一页箔式应变片的外形箔式应变片的外形优点优点 ：（1尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求， （2可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 （3与被测试件接触面积大，粘结性能好。 散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。（4横向效应可以忽略。（5蠕变

6、、机械滞后小，疲劳寿命长。 上一页返 回下一页 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0.1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产 问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系 金属薄膜应变片金属薄膜应变片 上一页返 回下一页 金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性 （一灵敏系数（二横向效应（三温度误差及其补偿上一页返 回下一页应变片的电阻值应变片的电阻值 R 应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值R 电阻系列：60、120、200、350、500、1000 可以加大应变

7、片承受电压， 电阻值大 输出信号大， 敏感栅尺寸也增大 上一页下一页返 回（一灵敏系数（一灵敏系数RRk/“标称灵敏系数”：一批产品中抽样5的产品来测定，产品受轴向单向力拉或压），测量得到k,取其平均值及允许公差值。电阻应变片的灵敏系数k 电阻丝的灵敏系数k0 粘结层传递变形失真还存在有横向效应 原因：上一页返 回下一页 （二横向效应（二横向效应敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段：沿轴向拉应变x，电阻圆弧段：沿轴向压应度y 电阻 K (箔式应变片)上一页下一页返 回yxy横向效应横向效应 应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，

8、其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。（三温度误差及其补偿（三温度误差及其补偿 上一页返 回下一页1、敏感栅电阻随温度的变化而变化将引起误差。当环境温度变化t 时，敏感栅材料电阻温度系数为，则引起的电阻变化为：2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长或压缩），引起的电阻变化为： 温度误差 tKRKRRsgtt)(0000tRRRRtt00相应的虚假应变输出为：tKtKRRsgtt)(/000有以上两部分可得由于温度变化而引起的总电阻变化为：tKRtRRRRsgttt)(

9、000温度补偿温度补偿 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻 单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 温度补偿 上一页返 回下一页 电桥补偿法电桥补偿法 U0R1R4R3URbFFR1RbU0R1RR4R3URbR上一页返 回下一页)(3410RRRRAUB电桥补偿法电桥补偿法 优点： 简单、方便，在常温下补偿效果较好， 缺点： 要求两应变片和两弹性元件的特性完全相同；在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。R1 +RRb -R 应变片的自补偿法应变片的自补偿法 粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应

10、变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。 a. 选择式自补偿应变片 b. 双金属敏感栅自补偿应变片 优点：容易加工，成本低，优点：容易加工，成本低，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。上一页返 回下一页由式由式(2.1.16)可知，实现温度补偿的条件为可知，实现温度补偿的条件为 当被测试件的线膨胀系数当被测试件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料，已知时，通过选择敏感栅材料， 使下式成立使下式成立 (2.1.21) 即可达到温度自补偿的目的。即可达到温度自补偿的目的。0)(0tKtsgt)(0s

11、gKR1R2组合自补偿法敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成 选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足 t2t1)()(RR通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达0.45m/的高精度 上一页返 回下一页)()(/111222112221ggttKKRRRRRR热敏电阻补偿热敏电阻补偿 T KRtUiR1RR4R3U0R2RtR5 分流电阻分流电阻 UURt U = (Ui URt)K上一页返 回下一页T其它参数 应变极限 机械滞后 最大工作电流 零漂和蠕变第三节第三节 电阻应变片的测量电路及接口电阻应变片的测量电路及接口上一页

12、返 回下一页1 1 直流电桥直流电桥2 2 非线性误差及其补偿非线性误差及其补偿 1. 直流电桥直流电桥 直流电桥的工作原理 )()()(-214343214321L3241LRRRRRRRRRRRRRRRRRUIIL=0时电桥平衡平衡条件 :R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 R1+R1R2R4R3UILRL上一页返 回下一页2不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度 当电桥后面接放大器时, 电桥输出端看成开路.电桥的输出式为： URRRRRRRRU)(432132410应变片工作时，其电阻变化应变片工作时，其电阻变化Ri 上一页返 回下一页)()()(443

13、32211332244110RRRRRRRRRRRRRRRRUU采用等臂电桥，即采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R 。此时式。此时式(2.1.24)可写为可写为)2)(2()(4321324143210RRRRRRRRRRRRRRRUU当当Ri R ( i=1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，那么时，略去上式中的高阶微量，那么 RRRRRRRRUU432104432104UKU上一页返 回下一页2.1.17上式表明： Ri R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为

14、两者之和。 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。 电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。上一页返 回下一页 2. 电压灵敏度 应变片工作时：电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。当受应变时：若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡，输出电压为 3412111134432114

15(RRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRREUo 设桥臂比n=R2/R1，由于R1R1，分母中R1/R1可忽略， 并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3， 则上式可写为 ERRnnUo112)1 (电桥电压灵敏度定义为 EnnRRUKoU211)1 ( 分析： 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，所以要作适当选择； 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E值确定后，n取何值时才能使KU最高？分析：思路：dKU/dn = 0

16、求KU的最大值 2410(1)UdKndnn求得n=1时，KU为最大值。即在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有 4411EKRREUUo结论：当电源电压E和电阻相对变化量R1/R1一定时， 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。 采用等臂电桥，即采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R 。此时式。此时式(2.1.24)可写为可写为)2)(2()(4321324143210RRRRRRRRRRRRRRRUU当当Ri R ( i=1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，那么时，略去上式中的高阶微量，那么 RRRRRRRRUU43

17、2104432104UKU上一页返 回下一页2.1.17如果Ri R不成立，则利用2.1.17式将产生非线性误差。 考虑采用单臂电桥时，R1桥臂变化R，假设R1/R11，则可略去分母中的R1/R1项 ,得理想的线性关系为：而实际输出电压为：而实际输出电压为： 上一页返 回下一页RRUU4010211424RRRRURRRUU电桥的相对非线性误差为电桥的相对非线性误差为 KRRRRRRUU21211211121111002.2.非线性误差及其补偿非线性误差及其补偿（1采用半桥差动电桥 R1R2F4332211110RRRRRRRRRUUU0R1R1R4R3UR2R2上一页返 回下一页RRUU20

18、R1R2R3R4=R，R1R2=R 严格的线性关系电桥灵敏度比单臂时提高一倍温度补偿作用上一页返 回下一页输出电压为：RRUU0U0R1R1UR2R2R4R4R3R3上一页返 回下一页全桥差动电路全桥差动电路图3-10 差动电桥 R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b)R3 R3R4 R4减小和消除非线性误差的方法半桥差动：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。 该电桥输出电压为 433221111RRRRRRRRREUo若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得 112 RREUo可知：Uo与R1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。全桥差动：电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，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=R4，那么 EKRREUUo11 结论：全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍。 3.3.2 交流电桥交流电桥 引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此