电阻式传感器是一种将非电量参数(如压力.ppt

2019/11/29,第四章非电量的电测技术,1,电阻式传感器是一种将非电量参数(如压力、拉力、权力、位移等)的变化转变为电阻值变化的传感器。电阻式传感器按工作原理可分为电位器式电阻传感器、应变式电阻传感器、热敏电阻传感器和气敏电阻传感器。应变式电阻传感器是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。引起机械构件应变的可以是压力、荷重、扭力等。,4.1电阻式传感器,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,2,1、概念导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化应变效应。电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。,一、应变片的工作原理,设有一金属圆导线，受拉时，l变长、r变小，导致电阻值R变大,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,3,2、电阻的应变灵敏系数,当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。,当有变化量、l、A时，其相对变化率为：,对于直径为D的圆柱形截面电阻丝，因为A=D2/4；故：,引进力学中的泊松比：,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,4,=dl/l电阻丝长度得相对变化量，纵向应变量r=dD/D横向应变材料得泊松系数，不同金属的不同，0.30.5之间，纵向应变和横向应变之间的比例系数；得到下式：,定义灵敏系数：,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,5,（1+2）是由几何尺寸改变引起，金属导体以此为主表示是由材料的电阻率随应变所引起的变化，半导体材料以此为主。,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,6,二、电阻应变片的结构1、金属应变片金属丝式、箔式、薄膜式,金属丝式：使用最早，将金属丝按图示形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成，基底可分为纸基，胶基和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线，使用时只要将应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器。结构简单（下页图）价格低强度高允许通过的电流较小测量精度较低，适用于测量要求不很高的场合使用。,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,7,箔式应变片,电阻敏感元件不是金属丝而是用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，箔栅厚一般在0.0030.01mm之间，箔材表面积大，散热条件好。允许通过较大的电流灵敏度系数较高可根据需要制成任意形状，适合批量生产,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,8,2、半导体应变片,半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称为半导体的压阻效应。,a）体型半导体应变片：将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片。,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,9,b)薄膜型半导体应变片:利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成。c)扩散型半导体应变片:将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了。一种应用很广的半导体应变片。,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,10,半导体应变片特点：基于半导体的“压阻效应”体积小、灵敏度高，可测微小应变、机械滞后小微应变（1），=0.000001时，工程中常表示为1106or1m/m，在应变测量中常称为一个微应变。温度稳定性差、非线性严重,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,11,三、电阻应变传感器测量电路,1、电桥测量电路的分析四个桥臂由电阻R1R4组成，AC端接直流电压U，BD端输出电压U0。若电桥负载RL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：,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。,当电桥平衡时,U0=0,则有,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,12,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。,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、对称桥、非对称桥和全等电桥。,RL,RiRi,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,13,（1）单臂电桥,R1R4中只有一个电阻为应变片，例如R1。R1=R,R2=R3=R4=0,初始R1=R2=R3=R4,提高KU的方法：提高电桥电压U(受到应变片允许功耗的限制)；选择K(灵敏度系数)高的应变片。,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,14,（2）对称电桥（半桥）,R1=R2；R3=R4电源左右两边对称两臂接入应变片，R1纵向应变，R2横向应变r；R3、R4固定电阻,应变片R1、R2均是纵向应变；R3、R4固定电阻,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,15,（3）非对称电桥应变R1=R4、固定R2=R3；且R2/R1=R3/R4=a,对称电桥是非对称电桥的特例,比较对称电桥的电压灵敏度：公式（4-28）,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,16,（4）全等电桥（全桥、差动全桥）R1=R2=R3=R4（均为应变片）R1、R3：纵应变；R2、R4：r横应变,全桥时的电压灵敏度最高，为最常用一种桥路。,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,17,电阻应变器测量电桥的结论,产生相同应变的应变片，不能接在相邻桥臂。例：全桥，R1、R2；R3、R4r。,考虑：R1、R4；R3、R2r又如何？,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,18,R1R4桥臂中串接产生相同的应变片R1R4，可提高电桥电压灵敏度。,R1、R3、R1、R3：R2、R4、R2、R4：r,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,19,其他结论,温度补偿半桥、全桥温度自补偿非线性补偿RL为有限值的输出电压（戴维南定理）电桥电源采用直流电源，其优点是电源稳定度高，连接导线要求低，电桥平衡电路简单。缺点是直流放大器复杂，有零漂，且易引入外界的工频干扰。应变电桥现在多采用交流电桥。,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,20,例4-2额定载荷为4t得圆柱形电阻应变传感器，展开图如图。未受载荷时四片应变片阻值均是120，允许功耗208.35mW，传感器电压灵敏度kU0.008V/V，应变片灵敏度系数k2。,画出桥路接线电路求桥路供桥电压载荷4t和2t时，桥路输出电压分别是多少？载荷2t时，R1R4的阻值分别为多少？解：1）,R1R3相同应变，R2R4相同应变相同应变不能接在相邻桥臂,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,21,2）供桥电压U，每一应变片承受U/2。,3）载荷4t时输出电压,4）F为拉力，R1R3产生纵应变，R2R4产生横应变r,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,22,（四）电阻应变传感器的应用,应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,23,（一）测力传感器,测量荷重、拉压力的弹性元件常作成柱形、筒形、环形及梁形等。1、柱式弹性元件,基本原理：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。,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,24,我国BLR1型电阻应变式拉压力传感器、BHR型荷重传感器都采用这种结构。其量程在0.1100吨之间。在火箭发动机试验时，台架承受的载荷多用实心结构的传感器，其额定载荷可达数千吨。,火箭发动机,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,25,2、悬臂梁式弹性元件,它适于测量500Kg以下的载荷，最小为测几十克重的力，这种传感器具有结构简单、加工容易、应变片易粘贴、灵敏度高等特点。,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,26,应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。它的特点是灵敏度比较高。所以多用于较小力的测量。例如，民用电子称中就多采用悬臂梁。当力F（例如苹果的重力）以如图所示的垂直方向作用于电子秤中的铝质悬臂梁的末端时，梁的上表面产生拉应变，下表面产生压应变，上下表面的应变大小相等符号相反。粘贴在上下表面的应变片也随之拉伸和缩短。得到正负相间的电阻值的变化，接入桥路后，就能产生输出电压。,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,27,梁式弹性元件位移传感器,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,28,3、荷重传感器原理演示,荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,2019/11/29,第四章非电量的电测技术,29,（二）扭矩传感器,090