第2章 电阻应变传感器

1,传感器原理与应用,第二章电阻应变传感器,2,电阻应变传感器属于电阻式传感器电阻式传感器的分类,3,4,电位计式传感器,将机械的线位移或角位移的变化,一定函数关系,变阻器式,变压器式,电阻或电压的变化,5,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,6,线绕电位计的结构,7,线绕电位计的工作原理,导线电阻：,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SR是常数,变阻器式：如果长度为L的电阻丝绕制的电阻器，滑动触点移动到某一点（某一角度），对应的电阻丝长度为x，对应的电阻,截面积S，电阻率为常数,位移量与电阻呈线性关系，通过检测电阻就可检测出位移量。电阻可以放方便的用电路进行测量。,8,分压器式：如图所示，总的电阻丝长度为L，针对位移量x（对应的电阻丝长度为x）对应的位置C，其输出电压,可以将位移量转换为电压信号,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SV是常数,9,线绕电位计的输出特性,1.阶梯特性和阶梯误差（1）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。（2）阶梯误差理论特性曲线通过每个阶梯中点的曲线。阶梯误差阶梯形曲线围绕理论特性曲线上下波动产生的偏差。,10,2.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：,11,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。,12,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eLmax，,我们主要讨论电阻应变传感器,13,电阻应变式传感器,电阻应变传感器是利用电阻应变片将被测非电量转换为电阻变化的传感器。电阻应变传感器主要特点：（1）结构简单，使用方便，性能稳定，可靠；（2）灵敏度高，频率响应特性好，适合于静态、动态测量；（3）环境适应性好，应用领域广泛。,14,第一节、电阻应变片,电阻应变传感器由弹性元件、电阻应变片和相应的测量电路组成。,工作原理：弹性元件感受被测量的变化，并将被测量的变化转换为弹性元件表面应变；电阻应变片粘贴在弹性敏感元件上，将弹性元件的表面应变转换为应变片电阻值变化；测量电路将应变片电阻值的变化转换为便于输出测量的电信号，从而实现非电量的电测量。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,15,一、金属电阻应变片,金属导体在发生机械变形时，由于长度、或截面积变化，其阻值会发生变化。,金属导体的电阻,截面积S，mm2电阻率,mm2/m导线长度l，m对于确定的金属，电阻率为常数由于弹性元件的应变，会导致S、l的变化。,16,17,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,18,定义金属丝应变灵敏系数为,可以导出,：决定于导体机械尺寸发生的变化,：决定于导体导电性能发生的变化,19,2.结构,20,3.特性,（1）横向效应（2）机械滞后（3）蠕变（4）温漂,21,4.金属箔应变片,22,5.金属薄膜应变片,23,电桥输出,电桥平衡条件为：R1R3=R2R4,电桥投入使用前，应该调平衡,24,一、单臂桥,25,选择R1=R2=R2=R4输出电压,灵敏度,其中,满足RR时，2R+R2R,单臂桥具有一定的非线性,26,二、半桥,27,选择R1=R2=R2=R4R1=R，R2=-R1，输出电压,灵敏度,其中,灵敏度得到提高，非线性得到改善,28,三、全桥,29,选择R1=R2=R2=R4R1=R3=R，R2=R4=-R1，输出电压,灵敏度,其中,灵敏度得到提高,30,四、应变测量电桥性能的提高,灵敏度的提高使用半桥、权桥灵敏度比单臂桥要高增加Ui可以提高灵敏度，但Ui不能无限增加。,31,2.非线性误差及其补偿,具有一定的非线性。按照二次项定理展开,单臂桥输出电压,线性误差为：,32,由于K1，故可认为单臂桥的非线性误差,为了改善非线性误差，对于单臂桥，常采用两种方法,33,（1）恒流源电桥,将恒压源Ui改用恒流源I,34,在电路中学过，并联电路电流分配,A,C两点的点位,35,非线性误差变为,改善非线性误差,36,（2）有源单臂电桥,37,该电路非线性误差得到改善（消除）灵敏度也提高了一倍。,38,3.电桥的温度补偿,金属电阻应变片、半导体电阻应变片对温度都敏感。为减少（消除）温度带来的测量误差，通常需要进行温度补偿。（1）桥路补偿使用相同或相近材料制造的应变片，温度变化引起的R变化相同，故采用差动电桥输出可实现温度自动补偿。半桥、全桥均可。当使用单臂桥时，应该在一个桥臂接入一个补偿电阻，该电阻的温度系数与应变片的温度系数相同。利用同型号的应变片,39,R2为补偿电阻,40,（2）应变片自补偿,采用具有温度补偿功能的应变片。为了提高应变片的温度稳定性，有一些应变片在制造时，已在内部增加了温度补偿功能。,41,（3）外补偿,利用外接电阻进行补偿。如教材P.35图2-12,Rt为热敏电阻，温度上升输出电压下降Rt减小,维持U0,42,（4）软件补偿,在计算机测量仪器中，通常采用硬件软件相结合的方法进行补偿执行程序测量温度执行程序查表或者计算应该补偿的量执行程序对应变测量信号进行补偿。,43,4.电桥的零位调整,（1）电阻串联法,44,（2）并联调零,45,（3）软件调零,世界使用恒流源,由于R为常数，可以再计算机中由软件减去。,46,5.信号调理电路,由于R较小，应变电阻测量桥的输出信号有可能太小。可以使用运算方法七进行放大,应该注意放大电路的共模信号抑制能力。尤其是长线传输时,47,使用仪用放大器，由于放大器本身的共模抑制比高，再加上输入端完全对称，可有效地抑制共模干扰。,一个使用差动输入仪表放大器的放大电路,48,第四节应变片的粘贴,应变电阻型传感器中有一些已由制造厂将应变片粘贴在弹性元件上，例如：,压力传感器,电子称用测力传感器,49,电阻应变式力传感器,50,这些传感器可以直接使用,S型拉压力传感器,悬臂梁传感器,微型称重传感器,扭矩传感器,51,对于应变片,52,应变片在使用时通常是用粘接剂粘贴在在弹牲体上的，粘贴技术对传感器的质量起着重要的作用。应变片的粘接剂必须适合应变片基底材料和被测材料，另外还要根据应变片的工作条件、工作温度和湿度、有无腐蚀、加温加压固