电阻传感器河南理工大学

1,第五章电阻传感器,本章学习电阻式传感器的原理及应用，包括：电位器式、电阻应变片式电阻传感器的基本结构和原理，测量电路，以及应用举例。,2,第一节电位器式传感器,电位器是一种常用的机电元件，可以把机械位移转换成与之成一定函数关系的电阻或电压输出。,电位器式传感器的优点:(1)结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；(2)受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；(3)可以实现输出输入间任意函数关系。,3,电位式传感器可以测量位移、压力、加速度、容量、高度等多种物理量。,根据电位器的输出特性，电位器可分为线性电位器和非线性电位器。,4,一、线性电位器线性电位器由绕于骨架上的电阻丝线圈和沿电位器滑动的滑臂，以及安装在滑臂上的电刷组成。线性线绕电位器骨架的截面处处相等，由材料和截面均匀的电阻丝等节距绕制而成。根据骨架形状的不同，线绕电位器可分为：直线位移式和角位移式两种。,5,1.直线位移式电位传感器,输出：,6,2.角位移式电位传感器,输出：,7,灵敏度的定义,位移：dx，则导线匝数：,均匀结构电位器,导线长度：,对应电阻：dR(x)=,灵敏度：,3.灵敏度分析,8,4.分辨率：,绕线式电位器的分辨率是指电位器所能反映的输入量的最小变化量与全量程输入量的比值。,对理想阶梯特性的线绕电位器，在电刷行程内，电位器的单匝输出电压与全量程电压之比的百分数，称为电位器的电压分辨率，其公式为,n-为匝数,9,5.阶梯特性和阶梯误差：,从理论上讲，电位器的特性曲线是位移x的连续函数。对线绕电位器而言，电刷的直线位移x的变化是连续的，但电阻变化是不连续的，或输出电压Uo的变化是一个阶梯形的曲线,这种跳跃式的变化是由于导线长度被分割成有限匝数造成的，电刷每移过一匝线圈，输出电压Uo便产生一次阶跃变化，即电刷每移动一个节距，输出电阻或输出电压都有一个微小的跳跃-阶梯误差。,10,二、非线性电位器,非线性电位器的几种形式,位移x与输出电压R、U0之间的非线性关系,（1）变骨架方式,11,位移x与输出电压R、U0之间的非线性关系,（2）变绕线节距方式,12,三、电位器的负载特性及负载误差,1.负载特性,前面讨论的电位器特性相当于负载开路,电阻为无穷大时的情况。而一般情况下，电位器接有负载，所以负载特性曲线与理想空载特性有一定差异。负载特性偏离理想空载特性的偏差称为电位器的负载误差。,13,电阻相对变化系数：r=Rx/RRx-位移电阻；R-电位器总电阻。,负载系数：KL=RL/RRL-负载电阻。,14,负载特性：输出与电阻的相对变化之间的关系。即Y=f(r),有图可知：负载特性与负载系数KL有关，KL越小，非线性越严重；反之，KL越大，越接近线性关系。,15,2.负载误差,负载误差：由负载系数的大小所引起的误差。,结论：（1）在负载系数一定的情况下，负载误差随电阻相对变化而变化；（2）在电阻相对变化一定情况下，负载误差随负载系数的不同而变化，负载系数越小，误差越大；反之负载系数越大，误差越小。,16,四、电位器的结构,（）电阻丝：电阻率高，电阻温度系数小，耐磨损，耐腐蚀，强度高和延展性好，便与焊接等。,（）电刷：连接电位器与接线端的活动部件。电刷触头、电刷臂及轴承装置等构成。,17,五、非线性电位器,非线性电位器是指在空载时其输出电压（或电阻）与电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器，也称函数电位器。它可以实现指数函数、对数函数、三角函数及其他任意函数。常用的非线性线绕电位器有变骨架式、变节距式、分路电阻式等几种。,18,变骨架高度式非线性电位器,对称变骨架高度式非线性电位器,19,六、非线绕式电位器,合成膜电位器是用具有一定电阻值的悬浮液喷涂在绝缘骨架上而制成的。,合成膜电位器,20,金属膜电位器是在绝缘基体上用真空蒸发的方法或电镀的方法涂覆层金属膜而制成的。,金属膜电位器,21,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（碳黑、超细金属粉等）的粉料经塑压而成。,导电塑料电位器,22,无接触式电位器，以光束代替常规的电刷,光电电位器,1.光导电层；2.氧化铝基体；3.金属膜电阻带；4.窄光束；5.集电极。,23,七、电位器式传感器应用,压力测量p压力管变输出电阻,位移测量物体位移齿条带动电刷输出电阻,24,第二节电阻应变式传感器,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，这种现象称为应变效应。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。,25,一、应变片的工作原理,金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。,26,应变效应,导体产生机械形变时它的电阻值发生变化。这种现象称为应变效应。金属电阻应变片的基本原理基于电阻应变效应。例：一根长L,截面积为S,电阻率为的金属丝电阻为:,当电阻丝受到轴向拉力F作用时，金属丝几何尺寸变化引起电阻的相对变化,电阻值R的相对变化为:,27,二、应变片的工作原理,设有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率为的金属单丝，它的电阻值R可表示为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。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大。,28,实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量RR与材料力学中的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的，即,K电阻应变片的灵敏度x-微应变。,29,二、应变片的种类与结构,应变片分类：（1）金属应变片；（2）半导体应变片。金属应变片又分为：（1）金属丝式；（2）箔式。目前箔式应变片应用较多；金属丝式应变片使用最早。金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。,30,箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片的接触面积大，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。,31,箔式应变片优点:（1）可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅，其栅长最小可做到0.2mm，以适应不同的测量要求；（2）横向效应小；（3）散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；（4）蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长；（5）生产效率高，便于实现自动化生产。金属箔的材料常用康铜和镍铬合金等。,32,箔式应变片的外形,33,金属应变传感器的结构,34,半导体应变传感器外形,半导体应变传感器外形及结构,半导体应变传感器的结构,35,三、测量转换电路,金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。例如:有一金属箔式应变片，标称阻值R0为100，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2N，受拉后应变片的阻值R的变化量仅为210-5，所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。常用的电阻应变片的测量电路是电桥电路。,36,1.电桥的种类,（1）根据电源的不同可分为直流电桥和交流电桥。（2）根据结构可分为：,单臂桥,半桥,全桥,37,2.直流单臂桥,直流电桥平衡条件,当RL时，电桥输出电压为,当电桥平衡时，Uo=0，则有,R1R4=R2R3,或,直流单臂桥,38,电压灵敏度当受应变时：若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，则电桥不平衡，电桥输出电压Uo0，输出电压为,39,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,电压灵敏度:,40,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？,41,分析：思路：dKU/dn=0求KU的最大值,求得n=1时，KU为最大值。即在电桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有,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。,42,3.直流半桥,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，即构成差动半桥。在应力的作用下，R1产生的变化量R1、R2产生变化量R2，则差动电桥有电压输出。,43,电桥输出电压为,若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得,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。,44,4.直流全桥,在试件上安装四个工作应变片，两个受拉应变，另两个受压应变，接入电桥相邻桥臂，即构成差动全桥。在应力的作用下，四个臂应变片的电阻发生变化，产生相应的变化量，则差动电桥有电压输出。,45,直流全桥的输出电压为,若R1=R2=R3=R4;R1=R2=R3=R4，则得,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臂桥的4倍。,46,5.交流电桥引入原因：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，因此应变电桥多采用交流电桥。,交流电桥,47,交流电桥输出：,电桥平衡条件：Uo=0，即,Z1Z4=Z2Z3,交流电桥的平衡条件（实部、虚部分别相等）,48,设交流电桥的初始状态是平衡的，即满足Z1Z4=Z2Z3,当Z1=Z2，Z3=Z4，则,当工作应变片R1产生变化量R1，则引起阻抗Z1变化Z1，电压输出为,49,四、应变片的温度误差及补偿1、应变片的温度误差由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。1)电阻温度系数的影响2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响,Rt=R0(1+0t),50,2、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和应变片自补偿两大类。1)线路补偿法电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。,51,电桥补偿法,当温度升高，R1、RB均变化，结果相互抵消，输出不变。,52,2)应变片的自补偿法利用自身具有温度补偿作用的应变片来补偿的。要实现温度自补偿，必须有,g-被测试件的线膨胀系数；s-应变片的线膨胀系数；如果合理选择敏感栅材料，满足上式，则不论温度如何变化，均有Rt/R0=0，从而达到温度自补偿的目的。,53,五、应变传感器的应用,应变传感器的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。将电阻应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就可测量各种参数。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电桥电路。,54,应力传感器,F,F,F,F,55,应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置,F,应变式荷重传感器外形及受力位置,F,F,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。,59,汽车衡,60,汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）,汽车衡称重系统,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,人体秤,吊钩秤,便携式,应变式数显扭矩扳手,可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2500N.m，耗电量10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。,66,小型压阻式固态压力传感器,高压进气口,低压进气口,绝对压力传感器,67,小型压阻式固态压力传感器（续）,呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器,p1进气管,p2进气管,固态压力传感器,68,投入式液位计,压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力。,69,投入式液位计外形（续）,压阻式固态压力传感器,光柱显示器,引线,70,投入式液位传感器投入式液位传感器安装方便，适应于深度为几米至几十米，且混有大量污物、杂质的水或其他液体的液位测量。,71,电阻应变仪,主要指标：静态应变仪测量范围：19999；分辨率：1；电桥电压：直流2.5V；测量点数：8/16点。,接线端子,72,数字血压计,目前，国内医疗部门大都使用汞柱式血压汁，它的测量误差大，反应速度慢,血压指血管内的血液对于单位面积血管壁的压力。,73,数字血压计的特点：（1）体积小；（2）使用方便;(3)测量速度快；（4）精度高；（5）分辨率高，达到0.1kPa。（6）价格便宜。,74,IC1-为传感器提供稳定电压；2S5M-压力传感器IC2、IC3、IC4-仪表放大器；RP1-调节输出电压；MC14433-高精度A/D转换器,数字血压计电路图,75,MC14433管脚图,VAG(1脚)：模拟地。VREF(2脚)：基准电压输入端。VX（3脚)：被测电压输入端。R1、R1/C1和C1（46脚）：外接积分电阻、电容元件；C01和C02（7和8脚）：外接失调补偿电容。通常取0.1F。DU(9脚)：定时输出控制端。CLKI和CLKO(10和11脚)：时钟信号输入、输出端。通常外接一个300K左右的电阻；EOC(14脚)：一次转换结束标志输出。,76,MC14433管脚图,OR(15脚)：过量程标志。DS4DS1(1619脚)：个、十、百、千位选通特征位输出信号。当DS11时，输出为千位数；DS2时，输出为百位