第2章 电阻式传感器-1.ppt

第二章电阻式传感器,本章要点:1.应变效应和应变片的主要特性2.电桥转换电路和温度补偿原理3.主要弹性元件和传感器的应用,电阻式传感器基本工作原理,电阻式传感器基本工作原理是将被测物理量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经转换电路变成电量输出。包括应变式、压阻式、电位器式等。,M,F,pR/Rux,a,第一节应变式传感器,应变式传感器是利用金属的电阻应变效应将被测量转换为电量输出的一种传感器。,应变式传感器组成框图,一、工作原理（一）金属丝的电阻应变效应,设有一根长为L，截面积为S，电阻率为的金属丝，在未受到外力F的作用时，电阻值为,当受到拉力作用F后，电阻的变化量为全微分，,令=dL/L(纵向应变1=1106mm/mm)，并用增量形式表示,两边同除以R和L/S，相对变化为,又因为,根据材料力学知识,代入上式得,-金属电阻丝的灵敏度系数,电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这种现象叫电阻的应变效应。由上式可知，电阻丝的灵敏系数取决于两个因素的影响：1)几何尺寸的变化（形变）引起，2)由电阻率随应变引起的变化（叫压阻效应）。对金属丝k0=1+2（约为1.73.6)。大量实验证明：在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即k0为常数。,（二）应变片的基本结构及测量原理,电阻应变片由基底、敏感栅、盖片（有时加上引出线）组成。用粘贴剂将其粘贴在一起，构成完整的应变片。,传感器的测量原理：将应变片粘贴在被测对象上，当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随之变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路为电压或电流的变化，来测量应变。,二、应变片的类型、材料及粘贴,(二)应变片的粘贴粘贴在应变变化均匀且较大的地方。,（一）应变片的类型和材料,三、金属应变片的主要特性（贴在试件上后讨论）,（一）灵敏系数当制成应变片后，其应变电阻特性与金属丝就不同了，但在很大范围内是线性的，,原因：1）粘贴层传递变形失真,2）横向效应。,实验表明，电阻应变片的灵敏系数k恒小于电阻丝的灵敏系数k0。,且kk0。,各种应变片(花),（二）横向效应在测量纵向应变时，应变片敏感栅的横向部分要产生一负的电阻变化，从而降低应变片的灵敏度，这种现象称为应变片的横向效应。,（三）机械滞后应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。原因：残余应变；在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。,（四）零漂和蠕变T=c,=0时,R/R=f(t)T=c,=c时,R/R=f(t)（五）应变极限和疲劳寿命（六）最大工作电流(静:25mA动:75100mA)绝缘电阻(50100M),-平均应变,-l/2处真实应变,-应变波长l-应变片基长x0=(x1+x2)/2,（七）应变片的电阻值R（120、350、1000）应变片的规格一般以使用面积和电阻值表示，如320mm2，120。（八）动态响应特性,例如：如果应变片的基长为l=/2，则P0.640，而应变片中的应变x0=0，由此产生的误差为36%。,下表为不同基长时最高工作频率：,如果应变片的基长为，从图中可以看出平均应变值为0。,一般要求l=(1/201/10)。,四、转换电路,应变效应R/R=k其中k2，（应变片的灵敏系数）一般取103000（弹性元件的应变）。若R=120,=1000,R/R=21000106=0.002,则R=0.002120=0.24一般电桥分为直流电桥交流电桥,电桥电路,（一）直流电桥,电路是由4个电阻组成的四边形电路，一般来说输出端接在阻抗较高的放大器或仪表上，所以输出端相当于开路，没有电流，根据分压定律,在ADC支路上，,在ABC支路上，,实际测量时，为保证测量的准确性，在实测前应使电桥平衡，使输出电压的变化只与应变片感受应变所引起的电阻变化有关。,电桥平衡：在R=0时，输出电压U0=0的状态。,电桥平衡条件：R1R4=R2R3,上式是合理布桥的依据，在不同受力条件下，提高电桥的灵敏度，解决温度补偿等问题都要根据上式来分析和计算。上式的特点是：相邻相减，相对相加。运用上式时，注意各部分量值的极性（即正、负号要清楚）。,一般为等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R，而且RiR(i=1,2,3,4)，高阶微量的影响较小，可略去，同时利用平衡条件，有,a.单臂工作：,即只有一个桥臂为工作臂（如R1有R1的变化），其它为标准电阻（不是应变片）。,则,b.相邻两臂工作：,R1，R2为工作片，R3，R4为标准电阻，,此时没有意义，应避免。,可见灵敏度比单臂工作时提高了一倍。,例1.利用半桥进行温度补偿,将R1，R2放在相同的温度场中，R1感受应变的变化。对于R1有,对于R2有,温度影响通过电桥相互抵消，U0只反映应变的变化。,例2.半桥进行补偿（另一种方法）,既实现了温补，又实现了提高灵敏度的作用。,c.相对两臂工作：,R1，R4工作片，R2，R3为标准电阻，,不能实现温补,但灵敏度提高了一倍。,要提高灵敏度，应使相邻两臂的变化相反，相对两臂的变化相同。当时，,d.全桥工作：,即四个臂均为工作臂，分别有R1，R2，R3，R4的变化，此时,有,例3.全桥测纯弯曲（上拉下压）,解,既提高了灵敏度，又实现了温度补偿。,f.最一般的情况,因为分母中R1-R20，R3-R40，所以存在非线性。温补看具体情况。,虽然也称全桥，但,则,再举几例1.纯弯曲悬臂梁测力。,当F力有偏斜时，即有一分力，造成12，相邻两臂联接可消除拉伸变形的影响。从而只测量出纯弯曲的变形，同时输出电压增加一倍，可温补。这样布桥具有一定的抗偏载能力。,2.杆受拉伸变形,当作用力F不是绝对在轴线方向，有时若有弯曲变形的影响也可以消除。,R2,R1，R2（相对桥臂）接入电路。,若误将接入电路，电桥将无电压输出。,R1，R2（相邻两臂）,（二）电桥的非线性误差（R1=R2=R3=R4=R，但Ri并不完全相等）1.单臂电桥,按幂级数展开后，再略去高阶量,则L=R/2R当k=2,=1000时,R/R=k=2100010-6=0.002,L=0.002/2=0.1%。当要求测量精度较高时，或电阻相对变化R/R较大时，不能忽略。,2.双臂电桥及全桥,一片受拉,一片受压,接入相邻两臂,跨接在电源的二端。,此时没有非线性。其它形式有非线性。全桥视情况而定。,当时，,*电桥灵敏度ku：,桥臂比