课件检测技术2

1、第第2 2章章 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，其基本原电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，其基本原 理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再 经相应的测量电路而最后显示被测量值的变化。经相应的测量电路而最后显示被测量值的变化。 电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测 压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等 测试系统。目前已成为生产过程检测以及实现生产测试系统。目前已成为生产过程检测以及实现生产 自动化不可缺少的手段之一。自动

2、化不可缺少的手段之一。 下页下页返回返回 第第2 2章章 电阻式传感器电阻式传感器 2.1电位器式传感器电位器式传感器 2.2应变片式传感器应变片式传感器 本章要点本章要点 下页下页上页上页返回返回 2.1 电位器式传感器电位器式传感器 | 电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各种电器和电电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各种电器和电 子设备中。它主要是一种把机械的线位移或角位移输入量子设备中。它主要是一种把机械的线位移或角位移输入量 转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件 来使用。它们主要用于测量压力、高度、加速度、航面角来

3、使用。它们主要用于测量压力、高度、加速度、航面角 等各种参数。等各种参数。 | 电位器式传感器具有一系列优点，如结构简单、尺寸小、电位器式传感器具有一系列优点，如结构简单、尺寸小、 重量轻、精度高、输出信号大、性能稳定并容易实现任意重量轻、精度高、输出信号大、性能稳定并容易实现任意 函数。其缺点是要求输入能量大，电刷与电阻元件之间容函数。其缺点是要求输入能量大，电刷与电阻元件之间容 易磨损。易磨损。 | 电位器的种类很多，按其结构形式不同，可分为线绕式、电位器的种类很多，按其结构形式不同，可分为线绕式、 薄膜式、光电式等；按特性不同，可分为线性电位器和非薄膜式、光电式等；按特性不同，可分为线性

4、电位器和非 线性电位器。目前常用的以单圈线绕电位器居多。线性电位器。目前常用的以单圈线绕电位器居多。 下页下页上页上页返回返回 2.1.1 线性电位器线性电位器 线性电位器的空载特性线性电位器的空载特性 图图2-1电位器式位移传感器原理图电位器式位移传感器原理图 图图2-2电位器式角度传感器电位器式角度传感器 图图2-3线性线绕电位器示意图线性线绕电位器示意图 阶梯特性、阶梯误差和分辨率阶梯特性、阶梯误差和分辨率 图图2-4局部剖面和阶梯特性图局部剖面和阶梯特性图 图图2-5理想阶梯特性曲线理想阶梯特性曲线 下页下页上页上页返回返回 2.1.2 2.1.2 非线性电位器非线性电位器 非线性电位

5、器是指在空载时其输出电压非线性电位器是指在空载时其输出电压(或电阻或电阻)与与 电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器，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。常用的非线性线绕电位器有变骨也称函数电位器。常用的非线性线绕电位器有变骨 架式、变节距式、分路电阻式及电位给定式四种。架式、变节距式、分路电阻式及电位给定式四种。 图图2-6变骨架电位器变骨架电位器 下页下页上页上页返回返回 2.1.3 负载特性与负载误差负载特性与负载误差 图图2-7 带负载的电位器电路带负载的电位器电路 图图2-8 电位器的负载特性曲线族电位器的负载特性曲线族 图图2-9 电位器负载误差曲线

6、电位器负载误差曲线 图图2-10 非线性电位器的空载特性与线性电位器非线性电位器的空载特性与线性电位器 的负载特性的镜象关系的负载特性的镜象关系 下页下页上页上页返回返回 2.1.4 电位器的结构与材料电位器的结构与材料 由于测量领域的不同，电位器结构及材料选择有所不由于测量领域的不同，电位器结构及材料选择有所不 同。但是其基本结构是相近的。电位器通常都是由骨同。但是其基本结构是相近的。电位器通常都是由骨 架、电阻元件及活动电刷组成。常用的线绕式电位器架、电阻元件及活动电刷组成。常用的线绕式电位器 的电阻元件由金属电阻丝绕成。的电阻元件由金属电阻丝绕成。 图图2-11 某些电刷结构某些电刷结构

7、 图图2-12 YCO-150型压力传感器原理图型压力传感器原理图 图图2-13 膜盒电位器式压力传感器原理图膜盒电位器式压力传感器原理图 下页下页上页上页返回返回 2.1.5 电位器式传感器应用举例电位器式传感器应用举例 图图2-14 电位器式位移传感器示意图电位器式位移传感器示意图 图图2-15 测小位移传感器示意图测小位移传感器示意图 图图2-16 电位器式加速度传感器示意图电位器式加速度传感器示意图 下页下页上页上页返回返回 2.2 应变片式传感器应变片式传感器 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片主要特性金属电阻应变片主要特性 温度误差及补偿温度误差及补偿 应变片

8、式电阻传感器的测量电路应变片式电阻传感器的测量电路 应变片式电阻传感器的应用举例应变片式电阻传感器的应用举例 下页下页上页上页返回返回 2.2.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理 电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应， 即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发 生变化。可以做这样一个较简单的实验：取一生变化。可以做这样一个较简单的实验：取一 根细电阻丝，记下其初始阻值（图中为根细电阻丝，记下其初始阻值（图中为 10.01）。当我们用力将该电阻丝拉长时，会）。当我们用力将该电阻丝拉长时，会 发现其阻值略有

9、增加（增加到为发现其阻值略有增加（增加到为10.05）。测）。测 量应力、应变、力的传感器就是利用类似的原量应力、应变、力的传感器就是利用类似的原 理制作的。理制作的。 下页下页上页上页返回返回 图图2-17 金属丝伸长后几何尺寸变化及应变电阻效应金属丝伸长后几何尺寸变化及应变电阻效应 2.2.2 金属电阻应变片主要特性金属电阻应变片主要特性 金属电阻应变片结构及材料金属电阻应变片结构及材料 图图2-18 应变片的基本结构应变片的基本结构 图图2-19 箔式应变片的基本结构箔式应变片的基本结构 图图2-20 各式箔式应变花各式箔式应变花 下页下页上页上页返回返回 2.2.2 金属电阻应变片主要

10、特性金属电阻应变片主要特性 电阻应变片主要特性电阻应变片主要特性 一、一、 横向效应横向效应 二、二、 机械滞后机械滞后 三、三、 零漂及蠕变零漂及蠕变 四、四、 应变极限、疲劳寿命应变极限、疲劳寿命 五、五、 动态响应特性动态响应特性 下页下页上页上页返回返回 2.2.2 金属电阻应变片主要特性金属电阻应变片主要特性 一、电阻应变片横向效应系数一、电阻应变片横向效应系数 H 下页下页上页上页返回返回 x K R dR 0 由由 xxx x y x y xyyxx aHK K K KKK R dR )1 ()1 ( 可得可得 其中其中a为双向应变比；为双向应变比；H为双向为双向 应变灵敏度系数

11、比应变灵敏度系数比横向效横向效 应系数；应系数； x y 2.2.2 金属电阻应变片主要特性金属电阻应变片主要特性 一、电阻应变片横向效应系数一、电阻应变片横向效应系数 H 下页下页上页上页返回返回 利用利用x 与与y 的关系的关系 故可得故可得 横向效应作用：抵消纵向应变；横向效应作用：抵消纵向应变； 解决的方法：增大解决的方法：增大l，减小，减小r，采用直角线栅，采用直角线栅 式式, 或箔式。或箔式。 xy a=，知知 ,)1 ( xx HK R dR 2.2.2 金属电阻应变片主要特性金属电阻应变片主要特性 二、机械滞后二、机械滞后 下页下页上页上页返回返回 机械滞后机械滞后Zj：恒温条

12、件下，：恒温条件下， 加载和卸载试件过程中，加载和卸载试件过程中， 加载和卸载特性曲线的最加载和卸载特性曲线的最 大差值大差值残余形变；残余形变； 产生的原因：产生的原因： 粘合剂性能差；粘合剂性能差； 过载；过载； 过热。过热。 2.2.2 金属电阻应变片主要特性金属电阻应变片主要特性 三、零漂及蠕变三、零漂及蠕变 下页下页上页上页返回返回 零漂零漂P0：保待温度恒定，在不承受载荷的条件下，：保待温度恒定，在不承受载荷的条件下， 应变片的电阻随时间变化的特性；应变片的电阻随时间变化的特性； -产生的原因：敏感栅通过工作电流后的温度效应，产生的原因：敏感栅通过工作电流后的温度效应， 内应力逐渐

13、变化，粘接剂固化不充分等。内应力逐渐变化，粘接剂固化不充分等。 蠕变蠕变：保待温度恒定，在某一：保待温度恒定，在某一 恒定机械应变长期作用下，指恒定机械应变长期作用下，指 示应变随时间变化的特性；示应变随时间变化的特性； 主要原因：内应力。主要原因：内应力。 2.2.2 金属电阻应变片主要特性金属电阻应变片主要特性 四、应变极限、疲劳寿命四、应变极限、疲劳寿命 下页下页上页上页返回返回 应变极限定义：应变片所能测量的最应变极限定义：应变片所能测量的最 大应变值大应变值lim。 疲劳寿命：反映应变片对动态应变的适应能力，反映出疲劳寿命：反映应变片对动态应变的适应能力，反映出 材料性能，工艺加工质

14、量的重要的指标；材料性能，工艺加工质量的重要的指标； 测定方法：在恒定幅值的交变应力作用下测定方法：在恒定幅值的交变应力作用下,可以连续工作可以连续工作 而不产生疲劳损坏的循环次数而不产生疲劳损坏的循环次数N； 疲劳损坏：应变片指示应变的变化超过规定误差；疲劳损坏：应变片指示应变的变化超过规定误差； 一般要求：一般要求：N=105107次。次。 2.2.2 金属电阻应变片主要特性金属电阻应变片主要特性 五、动态响应特性五、动态响应特性 下页下页上页上页返回返回 对正弦应变波的响应对正弦应变波的响应 对阶跃应变波的响应对阶跃应变波的响应 2.2.3 温度误差及补偿温度误差及补偿 在外界温度变化的

15、条件下，由于敏感栅温度系数在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数t 及栅丝与试件膨胀系数及栅丝与试件膨胀系数(g及及s)之差异性而产生虚之差异性而产生虚 假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。 一、温度效应及温度误差一、温度效应及温度误差 温度效应：由温度变化引起应变片内阻改变的现象；温度效应：由温度变化引起应变片内阻改变的现象； 应变片电阻丝的电阻率变化；应变片电阻丝的电阻率变化； 下页下页上页上页返回返回 t R R t t at电阻丝材料的电阻温度系数；电阻丝材料的电阻温度系数； 2.2.3 温度误差及补偿温度误差及补偿 电阻丝材

16、料与受力件材料的线膨胀系数不同；电阻丝材料与受力件材料的线膨胀系数不同； 下页下页上页上页返回返回 tk R R ts t )( t、s分别为电阻丝材料和试件材分别为电阻丝材料和试件材 料的线膨胀系数，料的线膨胀系数，k应变片的灵敏应变片的灵敏 度系数；度系数； 附加应力：附加应力： )( ,)( 1 )()( )( k R dR tt k k RRRR k RR tst tt t t 二、温度补偿二、温度补偿 方法：自动与桥路方法：自动与桥路 2.2.3 温度误差及补偿温度误差及补偿 下页下页上页上页返回返回 双丝自补偿法双丝自补偿法利用两种不同电阻温度系数利用两种不同电阻温度系数(一种为正

17、值，一种为正值， 一种为负值一种为负值)的材料串联组成敏感栅，使的材料串联组成敏感栅，使 tbta RR)()( 则则 b a a b asaa bsbb ata btb ta tb b a b a l l k k RR RR R R R R R R )( )( )( )( )( )( 特点：方法简单，制造和使用方便，使用范围有限。特点：方法简单，制造和使用方便，使用范围有限。 )0( ),( tst k 单丝自补偿法单丝自补偿法选择敏感栅材料的电阻温度系数和线膨选择敏感栅材料的电阻温度系数和线膨 胀系数，能满足下式成立：胀系数，能满足下式成立： 2.2.3 温度误差及补偿温度误差及补偿 下页

18、下页上页上页返回返回 特点：补偿效果好，方法简单，使用方便。特点：补偿效果好，方法简单，使用方便。 桥路补偿法桥路补偿法 补偿块法补偿块法(单臂单臂)： 差动法差动法(双臂双臂)： 特点：补偿效果好，方法简单，制造和使用方便，使特点：补偿效果好，方法简单，制造和使用方便，使 用范围比单丝广，可通过丝的长短来调整。用范围比单丝广，可通过丝的长短来调整。 2.2.4 应变片式电阻传感器的测量电路应变片式电阻传感器的测量电路 下页下页上页上页返回返回 一、电压输出特性一、电压输出特性 设电桥各臂的电阻分别设电桥各臂的电阻分别R1,R2,R3,R4, 可以全部是或部分是应变片。可以全部是或部分是应变片

19、。 流过负载的电流为：流过负载的电流为： 电桥平衡时电桥平衡时 )()()( )( 214343214321 3241 0 RRRRRRRRRRRRR RRRRU I L 0 , 0 32410 RRRRI 2.2.4 应变片式电阻传感器的测量电路应变片式电阻传感器的测量电路 下页下页上页上页返回返回 电桥的电压输出电桥的电压输出(空载空载)： 当四臂有当四臂有R产生时，电压输出特性产生时，电压输出特性(空载空载)： 设设 R1/R2=n，并考虑，并考虑RiRi, 略去高阶分量略去高阶分量,得得 )( 4321 3241 0 RRRR RRRR UU )( )()( 44332211 3322

20、4411 0 RRRRRRRR RRRRRRRR UU )( )1 ( 4 4 3 3 2 2 1 1 2 0 U R R R R R R R R n n U 2.2.4 应变片式电阻传感器的测量电路应变片式电阻传感器的测量电路 下页下页上页上页返回返回 当当R1=R2, R3=R4(半等臂半等臂),或或R1=R2=R3=R4(全等全等 臂臂)时，时，n=1， 单臂工作单臂工作(R1 0,R2=R3=R4=0)： )( )( 4 )( 4 1 4321 4 4 3 3 2 2 1 1 0 k R R U k U R R R R R R R R U U k U R R U 1 1 1 0 4 )

21、( 4 1 2.2.4 应变片式电阻传感器的测量电路应变片式电阻传感器的测量电路 下页下页上页上页返回返回 双臂工作双臂工作(R1 =R2 0, R3=R4=0)： 全臂工作全臂工作(R1 =R2 =R3=R4 0)： U k U k U R R R R U 121 2 2 1 1 0 2 )( 4 )( 4 1 UkU k U R R R R R R R R U 14321 4 4 3 3 2 2 1 1 0 )( 4 )( 4 1 2.2.4 应变片式电阻传感器的测量电路应变片式电阻传感器的测量电路 下页下页上页上页返回返回 二、电压灵敏度二、电压灵敏度 单臂工作单臂工作 双臂工作双臂工作

22、 全臂工作全臂工作 三、应变片的串联与并联式接线法三、应变片的串联与并联式接线法 1、串联、串联 设设 4 11 0 1 U RR U Sv 2 2 12 U SS vv USS vv 14 4 RRRR n 21 , , 21 nRRnRR 2.2.4 应变片式电阻传感器的测量电路应变片式电阻传感器的测量电路 下页下页上页上页返回返回 则则 特点：特点： 应变片串联后反映的应变为各个应变片应变值的应变片串联后反映的应变为各个应变片应变值的 算术平均值，提高测量精度；算术平均值，提高测量精度； 桥臂电阻增加，提高电压输出。桥臂电阻增加，提高电压输出。 n RRRR 211 )( )( 1 21

23、 2 2 1 1 21 1 1 n n n n n k R R R R R R n nR RRR R R 2.2.4 应变片式电阻传感器的测量电路应变片式电阻传感器的测量电路 下页下页上页上页返回返回 2、并联、并联 设设 则则 特点：提高电桥的输出电流。特点：提高电桥的输出电流。 RRRR n 21 , , 21 n R R n R R n RRR R 1111 21 1 ) 111 ( 1 )( 1 21 2 2 1 1 1 1 n n n nk R R R R R R nR R 2.2.4 应变片式电阻传感器的测量电路应变片式电阻传感器的测量电路 例：已知公式：例：已知公式： 初始电阻初

24、始电阻R=120 灵敏度系数灵敏度系数K=2 纵向应变纵向应变 =1000=1时时 求：该应变片电阻的绝对变化量求：该应变片电阻的绝对变化量 解得：解得： R=0.24 K L L K R R 下页下页上页上页返回返回 2.2.4 应变片式电阻传感器的测量电路应变片式电阻传感器的测量电路 上述一例中各参数均为产品较有代表性的参数。而纵上述一例中各参数均为产品较有代表性的参数。而纵 向应变量也取得十分大（通常应变片的线性工作范向应变量也取得十分大（通常应变片的线性工作范 围仅有围仅有600 ）。由上例中可以得出以下结论：）。由上例中可以得出以下结论： 应变片式传感器对应变产生的电阻变化量很小，通

25、常是应变片式传感器对应变产生的电阻变化量很小，通常是 在几个欧姆以下。在几个欧姆以下。 要求测量电路必须能够测量微小电阻的变化。电桥电路要求测量电路必须能够测量微小电阻的变化。电桥电路 是最常用的测量微小电阻变化的电路。是最常用的测量微小电阻变化的电路。 下页下页上页上页返回返回 2.2.5 应变片式电阻传感器的应用举例应变片式电阻传感器的应用举例 应变式测力传感器应变式测力传感器 圆柱式力传感器圆柱式力传感器 梁式力传感器梁式力传感器 应变式压力传感器应变式压力传感器 应变式扭矩传感器应变式扭矩传感器 应变式加速度传感器应变式加速度传感器 下页下页上页上页返回返回 特点：可直接用以测量特点：可直接用以测量 机械、仪器及工程结构机械、仪器及工程结构 等的应变外，与弹性敏等的应变外，与弹性敏 感元件相配合，组成其感元件相配合，组成其 他物理量的测试传感器，他物理量的测试传感器， 如力、压力、扭矩位移、如力、压力、扭矩位移、 加速度等；性能稳定可加速度等；性能稳定可 靠靠, ,寿命长；颊率响应特寿命长；颊率响应特 性较好性较好(10-7(10-7秒秒); );测材范围测材范围 广，精度高广，精度高(10-210-7N, (10-210-7N, 1