电阻传感器第五章PPT课件

1、1一、 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。线绕电位器传感元件有直线式、旋转式或两者相结合的形式。第1页/共65页2第2页/共65页3直线位移电位式传感器示意图xxUUL第3页/共65页4电位器式角度传感器UU第4页/共65页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 x的连续函数。但对线绕电位器而言，电刷的直线位移x x的变化是不连续的，所以得到的电阻变化也是不连续的，或输出电压UoUo的变化是一个阶梯形的曲线 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。 第5页/共65页6分辨率： 绕线式电位器的

2、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。 /1100%U neUn第6页/共65页7一般情况下，电位器接有负载，如图所示，接入负载时，由于负载电阻与电位器的比值为有限值，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，对于线性电位器，负载误差即为其非线性误差。第7页/共65页8二、 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、三角函数及其他函数，因此可满足控制系统的特殊要求，也可满足传感、检测系统最终获得线性输出的要求

3、。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。 第8页/共65页9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第9页/共65页10三、非线绕式电位器 合成膜电位器的电阻体是用具有某一电阻值的悬浮液喷涂在绝缘骨架上形成电阻膜而制成的。 第10页/共65页11 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或复合金属膜 第11页/共65页12 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。 第12页/共65页13 导电玻璃釉电位器又称金属陶瓷电位器，它是以合金、金属氧化物或难溶化合物

4、等为导电材料，以玻璃釉粉为粘合剂，混合烧结在陶瓷或玻璃基体上制成的。 第13页/共65页14四、电位器式传感器应用压力测量位移测量第14页/共65页15第15页/共65页16第16页/共65页17第17页/共65页18第二节第二节 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 导体或半导体材料在外界力的作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，这种现象称为将随着发生变化，这种现象称为应变应变效应效应。 电阻电阻应变式传感器应变式传感器主要由电阻主要由电阻应应变片变片及测量及测量转换电路转换电路等组成等组成。第18页/共65页19一、工作原

5、理一、工作原理应变应变片片的工作原理的工作原理 2llRAr金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。第19页/共65页20lRSRlSRlS第20页/共65页212srsrll/r rl l （径向）（径向） （轴向）（轴向）RlSRlS第21页/共65页22 12RlRl0/12R Rk 第22页/共65页23对金属导体而言,有 . dldAClA(M1)=(12 )(1 2 ) (12 )(1 2 )RCRC 对半导体, 存在, .(M2)=(12)RER其中 是压阻系数, 是轴向应力;.FEA E是弹性模量第23页/共65页24第24页/共65页25二、应变片的种类与结构二、应变片的

6、种类与结构 应变片可分为应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类金属应变片及半导体应变片两大类。前者可分成。前者可分成金属丝式、箔式金属丝式、箔式、薄膜式、薄膜式三种。三种。目前箔式应变片应用较多。目前箔式应变片应用较多。箔式应变片中的箔栅是箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀金属箔通过光刻、腐蚀等等工艺制成的。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。箔式应变片箔式应变片与片基的与片基的接触面积大，散热条件较好，测量时的接触面积大，散热条件较好，测量时的蠕变较小蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。，一致性较好，适合于大批量生产

7、。还可以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还可以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。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。第25页/共65页26箔式应变片的外形箔式应变片的外形第26页/共65页27半导体应变片半导体应变片及金及金属丝式应变片的结属丝式应变片的结构构半导体应变片外形半导体应变片外形金属丝式应变片的内部结构第27页/共65页28第28页/共65页29应变片主要性能指标举例应变片主要性能指标举例第29页/共65页30三、测量转换

8、电路三、测量转换电路不平衡电桥不平衡电桥 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。 例例如，有一金属箔式应变片，标称阻值R R0 0为100100 ，灵敏度K K=2=2，粘贴在横截面积为9.8mm9.8mm2 2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E E=2=2 10101111N/mN/m2 2，所受拉力F F=0.2N=0.2N，受拉后应变片的阻值R R 的变化量仅为2 2 10-5 ，所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。第30页/共65页31电阻应变片的测量电路 直流电桥平衡条件当RL时，电桥输出电压为 433211RRRRRREUo当

9、电桥平衡时，Uo=0，则有 4321RRRR第31页/共65页32电压灵敏度 应变片单臂工作时：电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。 由于R R1 1R R1 1，分母中R R1 1/ /R R1 1可忽略: :电桥电压灵敏度定义为 EnnRRUKoU211)1 ( 第32页/共65页33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

10、电桥具有较高的电压灵敏度。 第33页/共65页34)1 (11111nRRnRRnEUo 与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为 oU11111RRnRRUUUoooLERRnnUo112)1 (理想情况（略去分母中的R R1 1/ /R R1 1项）：实际情况（保留分母中的R1/R1项）： 非线性误差及其补偿方法第34页/共65页35减小和消除非线性误差的方法差动电桥第35页/共65页36半桥差动：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。 该电桥输出电压为 433221111RRRRRRRRREUo若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得 112 R

11、REUo可知：U Uo o与R R1 1/ /R R1 1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度K KU U= =E E/2/2，是单臂工作时的两倍。第36页/共65页37全桥差动：电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上。若R R1 1=R R2 2=R R3 3=R R4 4，且R R1 1= =R R2 2= =R R3 3= =R R4 4，则 EKRREUUo11 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片工作时的4 4倍。 第37页/共65页38四、应变效应的应用四、应变效应的应用 应变效应可以测量应变应力、弯矩

12、、扭应变效应可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。矩、加速度、位移等物理量。 电阻应变片的应用可分为两大类：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物理量的专用应变式传感器应变式传感器。敏感元件一般为。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；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

13、接从其接到应变仪上就可直接从应变仪应变仪上读取被测上读取被测试件的应变量。试件的应变量。 第38页/共65页39应变式力传感器应变式力传感器 FFFF第39页/共65页40各种悬臂梁各种悬臂梁 FF固定点固定点电缆第40页/共65页41应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形 第41页/共65页应变式荷重传感器外形及受力位置应变式荷重传感器外形及受力位置FF第42页/共65页43汽车衡汽车衡第43页/共65页汽车衡汽车衡称重系统称重系统第44页/共65页电子秤电子秤 磅秤超市打印秤远距离显示第45页/共65页电子天平电子天平电子天平的精度可达十万分之一第46页/共65页人体秤人

14、体秤 第47页/共65页吊钩秤吊钩秤 便携式第48页/共65页应变式数显扭矩扳手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。第49页/共65页50压阻式固态压力传感器压阻式固态压力传感器 利用扩散工艺制作的四个半导体应利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。常小，动态响应快。 第50页/共65页51压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片片 隔离、承隔离、承压膜片可以将压膜片可以将腐蚀性的气体、腐蚀性的气体、液体与硅膜片液体与硅膜片 隔离开来。隔离开来。 第51页/共65页52压阻式固态压阻式固态 压力传感器压力传感器 内部结构内部结构信号处理电信号处理电路路第52页/共65页53小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器高压进气口高压进气口低压进气口绝对压力传感器第53页/共65页54第54页/共65页55第55页/共65页56第56页/共65页57第57页/共65页58第58页/共65页59投入式液位计投入式液位计 压阻