1电阻式传感器 ppt课件

1、哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章 电阻传感器电阻传感器电阻式传感器的根本原理是将被丈量的变化转换电阻式传感器的根本原理是将被丈量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。电信号输出。按任务的原理可分为按任务的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、变阻器式、电阻应变式、压阻式等。压阻式等。电阻传感器常用来丈量位移、力、压力、应变、电阻传感器常用来丈量位移、力、压力、应变、 扭矩和加速度等非电量。扭矩和加速度等非电量。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2-1 2-1 电位器式传感器电位器式传感器 电位器是一个

2、机电传感元件，它电位器是一个机电传感元件，它作为传感器可以将机械位移或其它能作为传感器可以将机械位移或其它能转换为位移的非电量转换为与其有一转换为位移的非电量转换为与其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引定函数关系的电阻值的变化，从而引起输出电压的变化。起输出电压的变化。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学一、电位器式传感器的种类一、电位器式传感器的种类哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学图图1是这种电位器的构造图。平常无光照时，电阻体和是这种电位器的构造图。平常无光照时，电阻体和导电电极之间由于光电导层电阻很大而呈现绝缘形状。导电电极之间由于光电导层电

3、阻很大而呈现绝缘形状。当光束照射在电阻体和导电电极的间隙上时，由于光当光束照射在电阻体和导电电极的间隙上时，由于光电导层被照射部位的亮电阻很小，使电阻体被照射部电导层被照射部位的亮电阻很小，使电阻体被照射部位和导电电极导通，于是光电电位器的输出端就有电位和导电电极导通，于是光电电位器的输出端就有电压输出，输出电压的大小与光束位移照射到的位置有压输出，输出电压的大小与光束位移照射到的位置有关，从而实现了将光束位移转换为电压信号输出。关，从而实现了将光束位移转换为电压信号输出。 特点：光电电位器最大的优点是非接触型，不存特点：光电电位器最大的优点是非接触型，不存在磨损问题，它不会对传感器系统带来任

4、何有害的摩在磨损问题，它不会对传感器系统带来任何有害的摩擦力矩，从而提高了传感器的精度、寿命、可靠性及擦力矩，从而提高了传感器的精度、寿命、可靠性及分辨率。光电电位器的缺陷是接触电阻大，线性度差。分辨率。光电电位器的缺陷是接触电阻大，线性度差。由于它的输出阻抗较高，需求配接高输入阻抗的放大由于它的输出阻抗较高，需求配接高输入阻抗的放大器。虽然光电电位器有着不少的缺陷，但由于它的优器。虽然光电电位器有着不少的缺陷，但由于它的优点是其它电位器所无法比较的，因此在许多重要场所点是其它电位器所无法比较的，因此在许多重要场所仍得到运用。仍得到运用。 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学1 2 3 132直线型直

5、线型旋转型旋转型二、线绕电位器式传感器任务原理及构造二、线绕电位器式传感器任务原理及构造图图2 线绕电位器构造图线绕电位器构造图哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学图图3 线绕电位器实物图线绕电位器实物图UiRx0Rx(等效电路等效电路)哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学三、线性线绕电位器电输出特性三、线性线绕电位器电输出特性VorR(L)Vix图中：图中：Vi电位器输入电压；电位器输入电压； V0电位器输出电电位器输出电压；压； R电位器总电阻；电位器总电阻； L电位器总行程；电位器总行程； x电刷行程；电刷行程； rx处对应电阻；处对应电阻； b骨架宽度；骨架宽度； h骨架高度；骨架高度； t线绕节距；

6、线绕节距； RL负载电阻。负载电阻。 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学l 视在分辨力视在分辨力 阶跃值为阶跃值为iVVnV视在分辨力；视在分辨力；n 电位器线圈总匝数电位器线圈总匝数 如如Vi10V，n100匝，匝， 那那么么V0.1V，这意味着输出电压以，这意味着输出电压以0.1V的阶跃方式增的阶跃方式增加，即为输入电压的加，即为输入电压的1，不能给出小于，不能给出小于0.1V的电压的电压变化。变化。 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学l 负载误差负载误差在在RL条件下，输出电压的表达式为条件下，输出电压的表达式为 02()iiLLLLLLLLVV r Rr RrRVIr RrRrRR RrRrRrr

7、R0iiVVVrxRL显然显然RL时，时， 由负载电阻为有限值产生的相对负载误差为：由负载电阻为有限值产生的相对负载误差为： 200201100%1100%1100%1iLLLiLLV r RVVR RrRrrVrrVrRRR R哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学11100%1(1)LrmXX假设令负载系数假设令负载系数mR/RL，行程比，行程比Xr/R=x/L，那么，那么有有2(2)01(1)LdrmXmdXmXXLr 对对求一阶导数求一阶导数 Lr12X 12xL 取取的极大值的极大值 ， ，亦即，亦即可见相对负载误差在可见相对负载误差在x=1/2L处有极值。处有极值。 负载误差负载误差最大最大

8、哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 应变式式传感器是基于金属电阻的应变应变式式传感器是基于金属电阻的应变效应制成。效应制成。一、金属的电阻应变效应一、金属的电阻应变效应 金属导体的电阻随着机械变形伸长或金属导体的电阻随着机械变形伸长或缩短的大小发生变化的景象称为金属的电缩短的大小发生变化的景象称为金属的电阻应变效应。阻应变效应。2-2 2-2 应变式传感器应变式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学lllrrrFF 设一根长为设一根长为l，截面积为，截面积为S，电阻，电阻系数为系数为的电阻丝，其电阻值的电阻丝，其电阻值R为：为：lRSldlSdSd导线两端遭到力导线两端遭到力

9、F作用时作用时哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学dRddldSRlS2dSdrSr2Srdrdlrl dll将上式取全微分，那么引起电阻值变化将上式取全微分，那么引起电阻值变化dR：因因，由资料力学可知：由资料力学可知： 径向变化径向变化，式中，式中泊松比泊松比表示电阻丝轴向的相对变化，也就是表示电阻丝轴向的相对变化，也就是应变。应变。2LLdRddLdSSSS电阻值的相对变化：电阻值的相对变化：哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学(12 )(12 )dRddldRl 0dRRK0(12 )dKdRddldSRlS令令那么那么K0金属电阻丝的相对灵敏度系数：单位应变引起金属电阻丝的相对灵敏度系数：单位应变引

10、起的电阻相对变化。的电阻相对变化。金属电阻丝的相对灵敏度系数受两个要素影响：金属电阻丝的相对灵敏度系数受两个要素影响：1. 受力后资料的几何尺寸变化所引起的；即受力后资料的几何尺寸变化所引起的；即2. 受力后资料的电阻率发生变化引起的；即受力后资料的电阻率发生变化引起的；即(12 )dp项项项项对于金属电阻丝而言，以前者为主，对于金属电阻丝而言，以前者为主，对于半导体，对于半导体，K0主要由电阻率的相对变化所决议。主要由电阻率的相对变化所决议。0(12 )K 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学二、应变片的构造二、应变片的构造 应变片由电阻丝敏感栅、基底、引线和粘合应变片由电阻丝敏感栅、基底、引线和粘

11、合剂组成。剂组成。基底基底覆盖层覆盖层电阻丝电阻丝引线引线哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 敏感栅由很细的电阻丝敏感栅由很细的电阻丝0.010.05mm或箔式或箔式金属片厚度为金属片厚度为310m组成。组成。敏感栅常用以下资料制成：敏感栅常用以下资料制成：1康铜铜镍合金：最常用；康铜铜镍合金：最常用；2镍鉻合金：多用于动态；镍鉻合金：多用于动态；3镍鉻铝合金：作中、高温应变片；镍鉻铝合金：作中、高温应变片；4镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片；镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片；5铂及铂合金：高温动态应变丈量。铂及铂合金：高温动态应变丈量。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学x

12、RRK1、电阻应变片的灵敏度系数定义为：、电阻应变片的灵敏度系数定义为：x为应变片的轴为应变片的轴向应变。向应变。其中其中 实验证明，电阻丝的应变灵敏度系数不等实验证明，电阻丝的应变灵敏度系数不等于电阻丝应变片的应变灵敏度系数，即于电阻丝应变片的应变灵敏度系数，即0KK。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学l0PPyx2bar图图4 放大的栅状电阻应变片及放大的栅状电阻应变片及弯角部分表示图弯角部分表示图yx 纵向应变纵向应变 呵斥电阻添加，横呵斥电阻添加，横向应变向应变 呵斥电阻减少。呵斥电阻减少。xy2、横向效应、横向效应哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学000(1)(1)2(1)xrnnRlRKKrn

13、nl经推导得：经推导得：n直线部分栅丝的数目；直线部分栅丝的数目；n-1弯角部分的个数。弯角部分的个数。 可见可见 ，即应变片存在横向效应使应变，即应变片存在横向效应使应变片的灵敏度系数小于电阻丝的应变灵敏度系数。片的灵敏度系数小于电阻丝的应变灵敏度系数。0KK哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学小结小结0dRdlKRl运用较多运用较多 金属丝式应变片运用最早，但由于金属丝式应金属丝式应变片运用最早，但由于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。但其价钱廉价，多用于应变、应力的大代的趋势。但其价钱廉价，多用于应变、应力的大批量、一次性

14、实验。批量、一次性实验。 箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间丈量时的蠕变较小，一致性较好，件较好，在长时间丈量时的蠕变较小，一致性较好，能将温度影响减小到最小的程度，适宜于大批量消能将温度影响减小到最小的程度，适宜于大批量消费。费。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学3101234()RRUURRRR3124RRRR哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学4131124113(1)(1)RRRR URRRRRR1R311011234()RRR

15、UURRRRR3101234()RRUURRRR哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学1021(1)RnUUnR0211(1)uUnKURnR哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学0211(1)uUnKURnR哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学104RUUR0211(1)uUnKURnR311udKndnn4uUK 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学上文回想上文回想 传感器的动态特性传感器的动态特性一阶传感器：时间常数、灵敏度一阶传感器：时间常数、灵敏度二阶传感器二阶传感器: 时间常数、灵敏度、阻尼比时间常数、灵敏度、阻尼比 电阻式传感器电阻式传感器电位器式：电位器式：视在分辨率视在分辨率 负载误差负载误差应变式：应变式：原

16、理原理灵敏度灵敏度转换电路：转换电路：iVVnLR 1/ 2,X 行程比误差最大(12 )(12 )dRddldRl 电阻丝？应变片？不同的原因？电桥，电桥的灵敏度？哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学11011(1)(1) RnRUURnnR1021(1)RnUUnR11110001RRnRRUUUL 1111212RRRRL L 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学RKR1111212RRRRL 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学3110112234()RRRUURRRRRR121234,RRRRRR 112oRUUR11RRUo哈尔滨工业大学哈尔滨工业大

17、学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学iRoRioRR哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学UoU哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学UoU11111RZjwRC22221RZjwR C33RZ 44RZ 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学14231234()()()ioUZ ZZ ZUZZZZ24241313CjwRRRCjwRRR哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学3412RRRR2112CCRR3412RRRR4132RCRC24241313CjwRRRCjwRRR哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学理想情况下，理想情况下， ，即应变片的输出电阻是，即应变片的输出电阻是应变的一元函数；但实践上应变片输出电阻

18、还和温应变的一元函数；但实践上应变片输出电阻还和温度有关，即度有关，即 。( )RfR( , )RgtR哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 温度变化引起电阻变化的缘由主要有两点：温度变化引起电阻变化的缘由主要有两点：1电阻丝电阻本身就是温度的函数。电阻丝电阻本身就是温度的函数。1010001010(1).ttttRRataRRttttt 是温度系数；与分别为 与 温度下的电阻值；为温度差2试件资料与应变片资料热膨胀系数不同试件资料与应变片资料热膨胀系数不同00()tgsRR Kt产生附加变形而引起电阻的变化，其电阻增量表达式产生附加变形而引起电阻的变化，其电阻增量表达式为：为： 由热膨胀系数不同产生

19、的电阻增量；由热膨胀系数不同产生的电阻增量； 分别为试件、电阻丝的热膨胀系数。分别为试件、电阻丝的热膨胀系数。Rgs、哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 温度补偿的方法温度补偿的方法1应变片自补偿法应变片自补偿法2组合式自补偿法组合式自补偿法3电桥补偿法电路实现。电桥补偿法电路实现。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学R1R2R4R3UabU初始电阻初始电阻 。10203040RRRR放于试件上，并接受应变放于试件上，并接受应变任务应变片：任务应变片：电阻变化由两部分组成：一是温度，一是应变电阻变化由两部分组成：一是温度，一是应变放于试件上，不接受应变放于试件上，不接受应变补偿应变片：补偿应变片：电阻变化由

20、一部分组成：温度电阻变化由一部分组成：温度哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学RWRCR3R4U4abxUUKRWRC半桥衔接半桥衔接哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学RWRCR3R4U2abxUUKRWRC差动半桥衔接差动半桥衔接哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学RWRCRWRCUabxUUKRWRCRWRW全桥衔接全桥衔接1R2R3R4RBD哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学1、几何尺寸：敏感栅基长、基宽、应变片的基底长、几何尺寸：敏感栅基长、基宽、应变片的基底长 和基底宽；和基底宽；2、初始电阻：未粘贴前，在室温下测得的电阻、初始电阻：未粘贴前，在室温下测得的电阻 (常常 用用120)；3、绝缘电阻：敏感栅与基底

21、间的电阻值；、绝缘电阻：敏感栅与基底间的电阻值；4、允许任务电流：最大的任务电流。、允许任务电流：最大的任务电流。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2-3 2-3 压阻式传感器压阻式传感器压阻式传感器压阻式传感器利用硅的压阻效应和微电子技术利用硅的压阻效应和微电子技术制成。制成。特点：灵敏度高、动态呼应好、精度高、易于微特点：灵敏度高、动态呼应好、精度高、易于微型化和集成化。型化和集成化。半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器力敏电阻与硅膜片一体化分散型压阻传感器力敏电阻与硅膜片一体化分散型压阻传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学一、半导体压阻效应一、半导体压阻效应压阻效

22、应：固体遭到作用力后，电阻率就要发生变压阻效应：固体遭到作用力后，电阻率就要发生变 化，这种景象称为压阻效应。化，这种景象称为压阻效应。 一切资料在某种程度都呈现压阻效应，但在一切资料在某种程度都呈现压阻效应，但在半导体资料中，这种效应特别显著。半导体资料中，这种效应特别显著。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 金属应变片发生应变后，使导体的几何尺寸发生金属应变片发生应变后，使导体的几何尺寸发生改动改动阻值变化阻值变化 半导体资料的电阻大小取决于有限数目的载流半导体资料的电阻大小取决于有限数目的载流子子 空穴和电子的迁移。空穴和电子的迁移。加在一定晶向上的外界应力，引起半导体能带的加在一定晶向上的外

23、界应力，引起半导体能带的变化，使载流子的迁移率产生较大的变化，导致变化，使载流子的迁移率产生较大的变化，导致半导体电阻率产生相应的变化。半导体电阻率产生相应的变化。(12 )(12 )dRddldRl 电阻丝受力后的阻值相对变化公式为：电阻丝受力后的阻值相对变化公式为：哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学dlldEl式中：式中： 纵向压阻系数纵向压阻系数 应力应力由资料力学知：由资料力学知：E应力应力应变应变半导体资料弹性模量半导体资料弹性模量这样这样对于半导体：对于半导体：哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学金属电阻丝的相对灵敏度系数为：金属电阻丝的相对灵敏度系数为：(12 )dK代入得到：代入得到：12l

24、KE 弹性模量弹性模量泊松比泊松比压阻系数压阻系数金属应变片金属应变片 根本不变根本不变金属应变片金属应变片12K 半导体应变片半导体应变片 变化变化半导体应变片半导体应变片lKE哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学二、压阻器件的特性二、压阻器件的特性1、温度性能、温度性能 压阻器件的阻值和灵敏度系数受温度影响较压阻器件的阻值和灵敏度系数受温度影响较大，会产生零位温度漂移和灵敏度温度漂移。大，会产生零位温度漂移和灵敏度温度漂移。 对于零位温度漂移普通采用桥臂上串、并联对于零位温度漂移普通采用桥臂上串、并联电阻的方法进展补偿。电阻的方法进展补偿。2、线性度、线性度 对于分散型压阻器件，由于外表参杂浓度很对于分散型压阻器件，由于外表参杂浓度很高，非线性项很小，因此压阻电桥输出的线性度高，非线性项很小，因此压阻电桥输出的线性度比较好在有效丈量范围内。比较好在有效丈量范围内。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2-4 2-4 电阻式传感器运用例如电阻式传感器运用例如哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学R1R2 R4哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工