第2章--电阻式传感器学习教案

1、会计学1第第2章章-电阻电阻(dinz)式传感器式传感器第一页，共45页。n 物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象称为变形。物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象称为变形。若外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变若外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。 n n 弹性元件在传感器技术中占有极其重要的地位。它首先把力、弹性元件在传感器技术中占有极其重要的地位。它首先把力、力矩或压力转换成相应的应变或位移，然后配合各种形式的传力矩或压力转换成相应的应变或位移，然后

2、配合各种形式的传感元件，将被测力感元件，将被测力(c l)、力矩或压力变换成电量。、力矩或压力变换成电量。 n 根据弹性元件在传感器中的作用，它基本上可以分为两种类根据弹性元件在传感器中的作用，它基本上可以分为两种类型：弹性敏感元件和弹性支承。前者感受力、力矩、压力等被型：弹性敏感元件和弹性支承。前者感受力、力矩、压力等被测参数，并通过它将被测量变换为应变、位移等，也就是通过测参数，并通过它将被测量变换为应变、位移等，也就是通过它把被测参数由一种物理状态转换为另一种所需要的相应物理它把被测参数由一种物理状态转换为另一种所需要的相应物理状态。它直接起到测量的作用，故称为弹性敏感元件。状态。它直接

3、起到测量的作用，故称为弹性敏感元件。 第1页/共45页第二页，共45页。n弹性敏感材料的弹性特性弹性敏感材料的弹性特性 n 作用在弹性敏感元件上的作用在弹性敏感元件上的外力与由该外力所引起的相应外力与由该外力所引起的相应变形（应变、位移或转角）之变形（应变、位移或转角）之间的关系称为弹性元件的弹性间的关系称为弹性元件的弹性特性。特性。 n 1.刚度刚度 n 刚度是弹性敏感元件在外刚度是弹性敏感元件在外力作用力作用(wi l zu yn)下抵下抵抗变形的能力抗变形的能力 。n n n 2.灵敏度灵敏度 n 灵敏度是刚度的倒数。灵敏度是刚度的倒数。n 与刚度相似，如果元件弹与刚度相似，如果元件弹性

4、特性是线性的，则灵敏度为性特性是线性的，则灵敏度为常数；若弹性特性是非线性的，常数；若弹性特性是非线性的，则灵敏度为变数。则灵敏度为变数。 0dlimdxFFkxx ddxKF第2页/共45页第三页，共45页。n 3.弹性滞后n 弹性元件在弹性变形范围内，弹性特性的加载曲线与卸载曲线不重合的现象称为弹性滞后现象 。 n n 4.弹性后效 n 弹性敏感元件所加载荷改变后，不是立即完成相应的变形，而是在一定(ydng)时间间隔中逐渐完成变形的现象称为弹性后效现象。由于弹性后效存在，弹性敏感元件的变形不能迅速地随作用力的改变而改变，引起测量误差。图2.1 弹性特性 图2.2 弹性滞后现象 第3页/共

5、45页第四页，共45页。n弹性敏感元件的材料及其基本弹性敏感元件的材料及其基本要求要求 n 具有良好的机械特性具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能；加工及热处理性能；n 良好的弹性特性（弹性良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效极限高、弹性滞后和弹性后效小等）；小等）；n 弹性模量的温度弹性模量的温度(wnd)系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定；系数小且稳定；n 抗氧化性和抗腐蚀性等抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。化学性能良好。n弹性敏感元件的变换原理弹

6、性敏感元件的变换原理n 1弹性圆柱弹性圆柱 n 柱式弹性元件具有结构简柱式弹性元件具有结构简单的特点，可承受很大的载荷，单的特点，可承受很大的载荷，根据截面形状可分为圆筒形与根据截面形状可分为圆筒形与圆柱形两种，如图圆柱形两种，如图2.3所示。所示。n 轴向应力的应变量轴向应力的应变量n 横向应力的应变量横向应力的应变量 图2.3 弹性圆柱 xFSxFSEyFS yFSE 第4页/共45页第五页，共45页。n 2. 2.悬臂梁悬臂梁 n （1 1）等截面梁。一端固定，另一端自由，且截）等截面梁。一端固定，另一端自由，且截面为矩形的梁称为面为矩形的梁称为(chn wi)(chn wi)等截面悬臂

7、梁。等截面等截面悬臂梁。等截面悬臂梁所受作用力悬臂梁所受作用力 F F 与某一位置处的应变关系可按下与某一位置处的应变关系可按下式计算：式计算： n n （2 2）等强度梁。等截面梁的不同部位所产生的）等强度梁。等截面梁的不同部位所产生的应变是不相等的，当作用力应变是不相等的，当作用力 F F 加在梁的两斜边的交汇加在梁的两斜边的交汇点处时，等强度梁各点的应变值为：点处时，等强度梁各点的应变值为： 6xFlxESh()26xlFEb h图2.4 等截面悬臂梁 图2.5 等强度悬臂梁 第5页/共45页第六页，共45页。n3 3薄壁圆筒薄壁圆筒 n 薄壁圆筒与弹簧管等弹性元件可将气体压力转换薄壁圆

8、筒与弹簧管等弹性元件可将气体压力转换(zhunhun)(zhunhun)为应变。筒壁的每为应变。筒壁的每一单元将在轴线方向和圆周方向产生拉伸应力，一单元将在轴线方向和圆周方向产生拉伸应力，n 轴向应力轴向应力sxsx与周向应力与周向应力stst相互垂直，相互垂直，n 应用虎克定律，可求得这种弹性敏感元件应用虎克定律，可求得这种弹性敏感元件n 压力压力- -应变关系式：应变关系式：n n n 它的应变与圆筒的长度无关，而仅取决于圆筒的半径它的应变与圆筒的长度无关，而仅取决于圆筒的半径 r0 r0、厚度、厚度 h h 和弹性模量和弹性模量 E E，而且轴线方向应变与圆周方向应变不相等。，而且轴线方

9、向应变与圆周方向应变不相等。n 02xrph0rph0122xrpEh()022rpEh()图2.6 薄壁圆筒受力分忻 第6页/共45页第七页，共45页。n 4 4弹簧管弹簧管 n 弹簧管的截面形状为椭圆形、卵形弹簧管的截面形状为椭圆形、卵形(lun xn)(lun xn)或更复杂的形状。它主要在流体或更复杂的形状。它主要在流体压力测量中作为压力敏感元件，将压力转换为弹簧管端部的位移。压力测量中作为压力敏感元件，将压力转换为弹簧管端部的位移。n 图2.7 C形弹簧管的结构与截面示意图 图2.8 螺旋形弹簧管 图2.9 特性曲线 对于椭圆形截面的薄壁弹簧(tnhung)管，管壁厚与短半轴之比应不

10、超过0.70.8。在一定范围内，其自由端位移 d 和所受压力 p之间的关系呈线性特性，如图2.9所示。当压力超过某一压力值 p 时，特性曲线将偏离直线而上翘。 第7页/共45页第八页，共45页。n 5 5膜片膜片 n （1 1）圆形平膜片）圆形平膜片n 在压力均匀分布的情况下，圆形平膜片各点对应的纵向应力和在压力均匀分布的情况下，圆形平膜片各点对应的纵向应力和横向应力（切向应力）横向应力（切向应力） 。n n 在圆膜的中心在圆膜的中心(zhngxn)(zhngxn)处，处，r = 0r = 0，具有最大的正应力（拉应，具有最大的正应力（拉应力），且力），且sr=stsr=st；n 在圆膜的边缘

11、处，在圆膜的边缘处，r = r0r = r0，纵向应力，纵向应力srsr为最大的负应力（压应为最大的负应力（压应力）；力）；n 当当 r0.635r0 r0sr0，为正应力（拉应力）；，为正应力（拉应力）；n 当当 r=0.635r0 r=0.635r0 时，纵向应力时，纵向应力sr=0sr=0；n 当当 r0.635r0 r0.635r0 时，纵向应力时，纵向应力sr0sr0，为负应力（压应力）；，为负应力（压应力）；n 当当 r=0.812r0 r=0.812r0 时，横向应力时，横向应力st=0st=0，但纵向应力，但纵向应力sr0sr0。图2.10 圆形平膜片应力分布 第8页/共45页

12、第九页，共45页。n （2）波纹膜片）波纹膜片n 波纹膜片的形状可以做成多种形式，通常波纹膜片的形状可以做成多种形式，通常(tngchng)采用正弦形、梯形、锯齿形波形。采用正弦形、梯形、锯齿形波形。在一定的压力作用下，正弦形波纹膜片给出最大的挠度；锯齿形波纹膜片给出最小的挠度，在一定的压力作用下，正弦形波纹膜片给出最大的挠度；锯齿形波纹膜片给出最小的挠度，但它的特性比较接近于直线；梯形波纹膜片的特性介于上述二者之间。但它的特性比较接近于直线；梯形波纹膜片的特性介于上述二者之间。 n 6波纹管波纹管 n 金属波纹管的轴向容易变形，即灵敏度非常好，在变形量允许的情况下，压力或轴向力金属波纹管的轴

13、向容易变形，即灵敏度非常好，在变形量允许的情况下，压力或轴向力的变化与伸缩量是成比例的，所以利用它可把压力或轴向力转换为位移。的变化与伸缩量是成比例的，所以利用它可把压力或轴向力转换为位移。图2.13 波纹管外形 图2.11 膜片的轴向截面 图2.12 波纹形状与膜片特性的关系 第9页/共45页第十页，共45页。n 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。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。 n线性电位器线性电位器n 线性电位器由绕于骨架上的电阻丝线圈线性电位器由绕于骨架上的电阻丝线圈(xinqun)和沿电位器滑动的滑臂，以及安装在和沿电位器

14、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。线性线滑臂上的电刷组成。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。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。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。n n n 图2.14 直线(zhxin)位移电位式传感器示意图 UUxxUUL图2.15 电位器式角度传感器 第10页/共45页第十一页，共45页。n 线绕电位器的阶梯特性如图2.16所示。 n n n 对理想阶梯特性的线绕电位器，在电刷行程内，电位器输出电压阶梯的最大值与最大输出电

15、压之比的百分数，称为电位器的电压分辨率，其公式为n 线性电位器误差的大小可由下式计算：n 由图2.18可见，无论(wln)m为何值，X=0和X=1，即电刷分别在起始位置和最终位置时，负载误差都为0；当X=1/2时，负载误差最大，且增大负载系数时，负载误差也随之增加。图2.16 线绕电位器的理想阶梯(jit)特性 /1100%U neUn图2.17 带负载(fzi)的电位器电路 图2.18 线性电位器误差df与m、X的曲线关系 f11100%11mXXd()第11页/共45页第十二页，共45页。n 非线性电位器 n 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(hns

16、h)关系的一种电位器，也称函数(hnsh)电位器。它可以实现指数函数(hnsh)、对数函数(hnsh)、三角函数(hnsh)及其他任意函数(hnsh)，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。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。 n 图2.19 变骨架(gji)高度式非线性电位器 图2.20 对称(duchn)变骨架高度式非线性电位器 第12页/共45页第十三页，共45页。n电位器式传感电位器式传感器应用器应用 n 1位移传感位移传感器器 n 电位器式电位器式位移传感器常位移传感器常用于测量几毫用于测量几毫米到几十米的米到

17、几十米的位移和几度到位移和几度到360的角度。的角度。n 电位器传电位器传感器结构简单，感器结构简单，价格低廉，性价格低廉，性能稳定，能承能稳定，能承受恶劣环境条受恶劣环境条件，输出功率件，输出功率大，一般不需大，一般不需要对输出信号要对输出信号放大就可以直放大就可以直接驱动伺服元接驱动伺服元件和显示仪表。件和显示仪表。n n 2电位器式电位器式压力传感器压力传感器 n 电位器式电位器式压力传感器由压力传感器由弹簧管和电位弹簧管和电位器组成。器组成。n 电位器被电位器被固定在壳体上，固定在壳体上，电刷与弹簧管电刷与弹簧管的传动机构相的传动机构相连。当被测压连。当被测压力力p变化时，弹变化时，弹

18、簧管的自由端簧管的自由端产生位移，带产生位移，带动指针偏转，动指针偏转，同时同时(tngsh)带动电刷在线带动电刷在线绕电位器上滑绕电位器上滑动，就能输出动，就能输出与被测压力成与被测压力成正比的电压信正比的电压信号。号。图2.21 推杆式位移(wiy)传感器 图2.22 电位器式压力(yl)传感器 第13页/共45页第十四页，共45页。第14页/共45页第十五页，共45页。1基底；2电阻丝；3覆盖层；4引线(ynxin)图2.23 电阻丝应变片的基本结构 图2.24 箔式应变(yngbin)片 第15页/共45页第十六页，共45页。n 电阻的应变效应电阻的应变效应 n 金属的电阻应变效应：金

19、属的电阻应变效应：金属丝的电阻随着它所受的机金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应而发生相应(xingyng)变化。变化。n 当金属丝受拉时，其长度当金属丝受拉时，其长度伸 长伸 长 d l ， 横 截 面 将 相 应， 横 截 面 将 相 应(xingyng)减小减小dS，电阻率也，电阻率也将改变将改变dr，这些量的变化，必，这些量的变化，必然引起金属丝电阻改变然引起金属丝电阻改变dR，即即n 令令 金属丝的轴向金属丝的轴向应变量；应变量； 金属丝的径金属丝的径向应变量。向应变量。n 根据材料力学原理，金属根据材料力学原理，金属丝受拉时，沿轴

20、向伸长，而沿丝受拉时，沿轴向伸长，而沿径向缩短，二者之间应变的关径向缩短，二者之间应变的关系为系为 lRS2ddddllRlSSSSdxlldyrrdd2xyRRyx dd12xRR ()第16页/共45页第十七页，共45页。n 令n K 称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。显然，越大，单位变形引起的电阻相对变化越大，故灵敏度越高。n 金属丝的灵敏系数 K 受两个因素影响：n 第一项（1+2m），它是由于金属丝受拉伸后，材料的几何尺寸发生变化而引起的；n 第二项 ，它是由于材料发生变形时，其自由电子(z yu din z)的活动能n 力和数量均发生变化的缘故，这

21、项可能是正值，也可能为负值，但作为应变片材料都选为正值，否则会降低灵敏度。金属丝电阻的变化主要由材料的几何形变引起。n 实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化dR/R与应变ex是成正比。 n n d /d /12xxR RK ()xRKRd /x 第17页/共45页第十八页，共45页。第18页/共45页第十九页，共45页。第19页/共45页第二十页，共45页。第20页/共45页第二十一页，共45页。第21页/共45页第二十二页，共45页。第22页/共45页第二十三页，共45页。第23页/共45页第二十四页，共45页。第24页/共45页第二十五页，共45页。第25页/共45页第二十六

22、页，共45页。第26页/共45页第二十七页，共45页。第27页/共45页第二十八页，共45页。第28页/共45页第二十九页，共45页。第29页/共45页第三十页，共45页。第30页/共45页第三十一页，共45页。第31页/共45页第三十二页，共45页。应变片粘贴应变片粘贴(zhnti)在在管桩上，四片应变片可管桩上，四片应变片可组成全桥组成全桥第32页/共45页第三十三页，共45页。n应变片测试原理应变片测试原理n 用应变片测量应变或应力用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于被测对时，是将应变片粘贴于被测对象上的。在外力作用下，被测象上的。在外力作用下，被测对象表面产生微小对象表面产生微小

23、(wixio)机机械变形，粘贴在其表面上的应械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化，变片亦随其发生相同的变化，因此应变片的电阻也发生相应因此应变片的电阻也发生相应的变化。根据应力的变化。根据应力-应变关系应变关系可以得到应力值可以得到应力值s。n n 通过弹性敏感元件转换作通过弹性敏感元件转换作用，将位移、力、力矩、加速用，将位移、力、力矩、加速度、压力等参数转换为应变，度、压力等参数转换为应变，因此可以将应变片由测量应变因此可以将应变片由测量应变扩展到测量上述参数，从而形扩展到测量上述参数，从而形成各种电阻应变式传感器。成各种电阻应变式传感器。 P34 例例2.1n测量电路测量电

24、路n 1直流电桥工作原理直流电桥工作原理n 输出端电压输出端电压Uo为为 n n 电桥的平衡条件电桥的平衡条件 n E图2.25 电阻(dinz)电桥 o13UUU14231234R RR RERRRR1423R RR R第33页/共45页第三十四页，共45页。n2 2电阻应变片测量电桥电阻应变片测量电桥n （1 1）应变片单臂工作直流电桥）应变片单臂工作直流电桥n （2 2）应变片双臂直流电桥（半桥）应变片双臂直流电桥（半桥）n3 3应变片直流全桥电路应变片直流全桥电路(dinl) (dinl) n 全桥工作时，输出电压最大，检测的灵敏度最高。全桥工作时，输出电压最大，检测的灵敏度最高。 o

25、4EUK图2.26 单臂工作(gngzu)直流电桥 图2.27 双臂直流电桥 图2.28 直流全桥电路(dinl) o2EUKEKU0第34页/共45页第三十五页，共45页。n 4 4应变片的温度误差及其补偿应变片的温度误差及其补偿n （1 1）温度误差）温度误差: :因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素是：一、应变片的电阻丝具有一定的温度系数；二、电阻丝材料与素是：一、应变片的电阻丝具有一定的温度系数；二、电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。由温度变化形成测试材料的线膨胀系数不同。由温度变化形成(xngchng)(xngchng)的总电阻变的总

26、电阻变化为化为n 电阻的相对变化量为电阻的相对变化量为n （2 2）温度补偿）温度补偿 n 单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片n n 双丝组合式自补偿应变片双丝组合式自补偿应变片n 桥式电路补偿法桥式电路补偿法n 热敏电阻补偿热敏电阻补偿 n 0)(RtKtRgetKtRRge)(egK ()图2.29 桥式电路(dinl)补偿电路(dinl) 图2.30 热敏电阻补偿(bchng)电路 第35页/共45页第三十六页，共45页。n 1 1测力传感器测力传感器n 电阻应变式传感器的最大用武之地是在称重和测力领域。这种测力传感器由应变计、电阻应变式传感器的最大用武之地是在称重和测力领域。这种测力传感

27、器由应变计、弹性元件、测量电路等组成。根据弹性元件结构形式（柱形、筒形、环形弹性元件、测量电路等组成。根据弹性元件结构形式（柱形、筒形、环形(hun xn)(hun xn)、梁、梁式、轮辐式等）和受载性质（拉、压、弯曲、剪切等）的不同，它们可分为许多种类。式、轮辐式等）和受载性质（拉、压、弯曲、剪切等）的不同，它们可分为许多种类。 n （1 1）柱式力传感器。圆柱式传感器的弹性元件如图）柱式力传感器。圆柱式传感器的弹性元件如图2.312.31所示。所示。图2.31 应变(yngbin)片粘贴在柱形弹性元件上 oomfmmFEUUKFFF第36页/共45页第三十七页，共45页。n用柱式力传感器可

28、制成称重用柱式力传感器可制成称重(chn zhn)式料位计。式料位计。n如图如图2.32所示。所示。 n n n（2）梁式力传感器：可制成称重）梁式力传感器：可制成称重(chn zhn)电子秤、加速度传感器等。如图电子秤、加速度传感器等。如图2.33所示。所示。nP39 例例2.3 图2.32 称重(chn zhn)式料位计 1等强度悬臂梁；2应变(yngbin)片；3质量块图2.33 应变(yngbin)式加速度传感器 第37页/共45页第三十八页，共45页。n 2 2压力传感器压力传感器 n 压力传感器主要用于测量流体的压力。根据压力传感器主要用于测量流体的压力。根据(gnj)(gnj)其

29、弹性体的结构形式可其弹性体的结构形式可分为单一式和组合式两种。分为单一式和组合式两种。 1插座；2基体；3温度(wnd)补偿应变计；4工作应变计；5应变筒图2.34 筒式应变压力传感器 第38页/共45页第三十九页，共45页。n 3位移传感器位移传感器n 应变式位移传感器是把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变，然后通过应变计和应应变式位移传感器是把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变，然后通过应变计和应变电桥，输出正比于被测位移的电量。它可用于近测或远测静态或动态的位移量。变电桥，输出正比于被测位移的电量。它可用于近测或远测静态或动态的位移量。n 如图如图2.35（a）所示为国产）所示为国产

30、YW系列应变式位移传感器结构。这种传感器由于采用了悬系列应变式位移传感器结构。这种传感器由于采用了悬臂梁臂梁-螺旋弹簧串联的组合结构，因此它适用于螺旋弹簧串联的组合结构，因此它适用于10100mm位移的测量。其工作位移的测量。其工作(gngzu)原原理如图理如图2.35（b）所示。）所示。 1测量头；2弹性元件；3弹簧；4外壳；5测量杆；6调整(tiozhng)螺母；7应变计图2.35 YW型应变式位移传感器第39页/共45页第四十页，共45页。n压阻效应与压阻系数压阻效应与压阻系数n 半导体材料受到应力作用半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压

31、阻效应。常见的种现象称为压阻效应。常见的半导体应变片采用锗和硅等半半导体应变片采用锗和硅等半导体材料作为敏感栅。根据压导体材料作为敏感栅。根据压阻效应，半导体和金属丝同样阻效应，半导体和金属丝同样可以把应变转换成电阻的变化。可以把应变转换成电阻的变化。n 由于半导体材料的各向异由于半导体材料的各向异性，当硅膜片承受外应力时，性，当硅膜片承受外应力时，同时产生纵向（扩散同时产生纵向（扩散(kusn)电阻长度方向）压阻效应和横电阻长度方向）压阻效应和横向（扩散向（扩散(kusn)电阻宽度方电阻宽度方向）压阻效应。则有向）压阻效应。则有n 半导体应变片的灵敏系数半导体应变片的灵敏系数为为n测量原理测量原理n 只要位置合适，可满足只要位置合适，可满足n rrttRR /xR RKE 图2.36 膜片上电阻(dinz)布置图 32142314RRRRRRRR 就可以形成差动效果，通