虚拟仪器及硬件在环第三讲

1、第三讲 电阻式传感器 电阻式传感器是将被测量（如力、位移、速度、加速度、温度等）的变化转换成电阻元件阻值变化的传感器。力、位移、高度、速度、温度电阻电压传感器敏感元件传感器调理电路电阻式传感器变阻式电阻应变式金属电阻应变片半导体应变片敏感电阻式热敏电阻湿敏电阻磁敏电阻光敏电阻气敏电阻3.1 变阻式传感器变阻式传感器| 也称电位计式传感器，是也称电位计式传感器，是一种把机械的线位移或角位移输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来使用元件来使用。压力、高度、流速线位移或角位移电阻电压3.1 变阻式传感器

2、变阻式传感器电阻丝电阻：何为输入量？何为输出量？灵敏度：3.1 变阻式传感器变阻式传感器电阻丝电阻：何为输入量？何为输出量？灵敏度：3.1 变阻式传感器变阻式传感器3.1.2 测量电路后接电阻分压式电路上式表明： 输出电压eo与输入位移x成非线性关系； 只有当Rp/RL趋于零时，eo与x才成线性关系。3.1 变阻式传感器变阻式传感器思考：变阻式传感器的分辨力取决于什么？| 优点：如结构优点：如结构简单、性能稳定，受温度、湿度、电磁干扰等环境因素的影响简单、性能稳定，受温度、湿度、电磁干扰等环境因素的影响较小，输出信号大，成本低，精度高。较小，输出信号大，成本低，精度高。| 缺点缺点：容易磨损，

3、噪声较大、抗冲击、振动能力差，易受灰尘等因素影响，：容易磨损，噪声较大、抗冲击、振动能力差，易受灰尘等因素影响，要求大能量输入、动态特性差等。要求大能量输入、动态特性差等。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，它的电阻值相应发生变化。机械变形时，它的电阻值相应发生变化。 压力、扭矩、加速度应变电阻电压3.2应变片式传感器应变片式传感器lRS在未受力时的原始电阻：在外力F作用下，电阻丝变形后，电阻变化：2Rll SlSSS 3.2.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理R=RlSlS2Rll SlSSS 令轴向应

4、变 ，在弹性变形范围内，由材料力学存在以下关系：/l l /(/ )r rl l 代入(为泊松系数)3.2应变片式传感器应变片式传感器(为泊松系数，为轴向正应力，E为弹性模量)E3.2.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理3.2应变片式传感器应变片式传感器)21 ()21 (ELdLERRERdRLdLRdRS)21 (灵敏度3.2.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理3.2应变片式传感器应变片式传感器ERdRLdLRdRS)21 (灵敏度半导体应变片金属应变片压阻效应应变效应ES)21 (ES应变效应：材料在承受应变时，其几何尺寸变化而导致电阻变化的现象(1+2项引起)；压阻

5、效应：材料在承受应变时，其电阻率变化而导致电阻变化的现象(E项引起)；3.2.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理3.2应变片式传感器应变片式传感器半导体应变片金属应变片温度稳定性好、非线性误差小， 灵敏度常为1.73.6应变片灵敏度高、横向效应小、机械滞后小及体积尺寸小。灵敏度常为100200与电位器式电阻传感器输出的电阻与电位器式电阻传感器输出的电阻R对应被测量不同，应变式电阻传感对应被测量不同，应变式电阻传感器输出的电阻变化对应于被测量。这种变化器输出的电阻变化对应于被测量。这种变化R/ R极其微弱，需要使用极其微弱，需要使用专门的测量电路：直流电桥或交流电桥。专门的测量电路：直

6、流电桥或交流电桥。3.2.2 测量电路测量电路3.2应变片式传感器应变片式传感器（半差动电桥）（全差动电桥）3.2.2 测量电路测量电路3.2应变片式传感器应变片式传感器平衡条件： 以半桥单臂为例半桥单臂测量电路中，若R1为应变片，R2 、R3 、R4为固定电阻。设桥臂比 ，又设负载RL无穷大。3412/RRRRnURRnnRRnnRRnUUo1121111)1 ()1)(1(半桥单臂的电压灵敏度为：Unnku2)1 ( 当n=1时，Uku413.2.2 测量电路测量电路3.2应变片式传感器应变片式传感器当R1出现R1的变化时： 例：已知公式：例：已知公式： 初始电阻初始电阻R=120 灵敏度

7、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 R=0.24 KLLKRR3.2.2 测量电路测量电路3.2应变片式传感器应变片式传感器3.2.2 测量电路测量电路3.2应变片式传感器应变片式传感器URRnnRRnnRRnUUo1121111)1 ()1)(1(这个约等在多大程度上成立？关于 非线性关于 线性11RR11RR根据非线性度定义，问题转换为：直流电桥非线性误差分析：3.2.2 测量电路测量电路3.2应变片式传感器应变片式传感器在 1时，以其为无穷小量，对( )作泰勒展开：忽略高阶无穷小量非线性度（相对误差）：直流

8、电桥非线性误差分析：3.2.2 测量电路测量电路3.2应变片式传感器应变片式传感器减小直流电桥非线性的方法： 采用半差动电桥和全差动电桥； 提高桥臂比n。 采用高内阻的恒流源电桥。恒流源电桥恒流源电桥3.2.2 测量电路测量电路3.2应变片式传感器应变片式传感器减小直流电桥非线性的方法：21432211)()(IIIRRIRRIIRRRRRRIIRRRRRRI43212124321431直流电桥的特点 用比较方法检测电阻变化的仪器； 测量精度高； 适合电阻式传感器，进行应力应变、温度、湿度、压强等非电量的测量。3.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器交流电桥 交流电桥也是一种比较式测量电路；

9、用于测量： 交流电阻及其时间常数； 自感及其线圈品质因数和互感等电参数； 测量材料的介电常数，电容器的介质损耗； 磁性材料的磁导率和液体的电导率； 也可测非电量变换为相应电量的参数。3.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 交流电桥平衡条件3.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器或 交流电桥不平衡输出3.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器单臂电桥半差动电桥全差动电桥Z1Z1Z1ZZ4Z2Z4Z3Z3Z2ZZ1ZZ2ZZ3ZZ4Z交流电桥的常见形式 电阻电桥， 电容电桥，主要测量电容器的电容量和损耗角； 电感电桥，主要测量电感（自感、互感）和电圈的品质因数（ ）。3.2 电阻应变式传感器电阻应

10、变式传感器 交流电桥为什么要调平？3.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 各桥臂应变片的性能参数不可能完全对称； 应变片引出导线的分布电容阻抗与供桥电源频率有关。 交流电桥如何调平？3.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器串联电阻调平法并联电阻调平法 交流电桥如何调平？3.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器差动电容法阻容调平法交流电桥与直流电桥比较 交流电桥的平衡比直流电桥多一个相位平衡；因此，直流电桥平衡调节简单。 交流电桥测量范围比直流电桥广； 直流电桥电源容易获得； 直流电桥输出电压一般都会采用直流放大器，而直流放大器易于产生零漂。3.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器3.3 工程

11、应用工程应用电阻应变式传感器具有体积小、动态响应快、测量精度高、使用简便等优点，可用来测量应变、力、位移、加速度、扭矩等信号。1.直接用来测构件的应变或应力。( (a)a)齿轮轮齿弯矩齿轮轮齿弯矩测量测量 ( (b)b)飞机机身应力飞机机身应力测量测量 ( (c)c)立柱应力立柱应力测量测量 ( (d)d)桥梁应力测量桥梁应力测量( (c)c)力传感器力传感器 ( (d)d)扭矩扭矩传感器传感器 ( (e)e)压力传感器压力传感器3.3 工程应用工程应用2.作为传感器测量力、位移等参数(a)(a)位移传感器位移传感器 (b)(b)加速度传感器加速度传感器轴向应变片感受的应变为： 圆周方向的应变

12、为：， 式中 F载荷； E弹性元件的杨氏模量； S弹性元件截面积。1FSE21FSE 3.3 工程应用工程应用3.4 电阻式传感器在汽车上的应用电阻式传感器在汽车上的应用发动机油气供给系统的工作原理发动机油气供给系统的工作原理1、空气流量计 空气流量计是测量发动机吸入空气量的装置，安装在空气滤清器和节气门体之间的进气道上。它将吸入的空气量转换成电信号送至ECU，作为燃油喷射和点火控制的主控制信号。根据测量原理不同，分为翼片式（叶片式）、卡门漩涡式、热线式和热膜式四种类型，前两者是体积流量型，后两者为质量流量型。3.4 电阻式传感器在汽车上的应用电阻式传感器在汽车上的应用3.4 电阻式传感器在汽车上的应用电阻式传感器在汽车上的应用1、翼片式空气流量计 翼片、回位弹簧、电位计指针构成机械系统： 翼片受气流影响发生偏转； 翼片受回位弹簧和汽流的共同作用，从而力平衡； 电位计指针（滑臂）固定在翼片轴上，随翼片一起转动。缓冲翼片和缓冲室的作用是减少翼片脉动，使翼片运转平稳。3.4 电阻式传感器在汽车上的应用电阻式传感器在汽车上的应用1、翼片式空气流量计 发动机控制的一项重要内容就是最佳空燃比控制，即根据空气流量信号确定喷油量。油泵开关的顶针也安装在翼片转动轴上。当翼片处于静止位置时，燃油开关触点被顶开，切断油泵电路。当翼片旋转时，触