第二章 2013(2)

1、2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器内内容容提提要要2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器u 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 应变效应和压阻效应应变效应和压阻效应( (应变片应变片) )； 电阻应变式传感器工作原理电阻应变式传感器工作原理; ; 电桥测量电路工作原理；电桥测量电路工作原理； 电桥的分类及应用电桥的分类及应用重点： 电阻应变式传感器工作原理、电桥测量电路；难点： 金属导体应变效应和半导体材料压阻效应、 电桥工作原理及分析2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器2.4.22.4.2 电阻应变式传感器一、电阻应变式传感器原理电阻应变式传感器是利用金属材料的“应变效应”和半导体

2、材料的“压阻效应”特性工作的1 1）工作机理）工作机理2 2）分类）分类金属电阻应变片半导体应变片2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器LRA2LLdRdLddAAAAdLddARLA三者有内在关联E应力与纵向应变有关drdLrL 电阻丝径向相对变形，称为横向应变电阻率相对变化，与轴向正应力有关2Ar截面积与半径的关系独立变量只有哪些因素引起电阻变化？电阻丝轴向相对变形，称为纵向应变LdL/（金属丝材料的泊松比）d（压阻系数）)21 (ERdR（E材料弹性模量）第一项：电阻丝长度的变化；第二项：电阻丝面积的变化；第三项：电阻丝材料电导率的变化；)21(ERdR半导体应变片忽略压变效应原理：压

3、阻效应910量级1110E 量级)21 (ERdRERdR金属电阻丝应变片忽略压阻效应原理：应变效应)21 (ERdR)21 ( RdR02.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器二、金属电阻丝应变片 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化现象。应变效应 工作原理2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器金属电阻丝应变片原理第一项：电阻丝长度的变化；第二项：电阻丝面积的变化；第三项：电阻丝材料电导率的变化(12 )dRR 应变效应)21 (ERdR对金属材料，对金属材料， 很小很小可以忽略不计可以忽略

4、不计0应力 应变 电阻相对变化dR/R灵敏度：21/RdRSgSg=1.73.62.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器 用高电阻率的细金属丝，绕成如下图所示的栅状敏感元件1，用粘结剂牢固地粘在基底2、4之间，敏感元件两端焊上较粗的引线3。当将电阻应变计用特殊胶剂粘在被测构件的表面上时，则敏感元件将随构件一起变形，其电阻值也随之变化电阻应变式传感器组成结构2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器规格：使用面积 aL 和电阻值1-粘合层 2-基底 3-粘合层 4-盖片 5-敏感栅 6-引出线 电阻应变式传感器组成结构2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器目前使用的多为金属箔式应变片，其结构见下

5、图。 金属箔式应变片采用光刻技术制造，适用大批量生产优点：线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。箔片厚度110m，散热好，易粘结，传递试件应变性能好2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器三、半导体应变片半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。工作原理2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器半导体应变片的原理压变效应忽略不计压阻效应第一项：电阻丝长度的变化；第二项：电阻丝面积的变化；第三项：电阻丝材料电导率的变化)21 (ERdRERdR量级量级1191010

6、E例如：半导体硅，=(4080)10-11m2/N，E=1.671011Pa，则Sg = E 50100。半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高5070倍。2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器优点：优点： 灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；于测量； 分辨率高，例如测量压力时可测出分辨率高，例如测量压力时可测出101020Pa20Pa的微压；的微压； 测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高； 可测量低频加速度和直线加速度。使用。可测量低频加速度和直线加速度。使用。 半导体应变片的

7、特点缺点：缺点：温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。 2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器四、应变片主要特性参数4）其它表示应变片性能的参数（）其它表示应变片性能的参数（工作温度工作温度、滞后滞后、蠕变蠕变、零漂零漂以及以及疲劳寿命疲劳寿命、横向灵敏度横向灵敏度、动态动态特性特性等）。等）。 1）几何参数几何参数：标距：标距L和丝栅宽度和丝栅宽度b，制造厂常用制造厂常用 bL表示。表示。2）电阻值电阻值：应变片的原始电阻值。：应变片的原始电阻值。 3）灵敏系数灵敏系数：表示应变片变换性能的重要参数。：表示应变片变换性能的重要参数。 Lb2.4

8、 2.4 电阻式传感器电阻式传感器动态特性 应变波在敏感栅方向上传播时，产生滞后，导致所反映出的波幅低于实际应变波。/b越大，误差越小/ 20 /10b1.6% 0.4%设计时：选型时：基长b决定了最小波长，即能测量的最高频率2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段：沿轴向拉应变直线段：沿轴向拉应变 ，电阻，电阻圆弧段：沿轴向压应变圆弧段：沿轴向压应变 ，电阻电阻 xK (箔式应变片箔式应变片)yyxy横向效应2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器温度效应 1、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度、敏感栅电阻随温度

9、的变化引起的误差。当环境温度变化变化t 时，敏感栅材料电阻温度系数为时，敏感栅材料电阻温度系数为 ，则引，则引起的电阻相对变化为起的电阻相对变化为温度温度误差误差 tKRKRRsgtt)(0000tRRRRtt00s应变丝的线膨胀系数；应变丝的线膨胀系数；g试件的线膨胀系数试件的线膨胀系数2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t 时，时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化 2.4 2.4 电阻式传感器电阻式

10、传感器相应的虚假应变输出tKtKRRsgtt)(/000由温度变化引起的总电阻变化为tKRtRRRRsgttt)(000线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻温度补偿 温度补偿 单丝自补偿法组合式自补偿法 自补偿法2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器电桥补偿法 U0R1R4R3URbFFR1RbR1 +RRb -RU0R1RR4R3URbR常用的最好的补偿方法。 2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器五、应变片的测量电路 应变片的信号转换：应变片的信号转换： 应变应变电阻电阻 的相对变化，可以直接测量电阻？的相对变化，可以直接测量电阻？ 传感器输出的标准信

11、号为传感器输出的标准信号为 电压电压V V或电流或电流I I用于控制系统用于控制系统 问题：应变片的电阻变化如何转为V或I？2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器电桥电路应变 电阻相对变化RR电压(或电流)oU电桥电路应变片应变片测量电路应变片测量电路电桥电路电桥电路2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器VUR3R4R1R2URRRRRRRRV)(432142311 1、电桥电路的基本原理、电桥电路的基本原理2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器URRRRRRRRV)(43214231令：令：RR 4dRRR1RRR32URRRdRRRRRdRRV)()(RdRU4输出电压输出电压V V

12、与应变成线性关系，可以用电桥测量电压测量应变与应变成线性关系，可以用电桥测量电压测量应变)21(RdR金属丝金属丝半导体半导体ERdR2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器 UVabcdR1R2R3R4电桥组成电桥组成 两个桥：两个桥：abc、adc 四个臂：四个臂：ab、bc、ad、dc 四个电阻或阻抗：四个电阻或阻抗：R1、R2 R3、R4 一个工作电源：一个工作电源：U 电桥输出：电桥输出：V2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器、电桥分类、电桥分类按激励电压的性质分按激励电压的性质分 直流电桥直流电桥: :直流激励直流激励 交流电桥交流电桥: :交流激励交流激励 按输出方式分按输出

13、方式分: : 不平衡桥式电路不平衡桥式电路 平衡桥式电路平衡桥式电路 按电桥接法分：按电桥接法分：2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器电桥的接法：电桥的接法：单臂单臂 半桥半桥全桥全桥2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器输出电压输出电压dUUyR1R2R3R4I1I2abc、直流电桥、直流电桥URRRRRRRRUUadabyU)(43214231URRRRIUab21111URRRRIUad43442211RRUI432RRUI2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器所谓电桥平衡，即所谓电桥平衡，即Uy=0URRRRRRRRUy)(43214231电桥平衡条件：电桥平衡条件： R1R3

14、=R2R4dU0UyR1R2R3R4I1I2abc2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器实际工作中，对于右图实际工作中，对于右图所示的半桥单臂联接，所示的半桥单臂联接，被测量导致：被测量导致： R R1 1R R1 1+ + R R电桥平衡条件被打破，电桥平衡条件被打破，输出电压：输出电压：URRRRRRRRRRUy)()()(43214231dUUyR1R2R3R4I1I2abc2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器为简化电桥设计，取为简化电桥设计，取R1=R2=R3=R4=R0URRRUy240考虑到考虑到 RR0，所以，所以URRUy04输出输出 Uy R/R0、输出输出Uy UdU

15、UyR1R2R3R4I1I2abcURRRRRRRRRRUy)()()(432142312.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器)21 ( RdRUy 应变 电阻相对变化RR应力（1）输出）输出 Uy R/R02.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器（2 2）输出输出UyUy U U0 0 受到受到U U0 0不稳定的影响不稳定的影响解决办法解决办法： 在在R1R1、R2R2臂上串联臂上串联R R5151、R R5252 首先（首先（R1+ RR1+ R5151）R3=R3=（R2+ RR2+ R5252）R4 R4 电桥平衡电桥平衡 当当R1R1 R1+ R1+R R 电桥不平衡电桥不平衡

16、R51 R51 R51- R51-R R， R52 R52 R52+ R52+R R 电桥再次平衡电桥再次平衡 电位器反映示值电位器反映示值这种方法称为这种方法称为零位测量法零位测量法，与电源电压波动无关，与电源电压波动无关单臂接法 半桥接法 全桥接法 14oRUUR12oRUURoRUUR名称接法输出12RR 1234RRRR 灵敏度4US 2US SU不同接法电桥输出不同接法电桥输出不同电桥接法，灵敏度不同不同电桥接法，灵敏度不同R1=R2=R3=R4=R2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器 交流电压交流电压 电桥四个臂可以为电感、电容或电阻电桥四个臂可以为电感、电容或电阻duuyZ1

17、Z2Z3Z4I1I2abceZZj1011eZZj2022eZZj3033eZZj40444 4、交流电桥、交流电桥电桥平衡条件电桥平衡条件： Z1Z3=Z2Z4Z1、Z2、Z3、Z4为阻抗，一般为复数：2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器电桥平衡条件：电桥平衡条件： Z1Z3=Z2Z4du0uyZ1Z2Z3Z4I1I2abceZZj1011eZZj2022eZZj3033eZZj4044Z01Z03=Z02Z04 1+ 3= 2+ 42.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器平衡条件平衡条件：必须同时调节电阻、电容两个参数必须同时调节电阻、电容两个参数1 1）电容、电阻组合常用形式：）电容

18、、电阻组合常用形式：交流电桥是电感、电容、电阻的组合。交流电桥是电感、电容、电阻的组合。13243214R RR RRRCC14321411RRRRj Cj C实部、虚部分别相等2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器平衡条件平衡条件：必须同时调节电阻、电感两个参数必须同时调节电阻、电感两个参数2）电感、电阻组合常用形式：）电感、电阻组合常用形式：实部、虚部分别相等321144RRRj LRj L13243124R RR RR LR L2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器七、电阻应变式传感器的应用1）直接用来测定结构的应变或应力2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。 弹性元件得到与被测量成正比的应变，再由应变片转换为电阻的变化。2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器2.4 2.4 电阻式传感器电阻式传感器案例：桥梁固有频率测量案例：桥梁固有频率测量2.4 2