检测与转换技术第2章电阻传感器

1、1第二章 电阻式传感器2本章主要内容电阻应变片传感器电阻式传感器：将被测量的变化转换成电阻阻值变化 本章重点掌握电阻应变片测量原理。了解电阻应变片种类。掌握电阻应变传感器信号调理电路直流电桥的工作原理和典型测量电路的工作特性。掌握热电阻传感器的测量原理和测量电路特性。 32.1 电阻应变式传感器 应变效应： 导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化。电阻应变式传感器组成： 主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。4 一、电阻应变效应现象观察5应变片在悬臂梁上的粘贴及变形 长为L、横截面积为S、电阻率为的单根金属丝，电阻为： 对电阻丝长度作用均匀应力，则、L、S的

2、变化(d、dL、dS)将引起电阻R变化dR。 电阻相对变化量为： 或二、电阻丝的应变效应若电阻丝是圆形的，则S=r ,对r 微分得dS=2r dr，则： 于是有ll+ dl2r2(r-dr)F令 金属丝的径向应变。 金属丝的轴向应变； 由材料力学的知识：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为： ：电阻丝材料的泊松比。合并之后可得 K 称为金属丝的灵敏系数，表示单位应变所引起的电阻的相对变化。其中 对于确定的材料，(1+2v)项是常数，其数值约在12之间，实验证明(/)/L 也是一个常数。于是所以有沿轴向施加的外力材料的弹性模量 金属式、半导体式1金属

3、式电阻应变片： 92.1.2 应变片种类10（a）金属丝式： 图 金属丝式应变片的内部结构图 金属丝式应变片制作示意图11（b）金属箔式应变片： 金属箔式电阻应变片金属箔式应变片的外形 电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻技术、腐蚀等工序制成的一种很薄的金属箔栅。金属箔的厚度在0.0030.010mm之间。 箔式应变片优点：箔栅很薄、箔材表面积大、散热条件好，测量精度较高。箔式应变片缺点：灵敏系数低，价格较丝式昂贵。薄膜应变片：采用真空蒸发或真空沉积的方法，将金属敏感材料直接镀制于弹性基片上。箔式应变片优点：应变灵敏系数高，稳定性好、可靠性高、工作温度范围宽(-100 180 )、使用寿命长

4、、成本低。12（c）金属薄膜式： 金属薄膜式电阻应变片薄膜式应变片缺点：难控制其电阻对温度和时间的变化关系。132半导体应变片： 半导体应变片的外形半导体应变片压阻效应： 一块半导体材料的某一轴向受到一定作用力时，电阻率发生变化。优点： 其灵敏系数很高(约为丝式和箔式的50倍) ，机械滞后小、横向效应小，体积小等。缺点： 电阻值及灵敏系数的温度稳定性差，测量较大的应变时非线性严重，灵敏系数的离散度较大等。 143. 应变片主要性能指标举例思考题：上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？ 15测量电桥： 电桥是将电阻、电感、电容等参数的变化变换为电压或电流输出的一种测量电路。由于电桥电路具

5、有灵敏度高、测量范围宽、容易实现温度补偿等优点，因此被广泛采用。电桥根据电源的性质可分为直流电桥和交流电桥两类。 平衡电桥：把待测电阻与标准电阻进行比较，通过电桥平衡，从而测得待测电阻阻值。 非平衡电桥：通过桥式电路来测量电阻，根据电桥输出的不平衡电压，进行运算处理，从而得到引起电阻变化的其他物理量。 2.1.3 电阻应变传感器测量电路162022/8/26 10:21 一、惠斯登电桥平衡测量1工作原理检流计G中无电流时，电桥达到平衡。 电桥平衡的条件为:R1 R3 =R2 R4设R1= Rx 为被测电阻，则:最常用的单臂直流电桥用来测量约 1 到0.1M电阻。I1R1 =I2 R2E+GR2

6、R3R1R4IGI3R3 =I4 R4电桥平衡，G无电流，I2 =I3 I1 =I4 172022/8/26 10:21二、惠斯登电桥不平衡测量（偏转测量）1工作原理和差特性这种方法测量的不是电桥恢复平衡所需的作用量，而是测量两个分压器之间的电压差或测量通过跨接在分压器之间的检测器的电流。 根据直流电桥的平衡条件：E+ABCDR1R4R3R2RgI1I4I3I2U182022/8/26 10:21工作时，若各臂的电阻都发生变化，即：电桥电压输出近似为2.三种典型桥路的输出特性（1）单臂电桥： 拉伸电桥至少有一个桥臂的电阻发生变化，电桥才有输出电压 192022/8/26 10:21（2）双臂电

7、桥： 拉伸压缩如果电桥两个桥臂电阻发生变化，且变化量相同时，则必须满足：相邻两个桥臂电阻发生变化，且变化趋势相反；或者相对两个桥臂电阻变化，且变化趋势相同时，才能保证电桥有输出，且输出为单臂电桥的二倍 202022/8/26 10:21（3）四臂电桥（全桥）： 全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂灵敏度最低。如果电桥四个桥臂电阻同时变化，必须同时保证相邻两个桥臂电阻变化趋势相反，相对两个桥臂电阻变化趋势相同，才能保证电桥输出最大，且输出为单臂电桥的四倍 三、 应变电阻温度补偿212022/8/26 10:21利用电桥相邻两臂同时产生大小相等，符号相同的电阻增量不会破坏电桥平衡(无输

8、出)的特性来达到补偿。 将两个特性相同的应变片，用同样方法粘贴在同样材质的两个试件上，置于相同的环境温度中，一个承受应力，为工作片，另个不受应力，为补偿片。在测量时，如温度变化，两个应变片引起的电阻增量不但符号相同，而且数量相等。由于它们接在电桥的相邻两臂上，桥路仍然平衡。电桥如有输出，则完全是由应变引起的。 方法：2.1.4电阻应变传感器命名与选择1. 应变片命名规则 222. 应变片选择方法 23步骤选择参数考虑内容1应变片的系列应用精度、环境条件等2敏感栅栅长试件材料大小尺寸、粘贴面积、安装条件、应变梯度等3敏感栅结构应变梯度、应力种类、散热条件、安装空间、应变计电阻等4标称电阻使用条件

9、、功耗大小、最大允许电压等5温度自补偿系数试件材料类型、工作温度范围、应用精度等6蠕变补偿代号弹性体的固有蠕变特性、实际测试的精度、工艺方法、防护胶种类、密封形式等7引线连接方式根据实际需要选择应变计的引线连接方式。242.1.5 电阻应变传感器的应用 电阻应变传感器的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。 电阻应变片的应用可分为两大类： 第一类：将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。 25荷重传感器原理演示 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。 26第二类：将应变片粘贴于某些弹性元件上，并将其接到测量转换电路应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性元件，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路。 27应变片在悬臂梁上的粘贴及变形281. 电阻应变式传感器的应用测力应变片受压形变292.电子