数控技术 (3)

1、1,第二章 电阻式传感器,2,3,变阻器式传感器产品,4,第一节 电位器式传感器,5,一、线绕电位器式传感器,6,1. 线绕电位器的结构和工作原理,（1）结构,7,线绕电位器的结构,8,图 21 工作原理图,2、线绕电位器的输出特性,（1）空载下,对应的电阻变化为：,则,SR和Sv为线绕电位器的电阻和电压灵敏度,9,KL = , 有载特性,结论：K L不能太小！,KL = ,10,2.线绕式电位器的阶梯特性、误差和分辨率,阶梯特性是由滑动触点(电刷)在移动过程中, 从一匝滑到另一匝时电阻值产生突变所引起的。其阶梯值U为：,n 绕线总匝数, 阶梯特性及产生原因,11,阶梯误差,电压分辨率,行程分

2、辨率,12,(4)负载误差,相对电压输出表达式为：,从负载特性曲线可知，KL越大，相对输出的线性越好。由负载所引起输出非线性误差称为负载误差，由下式表示：,空载时,则,故,13,3. 非线性线绕电位器结构,14,4.线绕式电位器的结构形式与制作材料,电阻丝：电阻系数高，电阻温度系数小，强度高，延展性好，对铜的热电式尽可能小，耐磨耐腐蚀，焊接性好。 电刷：通常由具有弹性的金属薄片或金属丝制成，末端弯曲形成弧形。 骨架：形状稳定，电气绝缘好，有足够的刚度和强度，散热性好，耐潮湿，易加工。,15,2、导电塑料电位器,基体、电阻膜带、电刷、转轴、导电环,合成膜电位器 金属膜电位器,集成光电子技术,优点

3、：精度、寿命、分辨率、可靠性高、阻值范围宽,缺点：温度范围窄、输出电流小、输出阻抗较高 结构复杂、体积和重量大,16,三、电位器式传感器的应用,1、航空飞行高度传感器,17,YCD-150型远程压力表 电位器式位移传感器 小位移电位器式传感器,压力表,位移传感器,18,应变计,金属应变计,19,20,应变计,金属应变计,21,22,第二节 应变式电阻传感器,一. 应变效应,导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而是电阻值发生变化的现象称为“应变效应”。,原理：应变效应、压阻效应,作用：测量力、力矩、压力、加速度、重量等,23,二. 电

4、阻应变片种类、结构及其工作原理,电阻应变片,1. 金属电阻应变片的结构及其工作原理,（1）结构：,24,箔式应变计的优点：,25,敏感栅 金属丝式应变片 箔式应变片 金属薄膜应变片 对制作敏感栅的材料的要求 基片和覆盖层 引线 黏结剂,26,(2) 工作原理,27,轴向线应变,其中，,轴向 线应变,28, 金属材料的电阻相对变化与线应变成正比,令：,金属丝的应变电阻效应以结构尺寸变化为主， Ks=1.8 4.8,29,（2）绝缘电阻,几十 几百兆欧,金属电阻应变片的主要特性,(1)应变片电阻值,原始电阻值,30,（3）灵敏系数K,K与 K0 相同吗？,(4)允许电流,应变片允许通过的最大电流,

5、（5）横向效应及横向效应系数,31,标定条件下：,横向效应,横向效应系数,直角横栅、箔式应变计,如何减小横向效应,32,（6）机械滞后Zj,（7）应变极限,非线性误差达到10%的应变值 应变极限,（8）蠕变 和零漂P0,33,（9）疲劳寿命,恒幅交变力作用下，连续工作至疲劳损坏时的循环次数 疲劳寿命,34,（1）敏感栅电阻值（T）,故,折合成附加应变为,35,（2）线膨胀系数不匹配,由于 与 不等，使得应变片产生附加变形,其附加应变为,折合成电阻变化为,为敏感栅长度，环境变化 时，敏感栅受热膨胀至 敏感栅下的试件受热膨胀为 ， 和 为试件材料和敏感栅的线膨胀系数。,36,将以上两种情况综合考虑

6、，因温度改变引起的总的电阻相对变化为,相应的附加应变（虚假应变或应变误差）为,37,2、热输出的补偿方法,单丝自补偿,(1)应变片温度自补偿法,双金属敏感栅自补偿应变片,即,38,Ra是工作臂，Rb与串联外接RB组成补偿臂，适当调节它们之间的长度比和外接电阻RB的数值，就可以使两臂由于温度变化而引起的电阻变化相等或接近，使应变片实现温度自补偿，即,由此可求得,39,（2）电路补偿法,（3）热敏电阻电路补偿法,40,2.半导体应变片的结构和工作原理,：压阻系数 ：应力,由于弹性模量,故灵敏系数为,41,三 电阻应变片的测量电路,42,一、应变电桥,43,1. 直流电桥,（1）平衡条件：,或,此时

7、,44,桥臂比：,并有,故可得,电桥灵敏度为,（1）电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，需适当选择； （2）电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，需恰当选择桥臂比n，可保证电桥具有较高的电压灵敏度。,45,当n为何值，Sv最高,由,故可得当n=1时，Sv最大，即 电压灵敏度最高。,时，电桥的,将前面的式子简化可得,所以,46,（3）非线性误差及其补偿的方法,减小或消除非线性误差的方法有（a）提高桥臂比；（b）采用差动电桥；（c）采用高内阻的恒流源电桥。,47,半桥差动电路,若,则可得,全桥差动电路,48,高内阻恒流源电桥

8、,解之得,若,49,平衡条件,输出电压,或,或,50,（2）交流电桥的调平方法,电阻调平法,i .串联电阻法,ii. 并联电阻法,51,电容调平法,i. 差动电容法,ii. 阻容调平法,52,(3)交流电桥不平衡状态,单臂交流电桥,差动交流电桥（半桥差动电路）,双差动交流电桥（全桥差动电路）,53,筒(柱）形结构传感器,54,适用频率：10 60Hz,（2）应变计式加速度传感器,55,3、梁力式传感器,等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬臂梁。梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁长为L，粱厚为h。力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，故在对L方向上粘贴应变片位置要求不严。,5

9、6,3、 应变式压力传感器,测量气体或液体压力的薄板式传感器，如图所示。当气体或液体压力作用在薄板承压面上时，薄板变形，粘贴在另一面的电阻应变片随之变形，并改变阻值。这时测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压。 圆形薄板固定形式：采用嵌固形式，如图（a）或与传感器外壳作成一体，如图 (b)。,57,例2.1 如果将100电阻应变片贴在弹性试件上，若试件受力横截面积S=0.510-4m2，弹性模量E=21011N/m2，若有F=5104N的拉力引起应变电阻变化为1，试求应变片的灵敏度系数K？,解：由题意得应变片电阻相对变化量为,根据材料力学理论可知，应变,为试件所受应力,故应变,应变片灵敏度系数

10、,58,例2.2 一台用等强度梁作为弹性元件的电子秤，在梁的上下面各贴两片相同的电阻应变片（K=2）如图（a）所示，已知 。现将四个应变片介入图（b）直流桥路中，电桥电源电压U=6V，当力F=0.5kg时，求电桥输出电压Uo？,59,例2.3 采用四片相同的金属丝应变片（K=2），将其贴在实心圆柱形测力弹性元件上，如图（a）所示，力F=1000kg，圆柱断面半径r=1cm，弹性模量 ，泊松比=0.3，求,（1）画出应变片在圆柱上粘贴位置及相应测量桥路原理图 （2）各应变片的应变？电阻的相对变化量R/R=？ （3）若供桥电压U=6V，求桥路输出电压Uo=? （4）此种测量方式能否补偿环境温度对测

11、量的影响？说明原因。,60,例2.4 采用四个性能完全相同的电阻应变片（灵敏度系数为K），将其贴在薄壁圆筒式压力传感元件外表圆周方向，弹性元件周围方向应变,式中，p为待测压力，为泊松比，E弹性模量，d筒内径，D筒外径。现采用直流电桥电路，供电桥压U,要求满足如下条件：（1）该压力传感器有温度补偿作用；（2）桥路输出电压灵敏度最高。试画出应变片粘贴位置和相应桥路原理图并写出桥路输出电压表达式。,按题意要求圆周方向贴四片相同应变片组成等臂全桥电路。当四片全感受应变时，桥路输出信号为零，故在此种情况下，要求有补偿环境温度变化的功能，同时桥路输出电压还要足够大，应采取参比测量方式，即两片R1、R3贴在有应变的圆筒壁上作为敏感元件，而另两片R2、R4在不感受应变的圆筒外壁上作为温补元件，,61,如图（a）所示。然后再将四个应变电阻接入图（b）桥臂位置上，此时被测压力变化时