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1、第一节 电位器式电阻传感器 第二节 应变式电阻传感器 第三节 电阻应变片的测量电路 第四节 电阻传感器应用,内容提要,学习目标,理解电位器式传感器形式；了解线绕式电位器原理；掌握应变效应、压阻效应定义及意义；掌握应变电阻传感器工作原理及测量电路；熟悉电阻传感器应用。,电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各种电器和电子设备中。它主要是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元件来使用。它们主要用于测量压力、高度、加速度、航面角等各种参数。 电位器式传感器具有一系列优点，如结构简单、尺寸小、重量轻、精度高、输出信号大、性能稳定并容易实现任意函数。其缺点是要求
2、输入能量大，电刷与电阻元件之间容易磨损。 电位器的种类很多，按其结构形式不同，可分为线绕式、薄膜式、光电式等；按特性不同，可分为线性电位器和非线性电位器。目前常用的以单圈线绕电位器居多。,一、 电位器式电阻传感器常用形式 1、 滑线式位移传感器 2、 角位移传感器 3、 分段电阻角位移传感器 4、 分段电阻直线位移传感器 二、 线绕式电位器结构和工作原理,第一节 电位器式电阻传感器,一、 电位器式电阻传感器常用形式,1、 滑线式位移传感器,2、 角位移传感器,3、 分段电阻角位移传感器,4、 分段电阻直线位移传感器,二、 线绕式电位器结构和工作原理,若电位器为空载时，根据分压原理得：,而对应的
3、电阻变化为：,表明改变测量电阻值所引起输出电压的变化为线性变化。,他们分别表明了电刷单位位移所能引起的输出电阻和输出电压的变化量，均为常数。,若电位器的负载电阻 ，则输出电压为：,表明当负载电阻不为零时，Y与r为非线性关系，则线绕电位器式传感器的负载特性为非线性。当负载电阻为空载时，U0与x才满足线性关系，则线绕电位器式传感器的负载特性为线性。,YHD型电位器式位移传感器,1测杆；2滑线电阻；3电刷；4弹簧；5滑快；6导轨；7外壳；8无感电阻。,膜盒电位器式压力传感器原理图,测小位移传感器示意图,电位器式加速度传感器示意图,第一节 电位器式电阻传感器 第二节 应变式电阻传感器 第三节 电阻应变
4、片的测量电路 第四节 电阻传感器应用,内容提要,第二节 应变式电阻传感器,一、工 作原理 1、应变效应 2、金属电阻丝应变原理 3、半导体应变原理,二、应变片的结构、材料和粘贴 1、应变片的结构 2、金属电阻应变片的材料 3、金属电阻应变片的粘贴 4、金属箔式应变片,电阻应变效应演示,一、工作原理,1、应变效应 导体或半导体材料在外（拉力或压力）力的作用时，产生机械变形，导致其电阻值相应发生变化， 这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。,2、金属电阻丝应变原理,做全微分求得：,d A=2r d r,轴向 应变,径向 应变,电阻丝的灵敏系数：单位应变所引起的电阻相对变化量,或,表示
5、金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比。,Ks=1.8 4.8,实验证明在应变极限内Ks为常数,返回,根据应力与应变的关系，得到应力值为,=E,测量原理,dR/R,3、半导体应变原理,压阻效应：沿一块半导体的某一轴向施加压力使其变形时，它的电阻率会发生显著变化，这种现象称为半导体的压阻效应。 利用压阻效应制成的传感器称为压阻传感器或半导体应变片。,当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为,半导体材料的压阻系数; 半导体材料的所受应变力; E半导体材料的弹性模量; 半导体材料的应变。,实验证明，E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为,返回,半导体应变片特点
6、优点：灵敏系数比金属丝式高5080倍 缺点：材料的温度系数大，应变时非线性比较严重， 应用范围受到限制。,利用应变片测量的基本原理： 应力值正比于应变，而应变又正比于电阻值的变化，所以应力正比于电阻值的变化。,返回,=Ex,应变片测量演示,二、应变片的结构、材料和粘贴,丝式,箔式,回线式应变片,短接式应变片,体形,薄膜型,应变片类型,实物,1、应变片的结构,1 -敏感栅， 2-基底， 3-覆盖片， 4-引线,应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。,返回,丝式应变片,（1） 敏感栅,对敏感栅的材料的要求： 应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数； 电阻率高而稳定
7、，以便于制造小栅长的应变片； 电阻温度系数要小； 抗氧化能力高，耐腐蚀性能强； 在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度； 加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材； 易于焊接，对引线材料的热电势小。,由直径为0.010.05mm的具有高电阻率的电阻丝排列成栅网状,基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。,是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。多为镀锡铜线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。,（3） 引线：,（2） 基底和覆盖片：,2、金属电阻应变片的电阻丝材料,康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由
8、于它有很多优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数， 进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；当采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在5010-6/的范围内；康铜的加工性能好，易于焊接， 因而国内外多以康铜作为应变丝材料。,3、金属箔式应变片 箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图。金属箔的厚度般为(0.0030.010)mm，它的基片和盖片多为胶质膜，基片厚度一般为(0.030.05)mm。,箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的的铜镍合金（锰白铜）,箔式应变片,厚约0.0
9、030.01mm,金属箔式应变片和丝式应变片相比较: 金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的应力状态更为接近。 其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工作。 第三，箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度。,箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大 电流，因而可以输出较大信号，提高测量灵敏度。 箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变片的使用范围。 便于成批生产。 缺点：电阻值分散性大，有的相差几十，故需要作阻值调整；生产工序较为复杂，因引出线的焊点采用锡焊，
10、因此不适于高温环境下测量；此外价格较贵。,4、金属薄膜应变片,敏感栅是用蒸镀或溅射法沉积的金属、合金薄膜制成的。在薄的绝缘基片上蒸镀上金属材料薄膜，最后加保护层形成。,也可以直接蒸镀在弹性元件的绝缘层表面，不易产生蠕变。,5、半导体应变片,6、金属电阻应变片的粘贴 选择粘结剂时必须考虑的问题： 1.要求粘接力强，粘结后机械性能可靠； 2.粘合层要有足够大的剪切弹性模量； 3.良好的电绝缘性，滞后小； 4.耐湿，耐油，耐老化，动态应力测量时耐疲劳等； 5.应变片的工作条件，如温度、相对湿度、稳定性要 求以及贴片固化时加热加压的可能性等。,应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。粘结剂形成的胶层必须准确
11、迅速地将被测件应变传递到敏感栅上。,粘结剂分为有机和无机： 有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。 无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。,粘结剂：,常用的粘结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙稀酸型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等。,粘贴工艺： 1.被测件粘贴表面处理； 2.贴片位置确定； 3.涂底胶； 4.贴片； 5.干燥固化； 6.贴片质量检查； 7.引线的焊接与固定以及防护与屏蔽等。,直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，圆弧部分使灵敏系数Ks下降，这种现象称为横向效应。,7、金属应变片的主要特性（1）横向效应,
12、应变片安装在试件上以后，在一定温度下，其 的加载特性与卸载特性不重合，在同一机械应变值下，其对应的值 ( 相对应的指示应变) 不一致。加载特性曲线与卸载特性曲线的最大差值 称应变片的滞后。 产生机械滞后的原因，主要是敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的，为了减小滞后，除选用合适的粘合剂外，最好在新安装应变片后，做三次以上的加卸载循环后再正式测量。,机戒应变,指示应变,加载,卸载,（2）机械滞后,（3） 零漂和蠕变 粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。 如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，其电阻值随时
13、间而变化的特性，称为应变片的蠕变。一般蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。 这两项指标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性，在长时间测量中其意义更为突出。 应变片在制造过程中所产生的内应力、丝材、粘合剂、基底等的变化是造成应变片零漂和蠕变的因素,（4）应变极限和疲劳寿命 对于已安装好的应变片 , 在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数 N 称为应变片的疲劳寿命。当出现以下三种情况之一时，都认为是疲劳损坏: 应变片的敏感栅或引线发生断路；应变片输出指示应变的幅值变化10%；应变片输出信号波形上出现穗状尖峰。疲劳寿命反映了应变片对动态应变测量的适应性。,（5）最大工作电流
14、和绝缘电阻 1) 最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值。工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高。但过大的工作电流会使应变片本身过热，使灵敏系数变化，零漂、蠕变增加，甚至把应变片烧毁。 2) 绝缘电阻是指应变片的引线与被测试件之间的电阻值。通常要求 50100M左右。 （6）应变片的电阻值R 应变片在未经安装也不受外力情况下,于室温下测得的电阻。 目前常用的电阻系列，习惯上为 60、120、200、350、500、1000, 其中以120最常用。取电阻值大，可以加大应变片承受电压，因此输出信号大，但敏感栅尺寸也增大,（7）动态特性,2%时，应变片的响应频率,对应变波幅值0，应
15、变片响应的应变（平均应变）p,相对误差,第一节 电位器式电阻传感器 第二节 应变式电阻传感器 第三节 电阻应变片的测量电路 第四节 电阻传感器应用,内容提要,第三节 电阻应变片的测量电路,一、直流电桥测量电路 1、电桥平衡 2、动态时电阻变化与输出关系 3、电压灵敏度 4、非线性误差及其补偿方法,二、交流电桥测量电路,三、电阻应变片的温度误差及其补偿 1、 温度误差及其产生原因 2、 温度误差补偿方法,目的：将微小应变引起的微小电阻值的变化测量出来， 同时，要把电阻相对变化 转换为电压或电流的变化。,E：为电源电压 R1、R2、R3及R4：桥臂电阻 RL：为负载电阻,一、直流电桥测量电路,当电
16、桥平衡时，Uo=0，则有,电桥平衡条件:其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。,1、电桥平衡,2、动态时电阻变化与输出关系,忽略分母中 项、分子中忽略 的二次交叉项 ：,3、电压灵敏度,设桥臂比n=R2/R1,电桥电压灵敏度定义为, 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，所以要作适当选择； 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。,求得n=1时，电桥电压灵敏度最高,所以实际使用中取,输出为：,结论：当电源电压E和电阻相对变化量R1/R1一定时， 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，与各桥臂电阻阻值大小无关。,当E 值确定后，n 取何值时才能使 SV 最高？,使用单一应变片时,4、非线性误差及其补偿方法,U0与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为,理想情况（略去分母
