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1、第六章 电参数传感器,第一节 电阻应变传感器 第二节 热电阻传感器,被测量变化导致电阻 电感或电容量变化的敏感元件统称为电参数传感器。,一、概念：电阻应变计是将被测量的力（压力、荷重、扭力等）通过它所产生的金属弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。它是由电阻应变片和测量线路两部分组成。 2、特点：参量类外加物理量引起参数变化（R、L、C），属无源式。,第一节 电阻应变传感器,二、电阻丝式应变计结构用直径为0.025mm的具有高阻率的电阻丝排列成栅网状，并粘贴在绝缘的基片上，电阻丝的两端焊接有引出导线，线栅上面粘贴有覆盖层（保护用）。可有如下形状：,l称应变片的 标距或工作基长 b称应变片的 工作宽
2、度 b*l称应变片的规格,丝式(wire gauge)箔式(foil gauge)通过光刻、腐蚀而成，散热条件好，电流密度高，灵敏度高，可制成任意形状。薄膜式 (film gauge)真空蒸镀技术制成，特点同上。,三、电阻丝的应变效应,1、应变：由于外因使物体的形状尺寸所发生的相对改变。 2、工作原理:压阻效应用相对变化量表示：受力后各部分的变化引起电阻的变化或,对于直径为r的圆形截面电阻丝：,直径与长度的关系系数：泊松系数太小，可忽略 =0.30.5 K =1.6 2 =10-6 10-3,灵敏度系数K的意义： 单位应变所引起的电阻相对变化，主要是受力后材料的几何尺寸变化引起。 3、结论：
3、金属电阻丝的电阻相对变化率与轴向应变成正比。 4、特点： 优点: 稳定性和温度特性好. 缺点: 灵敏度系数小.,五、电阻应变传感器的测量电路1、电桥的特点：当四个桥臂电阻达到某一关系时，电桥输出为零，可测微小的电阻变化，灵敏度和准确度均高。下面为直流电桥。,U0,平衡时： 测量前应调零，使输出值只与电阻的应变相关,电桥的特点（P81） ： 电桥平衡条件：仅由桥臂各参数之间的关系确定，与电源电压及指零器内阻无关。 平衡电桥各臂灵敏度相等 当R1 = R2 = R3 = R4时电桥灵敏度最大,R1,Rx,R3,A,B,C,D,U,U0,QJ23简图,QJ23电阻测量范围： 1106 准确度：0.2
4、级（在1009999内） 测量110-5小电阻应用双电桥。,2、工作原理：条件： 电桥负载电阻无穷大，Ri Ri 有：,1）单臂电桥： R1为应变片并且 R1 = R2 = R3 = R4 则：,应变前相等,2）双臂电桥： 静态时： R1 = R2 = R3 = R4 R1为拉应变片R2 为压应变片 则：,灵敏度为单臂电桥的2倍 精度高 线性好,U0,3）全桥情况： R1 = R2 = R3 = R4 均为应变片 Ri / Ri =Ki 则：,灵敏度为单臂电桥的4倍 精度高 线性好,U0,结论：差动电桥灵敏度高，可克服非线性误差，并有温度补偿作用（同向误差抵消）。电桥灵敏度正比于电桥供电电压，
5、但提高电压受到应变片允许功率的限制。采用高内阻的恒流源供电电桥可减少非线性误差。,R1,R2,R3,R4,U,U0,R1,R2,R3,R4,U,U0,直流电桥的调零,六、半导体应变片 1、压阻效应：,对半导体的某一轴向施加一定的载荷而产生应变力时，其电阻率会发生一定的变化。,2、压阻效应的大小用压阻系数来表示：,纵向所受应力,横向压阻系数,纵向压阻系数,横向所受应力,电阻率的相对变化率,若只沿其纵向受到应力，令则,半导体材料的弹性系数 纵向的应变,其中第一、二项是几何形状变化对电阻的影响，其值约为12；第三项为压阻效应的影响，其值约为第一、二项的5070倍。,3、特点：灵敏系数高，可测微小应变
6、，机械迟滞和横向效应小，体积小。但温度稳定性差，灵敏系数非线性大，需补偿,七、应用方法 方法一：将电阻应变片直接贴在被测点上，用专门的电阻应变仪测出该点的应变。 方法二：将其贴在弹性元件上，弹性元件在被测物理量作用下变形应变片作为传感元件将应变转换为电阻的变化。,被测量（力）受力结构的应变电阻的变化率 最终电阻变化率与受力结构相关（形状、尺寸、材料、热处理、加工厚度、角度）,误差分析： 1、横向效应横向缩短作用引起的电阻值的减小对于轴向伸长作用引起的电阻值的增加量起着抵消的作用，它使所测应变数值偏小，或说使应变片灵敏系数减小。弯曲半径越大，横向效应也越大。通过改变电阻丝排列的形状可减小之。,2
7、、温度影响：由于环境温度改变引起电阻值变化 1） 由电阻丝温度系数引起； 2） 由电阻丝与被测件材料的线膨胀系数1、2的不同引起的。当温度变化t, 应变片电阻的增量Rt可用下式表示： Rt=Rt+RK(1- 2)t= R+K(1- 2t 令 t= +K(1- 2) 则： Rt= Rtt,1）热敏电阻补偿（串联弹性模量补偿电阻器降低电桥输出电压） T KU0 U0 RtU0 ,2)工作片：承受应力补偿片：不受应力,U0不变,R3,R4,U0,U,R1,R0,Rt,R2,U0,补偿片,工作片,温度补偿,2. 蠕变自补偿：因其材料的滞弹性效应而存在固有微蠕变特性： 基底存在粘弹性 贴片用粘结剂存在粘
8、弹性 敏感栅材料滞弹性效应 迭加后的结果是呈现或正或负的蠕变特性 补偿方法：通过改变敏感栅结构设计、调整基底材料配比及关键工艺参数。 选择蠕变与弹性体固有蠕变数值相等但方向相反的应变计,3.弹性模量自补偿：材料的弹性模量一般随着环境温度的升高而下降根据虎克定律：=/E，随着温度的升高构件的变形量将增大，因而应变计所测量的应变也随之增加。补偿原理：根据R/R=K，如果应变计的灵敏系数K能随温度升高而适当降低，则应变计的输出不随温度改变。补偿方法：将弹性模量与弹性体材料良好匹配。则传感器温度灵敏度漂移可优于0.001%F.S。补偿特点：精度、灵敏高、稳定性好、简单、价廉。问题：应变计热输出值较大，
9、致使传感器输出电阻温度系数超差，零点温度漂移较大。应兼顾温度自补偿与弹性模量。,另外须注意的事项：应变极限，疲劳寿命，绝缘电阻，最大电流。,分类,应变计,金属应变计,压电二极管,压电晶体管,半导体应变计,丝 式,箔 式 薄膜式,薄模型,体 型,扩散型,第二节 热电阻传感器,概念：利用电阻随温度变化的特性制成的传感器。 主要检测参数：温度、与温度有关的 参量。 分类：1）金属热电阻（热电阻）2）半导体热电阻（热敏电阻）,一、金属热电阻（热电阻）1、材料：要求有大的、稳定的温度系数，大，线性好，性能稳定，便于生产（铜、铂、镍）。 2、特点：测温精度较高，范围广（-2006000 C），稳定性、重复
10、性好。但热惯性大，灵敏度低。 3、结构：热电阻是由电阻体、绝缘套管和接线盒等主要部件组成的，电阻丝是热电阻的 最主要部分。,4、特点 1）铂电阻阻值与温度的函数关系为:,其中：A, B, C 为常数,特点：精度高、稳定性好、性能可靠。测温范围广。 我国分度： R0 = 46 BA1R0 =100 BA2R100 / R0 = 1.391 结构：用很细的铂丝绕在云母片制成的平板性支架上，铂丝绕组的出线端与银丝引出线相焊，并穿上瓷套管加以绝缘和保护。 微型铂电阻: 特点是体积小，热惯性小气 密性好,2）铜电阻 适用范围：-501500C ,精度要求不高的场合 优点：铜的电阻与温度呈线性关系电阻温度
11、系数高易提纯，价格便宜 缺点：机械强度不高、易氧化等, 温度范围小。,阻值与温度的函数关系为:.25.2810-3 /0C 分度号: G R0=53 WZG型（常用铜热电阻）3）其它金属热电阻：铟电阻，锰电阻，碳电阻,5、测温电路： 用电桥作为传感器的测量电路，在进行温度测量时特点是精度高，适于测低温。 热电阻的三线制：工业上用的铂电阻的引线为三根，目的是消除连接线电阻的影响。,R2,Rt,R4,Rt,R1,t,A,t,Uf,Rt,+,-,t,t,R,二、热敏电阻 1）分类： 直热式：由金属氧化物粉料（半导体）按一定比例挤压成型。 旁热式：除半导体外还有金属丝绕制的加热器。 2）特点：非线性：
12、R与T呈指数关系,V与I的变化不服从欧姆定律,稳定性差，一致性差（同一型号差35%）灵敏度高（可测量0.001 0.005度的微小变化）热惯性小，结构简单，使用广泛。本身电阻止在3700, 可用于远距离测量在-50350度范围内, 线性度好,片式负温度系数热敏电阻,BN系列珠状NTC热敏电阻器,GN系列玻壳型NTC热敏电阻器,PN系列功率型NTC热敏电阻器,SN系列温度传感器,3）温度特性： NTC：具有负温度系数，阻值随温度升高而下降，一般-503000C PTC：具有正温度系数，阻值随温度升高而升高 NTC与PTC均有突变型与缓变型，但NTC以缓变型多， PTC以突变型多。 电阻温度系数大
13、： NTC -2-6%/0CPTC 1-10%/0C,作 业,4）用途测微弱的温度变化，点温、面温，快速温度测量，低精度测温； 温度补偿； 温度开关； 温度控制； 稳定振幅、放大倍数、输出电压等。,热电阻的测温电路:电桥测温,R2,R3,R4,A,- +,U,R2,R3,R4,B,U,A,+ -,R1t,R1t,双桥温差测量电路,温度补偿 例：应变片测量的温度补偿,1、定义：电感传感器是将被测量转换为线圈的自感或互感的变化来测量的装置。 2、特点：结构简单、可靠，输出功率高，分辨力高（0.01m),灵敏(几百mV/1mm)线性较好(0.050.1%），稳定，抗干扰能力强。但频率响应低，不宜进行
14、快速动态测量。,概述,一、简单自感传感器工作原理 1、结构：由线圈、铁心 和衔铁组成。,第三节 自感传感器,2、线圈自感电动势：,3、线圈自感电动势：,一般导磁体的磁阻与空气隙的磁阻相比很小，可忽略。,空气隙相对截面积,空气隙厚度,可变磁阻式,自感型,-,可变磁阻式位移传感器,(,a),(,b,),(,c),(,d,),（,a,）,可变导磁面积型；（,b,）,差动型；（,c,）,单螺管线圈型；（,d,）,双螺管线圈差动,灵敏度 线性 行程 制造 变 高 差 小 难 变S 较高 好 大 较易 螺管式 低 差 大 易,二、自感传感器类型分三个类型：,三、差动自感传感器1、组成：由两个具有公共衔铁的完全相同的自感传感器组成，衔铁处于中间位置时，U0=02、特点：抗干扰能力强，灵敏度提高一倍，线性好，精度及特性变好，电磁吸力对测量力的影响相互抵消。,四、测量电路（LI/V 的幅值、频率、相位的变化）基本测量电路通常都采用交流桥路,1、一般电桥,Z1 =Z+Z Z2 =Z-Z,U,U,U0,U0,四、测量电路基本测量电路通常 都采用交流桥路,四、测量电路基本测量电路通常 都采用交流桥路,如衔铁上移： 1L1 Z1 =Z+Z 2L2 Z2 =Z-Z,2、变压器电桥,如衔铁下移：Z1 =Z-Z Z2 =Z+Z 相差1800,变压器电桥简单，输出阻抗小，应用广泛。,
