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1、第2章 电阻式传感器,电子工业出版社 自动检测与转换技术,第2章 电阻式传感器,电位式传感器可以测量位移、压力、加速度、容量、高度等多种物理量。 电位器可分为线性电位器和非线性电位器。 2.2.1 线性电位器线性电位器由绕于骨架上的电阻丝线圈和沿电位器滑动的滑臂，以及安装在滑臂上的电刷组成。线绕电位器传感元件有直线式、旋转式或两者相结合的形式。线性线绕电位器骨架的截面处处相等，由材料和截面均匀的电阻丝等节距绕制而成。,2.2 电位器式传感器,图2.14 直线位移电位式传感器示意图,图2.15 电位器式角度传感器,第2章 电阻式传感器,线绕电位器的阶梯特性如图2.16所示。 对理想阶梯特性的线绕
2、电位器，在电刷行程内，电位器输出电压阶梯的最大值与最大输出电压之比的百分数，称为电位器的电压分辨率，其公式为线性电位器误差的大小可由下式计算：由图2.18可见，无论m为何值，X=0和X=1，即电刷分别在起始位置和最终位置时，负载误差都为0；当X=1/2时，负载误差最大，且增大负载系数时，负载误差也随之增加。,图2.16 线绕电位器的理想阶梯特性,图2.17 带负载的电位器电路,图2.18 线性电位器误差df与m、X的曲线关系,第2章 电阻式传感器,2.2.2 非线性电位器 非线性电位器是指在空载时其输出电压（或电阻）与电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器，也称函数电位器。它可以实现指数函
3、数、对数函数、三角函数及其他任意函数，因此可满足控制系统的特殊要求，也可满足传感、检测系统最终获得线性输出的要求。常用的非线性线绕电位器有变骨架式、变节距式、分路电阻式及电位给定式四种。,图2.19 变骨架高度式非线性电位器,图2.20 对称变骨架高度式非线性电位器,第2章 电阻式传感器,2.2.3 电位器式传感器应用 1位移传感器 电位器式位移传感器常用于测量几毫米到几十米的位移和几度到360的角度。电位器传感器结构简单，价格低廉，性能稳定，能承受恶劣环境条件，输出功率大，一般不需要对输出信号放大就可以直接驱动伺服元件和显示仪表。,图2.21 推杆式位移传感器,第2章 电阻式传感器,第2章
4、电阻式传感器,2电位器式压力传感器电位器式压力传感器由弹簧管和电位器组成。电位器被固定在壳体上，电刷与弹簧管的传动机构相连。当被测压力p变化时，弹簧管的自由端产生位移，带动指针偏转，同时带动电刷在线绕电位器上滑动，就能输出与被测压力成正比的电压信号。,图2.22 电位器式压力传感器,第2章 电阻式传感器,第2章 电阻式传感器,2.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数，是目前应用最广泛的传感器之一。,第2章 电阻式传感器,2.3 电阻应变式传感器金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R 变大。,金属的电阻应变效应：金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压
5、缩）的大小而发生相应变化。,第2章 电阻式传感器,电阻受力为何阻值发生了变化？力和阻值有关系吗？,物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。这种内力称为应力。材料在单位截面上所承受的垂直作用力称为应力。 物体产生应力时，体内各点处变形程度一般并不相同。用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变。在外力作用下，单位长度材料的伸长量或缩短量，称为应变量，简称应变。 在一定的应力范围（弹性形变）内，材料的应力与应变成正比，它们的比例常数称为弹性模量或弹性系数。对于一定的材料，弹性模量是常数，弹
6、性模量越大，在一定应力下，产生的弹性变形量越小。,第2章 电阻式传感器,2.3.2 电阻的应变效应 金属的电阻应变效应：金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应变化。当金属丝受拉时，其长度伸长dl，横截面将相应减小dS，电阻率也将改变dr，这些量的变化，必然引起金属丝电阻改变dR，即令 金属丝的轴向应变量； 金属丝的径向应变量。根据材料力学原理，金属丝受拉时，沿轴向伸长，而沿径向缩短，二者之间应变的关系为,第2章 电阻式传感器,令K 称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。显然，越大，单位变形引起的电阻相对变化越大，故灵敏度越高。金属丝的灵敏系
7、数 K 受两个因素影响：第一项（1+2m），它是由于金属丝受拉伸后，材料的几何尺寸发生变化而引起的。金属丝电阻的变化主要由材料的几何形变引起 （电阻应变式传感器）第二项 ，它是由于材料发生变形时，其自由电子的活动能力和数量均发生变化的缘故。（压阻式传感器，锗、硅等半导体）实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化dR/R与应变ex是成正比。,第2章 电阻式传感器,二、电阻应变片的种类与结构1丝式应变片2箔式应变片3薄膜应变片4半导体应变片,第2章 电阻式传感器,丝式应变片,1基底；2电阻丝；3覆盖层；4引线,第2章 电阻式传感器,金属丝式应变片的内部结构,第2章 电阻式传感器,箔式应变
8、片,第2章 电阻式传感器,箔式应变片的外形,第2章 电阻式传感器,当将直线金属丝做成敏感栅之后，电阻应变特性不呈直线，因此必须用实验测定。实验表明：应变片的灵敏系数恒小于同一材料金属丝的灵敏系数（横向效应影响），应变片的 与的关系在很大范围内仍然有很好的线性关系，应变片的灵敏系数通过抽样测试得到。在每批产品中提取一定比例，一般为，测定灵敏系数值，然后取其平均值作为这批产品的灵敏系数，这就是产品包装盒上的“标称灵敏系数”。,第2章 电阻式传感器,2.3.3 应变片测试原理用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于被测对象上的。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随
9、其发生相同的变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。根据应力-应变关系可以得到应力值s。通过弹性敏感元件转换作用，将位移、力、力矩、加速度、压力等参数转换为应变，因此可以将应变片由测量应变扩展到测量上述参数，从而形成各种电阻应变式传感器。,第2章 电阻式传感器,弹性敏感元件1弹性圆柱 柱式弹性元件具有结构简单的特点，可承受很大的载荷。轴向应力的应变量横向应力的应变量,第2章 电阻式传感器,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。,第2章 电阻式传感器,应变式荷重传感器外形及受力位置,F,F,第2章 电阻式传感器,汽车衡,第2章 电阻式传感器,汽车衡称重
10、系统,第2章 电阻式传感器,2.悬臂梁 （1）等截面梁。一端固定，另一端自由，且截面为矩形的梁称为等截面悬臂梁。等截面悬臂梁所受作用力 F 与某一位置处的应变关系可按下式计算： （2）等强度梁。等截面梁的不同部位所产生的应变是不相等的，当作用力 F 加在梁的两斜边的交汇点处时，等强度梁各点的应变值为：,弹性敏感元件,第2章 电阻式传感器,称重系统应用,第2章 电阻式传感器,电子秤,磅秤,超市打印秤,第2章 电阻式传感器,金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。有一金属箔式应变片，标称阻值R0为100，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢
11、质圆柱体上，钢的弹性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R 的变化量仅为0.2，所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如何将R /R转换为输出电压Uo的。,四、测量转换电路,第2章 电阻式传感器,2.3.4 测量电路1直流电桥工作原理输出端电压Uo为 电桥的平衡条件,图2.25 电阻电桥,第2章 电阻式传感器,2电阻应变片测量电桥（1）应变片单臂工作直流电桥（2）应变片双臂直流电桥（半桥）（3）应变片直流全桥电路 全桥工作时，输出电压最大，检测的灵敏度最高。,图2.26 单臂工作直流电桥,图2.27 双臂直流电桥,图2.28
12、直流全桥电路,第2章 电阻式传感器,全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1 R4产生的电阻增量（或感受到的应变14）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。,第2章 电阻式传感器,结论： 用直流电桥做应变的测量电路时，电桥输出电压与被测量成线性关系，而在相同条件下，差动工作电路输出信号大，半桥差动输出是单臂的2倍，全桥差动输出是单臂输出的4倍。即全桥工作时，输出电压最大，检测的灵敏度最高。,第2章 电阻式传感器,4应变片的温度误差及其补偿（1）温度误差:因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素是：一、应变片的电阻丝具有一定的温度系数；二、电阻丝材料与测试材料的线膨胀系
13、数不同。由温度变化形成的总电阻变化为电阻的相对变化量为（2）温度补偿 单丝自补偿应变片 双丝组合式自补偿应变片 桥式电路补偿法,图2.29 桥式电路补偿电路,第2章 电阻式传感器,应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,第2章 电阻式传感器,电子天平的精度可达十万分之一,电子天平,第2章 电阻式传感器,人体秤,第2章 电阻式传感器,吊钩秤,便携式,第2章 电阻式传感器,应变式数显扭矩扳手,可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2500N.m，耗电量10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。,第2章 电阻式传感器,电阻应变仪,第2章 电
14、阻式传感器,材料应变的测量,第2章 电阻式传感器,2.4 电阻应变式传感器的应用,1测力传感器电阻应变式传感器的最大用武之地是在称重和测力领域。这种测力传感器由应变计、弹性元件、测量电路等组成。根据弹性元件结构形式（柱形、筒形、环形、梁式、轮辐式等）和受载性质（拉、压、弯曲、剪切等）的不同，它们可分为许多种类。 （1）柱式力传感器。圆柱式传感器的弹性元件如图2.31所示。,图2.31 应变片粘贴在柱形弹性元件上,第2章 电阻式传感器,用柱式力传感器可制成称重式料位计。如图2.32所示。 （2）梁式力传感器：可制成称重电子秤、加速度传感器等。如图2.33所示。,图2.32 称重式料位计,1等强度
15、悬臂梁；2应变片；3质量块 图2.33 应变式加速度传感器,第2章 电阻式传感器,2压力传感器 压力传感器主要用于测量流体的压力。根据其弹性体的结构形式可分为单一式和组合式两种。,1插座；2基体；3温度补偿应变计；4工作应变计；5应变筒 图2.34 筒式应变压力传感器,第2章 电阻式传感器,3位移传感器应变式位移传感器是把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变，然后通过应变计和应变电桥，输出正比于被测位移的电量。它可用于近测或远测静态或动态的位移量。如图2.35（a）所示为国产YW系列应变式位移传感器结构。这种传感器由于采用了悬臂梁-螺旋弹簧串联的组合结构，因此它适用于10100mm位移的测量。
16、其工作原理如图2.35（b）所示。,1测量头；2弹性元件；3弹簧；4外壳；5测量杆；6调整螺母；7应变计 图2.35 YW型应变式位移传感器,第2章 电阻式传感器,2.5 压阻式传感器,2.5.1 压阻效应与压阻系数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。常见的半导体应变片采用锗和硅等半导体材料作为敏感栅。根据压阻效应，半导体和金属丝同样可以把应变转换成电阻的变化。由于半导体材料的各向异性，当硅膜片承受外应力时，同时产生纵向（扩散电阻长度方向）压阻效应和横向（扩散电阻宽度方向）压阻效应。则有半导体应变片的灵敏系数为2.5.2 测量原理 位置合适，满足,就可以形成差动效果，通过测量电路，获得最大的电压输出灵敏度。,
