传感器1电阻式传感器1

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1、传感器测量原理(1),本章学习要求：,1.掌握电阻式传感器的工作原理 2.了解电阻式传感器的结构、分类 3.了解电阻传感器的测量电路 4.了解电阻传感器的应用,工程测试技术基础,第二讲 传感器测量原理（1）,2.1 概述,1. 传感器定义,传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。,目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。,转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。,基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路）

2、，便可转换成电量输出。,传感器的组成,敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。,弹性敏感元件（弹簧管）,弹簧管(布尔登管）将压力转换为角位移,P418,最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。,由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。,实

3、际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。,本课中，传感器泛指将一个被测物理量按照一定的物理规律转换为另一物理量的装置，着重研究装置的信号转换规律，并不严格区分其是一个敏感元件还是一个传感器。,2、按传感器的工作机理，分为结构型与物性型,1、按照被测物理量，分为位移、压力、振动、温度传感器等，表明传感器的用途,传感器的分类,结构型传感器：依赖结构参数的变化实现信息转换 场定律,2)物性型传感器：依赖敏感元件的物理特性的变化实现信息转换 物质定律,3、按传感器使用电源与否：分为有源传感器和无源传感器；按传感器的能量转换情况，分为能量控制型传感器和能量转换型

4、传感器,4、按照工作原理分类：十大类,电阻式 电感式 磁电式 压电式 电容式,光电式 热电式 陀螺式 机械式 流体式,5、按传感器输出信号，分为开关型、模拟型和数字型,P163 表4.1 常用传感器类型及作用原理,2.2 电阻式传感器,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器,第二讲 传感器测量原理（1）,3个参数中的1个或数个发生变化，电阻R就变化！,按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、压阻式.,（一）变阻器式传感器的构造与原理 1.机械结构 2.物理模型 3.数学模型,一、 变阻器式传感器（电位器式传感器）,变阻式传感器,等效电路分析:,l 电位计电阻元件长;

5、 x 电刷移动量. R 总电阻; Rx电刷电阻;,l,x,=,R,Rx,=,Ui,Uo,变阻式传感器,电位计,电位计空载输出电压,当电位计结构及电源电压确定后，理想线性电位计KR和KU为常数，因此线性电位计输出电压与电刷位移（或转角）成呈线性关系。,动手做一做,如何变成传感器? 一个具体的工程实例: 请将电位器接入实际身高测量应用中.,1.结构误差 阶梯特性与阶梯误差,（二）工程应用中存在的问题,阶梯误差是一种原理误差，它限制了电位计的精度和分辩力。,2.负载特性 负载特性与负载误差,若使非线性误差(1020) R,m为电位计的负载系数,（三）产品及应用,某些电刷结构,由于测量领域的不同，电位

6、器结构及材料选择有所不同。但是其基本结构是相近的。电位器通常都是由骨架、电阻元件及活动电刷组成。常用的线绕式电位器的电阻元件由金属电阻丝绕成。,按制作方式：,线绕电位器,线绕电位器,薄膜电位器,(四) 变阻器式传感器的性能参数: 1)线性(或曲线的一致性); 4)移动或旋转角度范围; 2)分辨率; 5)电阻温度系数; 3)整个电阻值的偏差; 6)寿命,(3)变阻器式传感器的分类,按测量类型：,单圈电位器,多圈电位器,直线滑动式电位器,特点及应用,优点 结构简单,性能稳定,输出信号大,受外界条件影响小等优点 缺点 动态响应差,精度差,分辨率低,YCO-l50型压力传感器原理图,膜盒电位器式压力传

7、感器原理图,电位器式加速度传感器示意图,电位计的技术指标,应用 常用来测位移,压力,加速度. 问题: 前述的测身高装置如何改为测体重装置?,案例：重量的自动检测-配料设备,原理：弹簧-力-位移 -电位器-电阻,案例：煤气包储量检测,原理：钢丝-收线圈数 -电位器 -电阻,案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）,原理：电机-转角 -电位器 -电阻,变阻器式传感器产品,2 电阻应变式传感器-应变片,电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。,拉,压,1) 工作原理,上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求

8、导数,金属应变片的电阻R为,代入,有：,金属丝：,金属丝体积不变：,电阻丝轴向变形,电阻丝材料的泊松比,有：,其中,与电阻丝轴向正应力有关，为压阻系数，E为弹性模量,由电阻丝几何尺寸变化引起,由电阻丝电阻率随应变的改变而引起,对金属材料， 近似看作导电率不变：,金属丝应变片：,电阻变化与应变成正比，电阻应变片灵敏度系数定义：,Sg的范围在（ 1.74.0）,应变计,金属应变计,半导体应变计,优点：灵敏度大;体积小; 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,半导体应变片灵敏度,3) 应变片的主要参数,4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,1

9、）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 bL表示。,2）电阻值：应变计的原始电阻值。 (60,90,120,300,500,1000),3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。,4) 应变片的误差及补偿,影响应变片精度的主要因素是温度 电阻值随温度的变化而改变； 应变片与衬底材料的热膨胀系数不一样。 应变片测量的另一误差来自应变片的大小和测点的位置,（2） 温度补偿（自补偿法和线路补偿法） 单丝自补偿应变片 每一种材料的被测试件，其线膨胀系数都为确定值,选择应变片敏感栅材料，使其电阻温度系数和线膨胀系数满足一定条件，可实现温度自补偿。 双丝组合式自补偿应变片 两种不同电阻温度系数（一种

10、为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反。 电路补偿法, 电路补偿法 如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为 式中 A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。,USC,R2,R4,R1,R3,U,桥路补偿法,由上式可知，当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。,测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2，称为补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。由

11、于R1与R2接入电桥相邻臂上，造成R1t与R2t相同，根据电桥理论可知，其输出电压USC与温度无关。当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出电压。,当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即 上式中可以选择R1=R2=R及R3=R4=R。 当温度升高或降低时，若R1t=R2t，即两个应变片的热输出相等，可知电桥的输出电压为零。 若有应变作用，只会引起电阻R1发生变化，R2不承受应变。 电桥输出电压只与应变有关，与温度无关。,根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏

12、度，如图所示的贴法。,图(a)为一个梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，应变片R1和R2的阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。,构件受弯曲应力,构件受单向应力,(b)图是受单向应力的构件，将工作应变片R2的轴线顺着应变方向，补偿应变片R1的轴线和应变方向垂直，R1和R2接入电桥相邻臂，其输出为,电阻应变片的选择、粘贴技术,1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。,2.用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之

13、间阻值 相差不得大于0.5欧姆.,3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。,4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。,5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。,6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于500M欧。,7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。,应变片的粘贴： 1. 去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力 ，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。,2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一

14、层均匀的粘贴胶 ，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡 。,3.测量 ：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。,4.焊接： 将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。,5.固定： 焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。,3) 应变片测量电路,令：,金属丝应变片：,USC与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变,R2,R3,R1,R4,U0,电桥线路原理图,Rg,a,c,d,Ig,b,USC,I1,I2,电桥平衡公式：,设R1为应变片的阻值，工作时R1有一增量R，当为拉伸应变时，R为

15、正；压缩应变时，R为负。在上式中以R1+R代替R1，则,设电桥各臂均有相应的电阻增量R1，R2，R3，R4时,在实际使用时，一般多采用等臂电桥或对称电桥。,1、等臂电桥 当R1=R2=R3=R4=R时，称为等臂电桥。 此时电桥输出可写为 一般情况下，Ri（i=1，2，3，4）很小，即RRi，略去上式中的高阶微量，并利用 式得到,当RiR时，输出电压与应变呈线性关系。 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的极性不同时，输出电压为两者之和。 若相对两桥臂应变的极性一致时，输出电压为两者之和；相对桥臂的应变极性相反时，输出电压为两者之差。 利用上述特点

16、可进行温度补偿和提高测量的灵敏度。,当仅桥臂ab单臂工作时，输出电压为 由前两式可知，当假定RR时，输出电压Ug与应变间呈线性关系。若假定不成立，则按线性关系刻度的仪表用来测量必然带来非线性误差。,2、第一对称电桥 若电桥桥臂两两相等，即R1=R2=R，R3=R4=R，则称它为第一对称电桥，其实质上是半等臂电桥。设R1有一增量R，电桥的输出电压为,半桥 1)相邻臂,a)相邻臂：补偿应变片,b)相邻臂：极性相反应变片,半桥 2)相对臂,全桥,对不同结构的应变式传感器，由于弹性元件上粘贴的应变片数量和方式不同，构成等臂电桥时，在相同载荷下电桥输出电压大小不一样。,桥臂系数决定了电桥的输出灵敏度,电桥的非线性误差,四、应变效应的应用,应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。 电