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1、第3章：电阻传感器,本章要求：,1、掌握应变效应、应变方程、横向效应、灵敏系数、压阻效应及金属电阻应变片和半导体应变片的温度误差及温度补偿、电阻应变片的测量电路；,2、金属电阻应变片的结构、参数、弹性组件种类及金属电阻式传感器的应用。,本章重点：应变效应、横和效应、灵敏系数、温度误差及温度补偿、静态特性与动态特性。,本章难点：温度误差及温度补偿、静态特性与动态特性。,一、 电阻传感器将力、扭矩、位移、速度、加速度及流量等非电量转换成电阻参数的变化，这种测量系统称为电阻传感器。,二、电阻传感器的种类 1、电位器传感器； 2、电阻应变传感器； 3、压阻传感器,3.1、电位器传感器,一、电位器传感器
2、的基本知识,1、电位器传感器定义：将电位器作为传感元件，直接把机械线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出的装置称为电位器传感器。,2、电位器分类： （1）按输出输入特性分类，分为线性电位器和非线性电位器； （2）按制成电阻体材料分类，分为五类： a金属丝线绕式；b合成电阻膜式；c导电塑料式；d导电玻璃式； e半导体式； （3）按电刷位移方式分类，分为线位移和角位移； （4）按电位器结构分类，分为四类： A滑线式；B分段电阻式；C液体触点式；D光电式；,优点：,（1）结构简单，尺寸小，重量轻；,3、电位器传感器的优、缺点,（2）精度高（可达0.1% 0.05%）,（3）性能稳定，
3、受环境因素（温度、湿度、电磁场干扰 等）影响小。,缺点：,（1）因为存在滑动触头与线圈或电阻膜之间的磨擦，因此需要较大的输入量；,（2）由于磨损，不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且降低测量精度。,二、线绕电位器传感器的结构及工作原理,1、结构：由两大部分组成：,（1）电阻体。塑料骨架上绕有电阻系数很大的电阻丝。,（2）电刷。,2、工作原理,电位器为空载(RL=)时， 对应的输出电压为： 而对应的电阻变化为： 则输出电压为：,上述分析表明，空载时，改变测量电阻值Rx所引起的输出电压U0的变化为线性变化。,三、线绕电位器传感器的阶梯特性、阶梯误差和分辨率,1、 阶梯特性 由线绕电位器结构可知，当电
4、刷在变阻器线圈上移动时，线圈一圈一圈地变化，因此，电位器的电阻值随电刷位移x的变化量是不连续的，所以输出电压U0随电刷位移x的变化也是不连续的，而是阶跃式变化。如图3-2所示。,2、阶梯误差 如图3-3所示，理论特性曲线 与理想特性曲线 的偏差称为阶梯误差。,3、电压分辨率 线绕电位器的电压分辨率是指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。,四、 电位器的负载特性与负载误差,图34所示为带负载电位器的电路图。,图35所示绘出了负载特性曲线,图36所示的曲线图为e与m、X的关系,五、 非线绕电位器式传感器,线绕电位器式传感器具有高精度、性能稳定、易于达到较高的线性度和实
5、现各种非线性特性等优点，但也存在阶梯误差、分辨力低、耐磨性差、寿命较低等缺点。为此研制出一种非线绕电位器式传感器，非线性线绕电位器又叫函数电位器。,消除非线性误差的方法有两种： 第一，采用空载特性为非线性的电位器。使它带负载时具有线性输出特性；这些非线性电位器有：用曲线骨架绕制的非线性电位器，输出输入之间具有正弦函数的非线性电位器，用分段法绕制的非线性电位器。用并联电阻法绕制的非线性电位器。 第二，引入具有非线性可变电阻R，与负载电阻RL串联，有关具体实现方法这里不作讨论。,非线绕电位器式传感器有以下几种：,1、合成膜电位器,合成膜电位器的变阻器是由电阻液喷涂在绝缘骨架表面上形成电阻膜而制成的
6、。电阻液是由石墨、炭黑、树脂等材料配制而成，经烘干聚合后，在骨架上形成电阻膜。这种电位器的优点是分辨力高，阻值范围广、耐磨性好、工艺简单、成本低，其线性度为1%左右，经修刻后可提高至0.1%左右。其主要缺点是接触电阻大、抗潮湿性差和噪声较大。,2、金属膜电位器,金属膜电位器是在玻璃或胶木基片上，分别用高温蒸镀和电镀方法，涂复一层金属膜或金属复合膜而制成的。用于制作金属膜的合金有铑锗、铂铜、铂铑、铂铑锰等合金，而复合膜则是一层金属和一层氧化物膜的合成，如铑膜和氧化锡膜、镍铬合金膜加氧化钛膜等。使用金属复合膜的目的在于提高膜层的阻值和耐磨性，金属合金膜阻值高，而金属氧化膜耐磨。,电阻温度系数可达（
7、0.51.5）10-4/0C，温度在1500C以上能正常工作；分辨力高，磨擦力矩小。缺点是功率小，耐磨性差，阻值不高（12K）。,金属膜电位器的优点,3、导电塑料电位器,这种电位器又称为实心电位器，它的电阻元件是由塑料粉及导电材料（金属合金、石墨、碳黑等）粉经压制而成。其优点是耐磨性较高，使用次数可达上千万次，寿命较高；它的电刷可允许较大的接触力，由几十至几百克，适于在振动、冲击等恶劣条件下工作；其阻值易受温度和湿度影响，接触电阻大，精度不高。,4、光电电位器,光电电位器最大的优点是无磨擦和磨损，也不会产生磨擦力矩，提高了仪器的精度、寿命和可靠性；阻值范围宽（约5002M），且分辨率很高，这些
8、都是一般电位器所不及的。,3.2 金属电阻应变片,电阻应变片是一种能将被测试器件的应变变化转换成电阻变化的敏感组件。电阻应变片有两大类：金属电阻应变片和半导体应变片。,一、应变效应,金属电阻应变片的工作原理是电阻应变效应即金属导体或半导体材料在外力作用下产生变形时，导致其电阻值发生变化，使电阻相对变化量与其线应变成正比的现象称为电阻应变效应，或简称应变效应。,、结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；、易于实现测量过程自动化和多点同步测量、远距离测量和遥测；、灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；、可以测量多种物理量。,应变式电阻传感器具有如下独特的优点,1、金属电阻应变片的结构,二、金属电阻
9、应变片的工作原理,金属丝应变片的结构如图38所示。 （1）敏感栅 ；（2）基底 ； （3）覆盖层 ；（4）引线 ；（5） 粘结剂,2、应变片工作原理,设一长度为l、截面积为A、电阻率为的金属丝，未受外力作用时，其电阻为,电阻丝受到拉力作用时，电阻丝会发生变形。长度伸长l，面积减小A，电阻率变化，由此引起电阻变化，用微分方程表示 则 称为应变方程。KS即为电阻丝的应变灵敏系数。,则,3、产生应变的原因,1）、电阻丝受力后，材料的几何尺寸发生变化，导致其电阻值发生变化。即式中的（12）项。金属材料的电阻应变效应以此项为主，即K金12，其值约在1.73.6之间，一般取K金2。 （2）、电阻丝受力后，
10、材料内部的自由电子的数量和活动能力发生变化，引起物理性质发生变化，使其电阻率发生变化，导致电阻 值发生变化。即式中的项。半导体材料的压阻效应以此项为主。即K半。其值可达100以上。由应变方程可知，电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比。,三、金属电阻应变片的静态特性,金属应变片感受试件不随时间变化或变化缓慢的应变时的输出特性称为静态特性。其主要指标有：,1、灵敏系数K； 灵敏系数K有三个特点： （1）K与外施力F的方向无关，只与外施F的大小有关，即K拉K压K； （2）应变片的灵敏系数K一般小于制成该应变片敏感栅同等长度直电阻丝的灵敏系数KS。即KKS。 （3）同批量应变片的K不完全相等，,横向效
11、应：在测量纵向应变时，敏感栅的园弧部分将产生负的电阻变化，从而降低了应变片的灵敏系数，这种现象称为应变片的横向效应。,2、横向效应及横向效应系数H：,消除横向效应影响的方法,、采用大基长窄基宽的敏感栅 、采用短接式敏感栅 、采用箔式敏感栅,3、机械滞后,指粘贴在试件上的应变片，在恒温条件下增减试件应变过程中，对应同一个机械应变g所指示的应变i差值。如图311所示。,4、零漂和蠕变,零漂是指温度恒定，试件初始空载时，应变片电阻值随时间变化的特性。 粘贴在试件上的应变片，在恒温恒载条件下，指示应变随时间单向变化的特性称为蠕变。如图312所示，,5、应变极限min，指温度恒定时，使非线性误差达到10
12、时的真实应变值，称为应变极限。即时的真min 。 6、绝缘电阻粘贴好的应变片引线与试件之间的电阻值即为应变片绝缘电阻Rm。 7、最大工作电流敏感栅允许通过而不影响其工作特性的最大电流称为最大工作电流Imax。工作电流大，输出信号大，灵敏度高。但工作电流超过Imax，应变片会过热，灵敏系数变化，零漂与蠕变增大，甚至烧毁应变片。一般静态测试电流取25mA，动态测试取75100mA,四、金属电阻应变片的动态特性,应变片的动态特性指其感受随时间变化的应变响应特性。,1、对正弦应变波的响应 应变片对正弦应变波的响应是在其栅长范围内所感受的应变量的平均值。 如图3-13表示一频率为f，幅值为0的正弦波，以
13、速度为沿着应变片纵向方向传播时，在某瞬时t的分布图。,2、应变极限和疲劳寿命 在幅值一定的交变外力作用下，粘贴在试件上的应变片连续工作至疲劳损坏时的循环次数N称为应变片的疲劳寿命。 当弹性体输入的真实应变超过某一限值时，应变片的输出特性将出现非线性，如图3-14所示。,五、金属电阻应变片电桥电路,因为应变片将被测非电量转换为电阻输出，要把电阻变换成电压或电流，必须和电桥电路一起使用。,1、直流电桥电路,(1)平衡条件 直流电桥电路的基本形式如图3-20所示,R1、R2、R3、R4称为电桥的桥臂，RL为其负载。,R1R4=R2 R3 或 便称为电桥平衡条件。,提高单臂工作应变片的电桥电压灵敏度的
14、方法：,提高供桥电压U 。但是，供桥电压的提高，受到两方面的限制：一是应变片的允许温升，即应变片的允许功耗；一是应变片电阻的温度误差。 采用等臂电桥,（3）、消除非线性误差的方法：,（2）电压灵敏度,半差动电桥； 全差动电桥 提高桥臂比； 采用高内阻的恒流源电桥,采用差动电桥,a)、半差动电桥 在同一试件上分别粘贴两只应变片，一只感受拉力，一只感受压力，两者应变符号相反，大小相等。测试时，将两只应变片分别接在电桥的相邻桥臂上，如图3-21所示。,b)、全差动电桥 若在同一试件上分别粘贴4片应变片，其中两片受拉力，两片受压力，如图322所示。将两个应变符号相同的应变片接在相对桥臂上，则构成全差动
15、电桥。,高内阻的恒流源电桥,通过电桥各桥臂的电流不稳定，也是产生非线性误差的重要原因之一。所以采用恒流源供电，如图3-23所示。 电桥输出电压为： 由上式可知，用恒流源供电输出电压分母中的R被4R除，而用恒压源供电输出电压的分母中的R被2R除。因此，采用恒流源电桥比恒压源电桥的非线性误差减小一倍。,2、交流电桥电路,（1）、直流电桥的优缺点 优点：易于获得高稳定性直流电源，电桥平衡调节简单，连接导线的分布参数小。 缺点：输出电压采用直流放大器，易产生零点漂移。故多采用交流电桥电路。 交流电桥连接导线的分布参数影响小， 平衡调节、信号放大电路均与直流电 桥明显不同。,（2）、交流电桥平衡条件 交
16、流电桥结构与工作原理和直流电桥基本相同，如图3-24所示。不同的是输入输出电压为交流。在一般情况下，其输出电压为 其平衡条件由复数U0求得。 Z1Z4Z2Z30 则Z1Z4Z2Z3 因此，交流电桥平衡条件有两个： r1r4r2r3x1x4x2x3 或 z1z4=z2z3 r1x4+r4x1=r2x3+r3x2 1+4=2+3,（3）、交流电桥调平衡方法,、电阻调平法。包括串联电阻法和并联电阻法。,、电容调平法。 包括差动电容法和 阻容调平法。,（4）、交流不平衡电桥输出,（1）单臂交流电桥，其输出电压为,（2）半差动电桥，其输出电压为,（3）全差动电桥，其输出电压为,六、电阻应变片的温度误差及其补偿,温度效应
