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1、第2章 电阻式传感器,前言,电阻式传感器的基本原理是将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经过转换电路变成电量输出。 我们先来看一个例子，通过这个例子来体会一下将非电量转化为电阻值的变化。 如图：,电阻式传感器,众多的传感器中，有一大类是通过电阻参数的变化来实现测量目的的，它们统称为电阻式传感器。 各种电阻材料受被测量（如位移、应变、压力、光和热等）作用转换成电阻参数变化的机理是各不相同的，因而电阻式传感器中相应有电位计式、应变计式、压阻式、磁电阻式、光电阻式和热电阻式等等。 本章主要讨论电阻应变式和压阻式传感器,电阻式传感器,机器人,原理：电机-转角 -电位器 -电阻,电阻式传感器,电阻式传感
2、器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器,电阻式传感器,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。,2.1 变阻器式传感器（电位式传感器）,电阻式传感器,一.线性电位器的空载特性,当被测量发生变化时，通过电刷触点在电阻元件上产生移动，该触点与电阻元件间的电阻值就会发生变化，即可实现位移(被测量)与电阻之间的线性转换。,电阻式传感器,电阻灵敏度： 电压灵敏度：,电阻式传感器,图2-4 局部剖面和阶梯特性图,二、阶梯特性、阶梯误差和分辨率,电阻式传感器,电刷与相邻两匝线圈相继接触时电阻突然增加，特性曲线出现阶跃。,电阻式传感器,图2-5 理想阶梯特性曲线,
3、理论直线： 过中点并穿过阶梯线的直线,电压分辨率：在电刷行程内，电位器输出电压阶梯的最大值与输出电压Umax之比的百分数，即,行程分辨率：在电刷行程内，有使电位器产生一个可测出变化的电刷最小行程与整个工作行程相比的百分数，即,电阻式传感器,图2-5 理想阶梯特性曲线,理论直线： 过中点并穿过阶梯线的直线。 阶梯曲线围绕其上下跳动，从 而带来一定的误差，这就是阶 梯误差。,电阻式传感器,二、非线性电位器 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，也称函数电位器（指数、对数、三角函数等）。 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。,KR=dRx/
4、dx=2（b+h）/At,图2-6 变骨架式电位器,电阻式传感器,电阻灵敏度,电压灵敏度,电阻式传感器,三、负载特性与负载误差 负载误差：负载特性相对于空载特性的偏差。,图2-7 带负载的电位器,负载输出：,设r=Rx/Rmax m=Rmax/RL（负载系数）则：,电阻式传感器,理想空载特性,对于线性电位器：,故：,电阻式传感器,图2-8 电位器的负载特性曲线族,图2-9 电位器负载误差曲线,电阻式传感器,四、电位器的结构、材料,1、电位器的结构 电位器由电阻元件、电刷、骨架等组成。 形式：直滑式(图a)和旋转式，旋转式有单圈旋转式(图b)和多圈旋转式(图c)两种。,电位器结构图 1骨架 2电
5、刷 3电阻丝 4转轴 5接线端子,电阻式传感器,2、电位器的材料,电阻丝：要求电阻系数高、温度系数小、强度高、延展性好；常用康铜丝、铂铱合金等； 电刷：工作时需保持适当接触压力，选用材料应与导线材料相配合，常用银、铂铱、铂铑合金等； 骨架：要求与电阻丝材料具有相同的膨胀系数，绝缘性好，有足够的强度和刚度，散热性好，耐潮湿、易加工。常用陶瓷、酚醛树脂等绝缘材料。,电阻式传感器,五、应用举例,1.弹性压力计,弹性压力计信号多采用电远传方式，即把弹性元件的变形或位移转换为电信号输出。,在弹性元件的自由端处安装滑线电位器，滑线电位器的滑动触点与自由端连接并随之移动，自由端的位移就转换为电位器的电信号输
6、出。,电阻式传感器,2019/9/18,弹簧管放大图,当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。,电阻式传感器,2：重量的自动检测-配料设备,原理：弹簧-力-位移 -电位器-电阻,电阻式传感器,3：煤气包储量检测,原理：钢丝-收线圈数 -电位器 -电阻,电阻式传感器,4：玩具机器人（广州中鸣数码 ）,电阻式传感器,电阻式传感器,2.2 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。,电阻式传感器,金属丝受拉或受压时，l、r 和 R 将
7、如何变化？,提出问题,一、 电阻应变片的工作原理,电阻式传感器,结论：金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。,电阻式传感器,1.应变效应,导体或半导体在外力作用下产生机械变形而引起导体或半导体的电阻值发生变化的物理现象称为应变效应。,传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的应变量转换成电阻变化量的传感元件。,应变片受力,应变,比例关系,比例关系,应变片电阻的变化,电阻式传感器,2.工作原理,式中，导线的电阻率，又称为电阻系数,金属导线和半导体的应变电阻效应：,当金属丝由于受到轴向力P而伸长时，长度增长，截面积减小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而缩短，即长度变短，截面积变粗时，则
8、电阻就减小。,对半导体的某一轴向施加一定的载荷产生应力时，其电阻率会发生变化。,电阻式传感器, 金属应变片（不变）, 半导体应变片（变化）,电阻式传感器,上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？,3.电阻应变片的结构,图中，l 称为应变片的标距，或称工作基长；b称为应变片的基宽，或称工作宽度。lb称为应变片的使用面积。,4.金属应变计,金属应变计有: 1）丝式 2）箔式 3）薄膜式 优点:稳定性和温度特性好. 缺点:灵敏度系数小.,电阻式传感器,1）丝式应变片 它是将金属丝按图示形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成，基底可分为纸基，胶基和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线，使用时只要将应变片贴
9、于弹性体上就可构成应变式传感器。它结构简单，价格低，强度高，但允许通过的电流较小，测量精度较低，适用于测量要求不很高的场合使用。 2）箔式应变片 该类应变片的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在0.003-0.01mm之间，箔式应变片与丝式应变片比较其面积大，散热性好，允许通过较大的电流。由于它的厚度薄，因此具有较好的可绕性，灵敏度系数较高。箔式应变片还可以根据需要制成任意形状，适合批量生产。 3）金属薄膜应变片 它是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。,电阻式传感
10、器,丝式应变片,箔式应变片,电阻式传感器,5.半导体应变计,体型,半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。 对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称为半导体的压阻效应。,优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件，可测微小应变。 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,电阻式传感器,1）体型半导体应变片 这是一种将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片。 2）薄膜型半导体应变片 利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成。 3）扩散型半导体应变
11、片 将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。这是一种应用很广的半导体应变片。,薄膜型,扩散型,电阻式传感器,1.电阻应变片的主要参数 (1)电阻值 是指应变片在安装前及室温下测定的电阻值，也称为初始电阻值。有60 、90 、120 、250 、350 、600 和1000 等，120 和350 应用较多。,二、 电阻应变片的主要特性,电阻式传感器,(2)几何尺寸 标距(或工作基长)l相对于工作宽度(或基宽)b较小时横向效应较大，所以通常尽量用l值较大的应变片。但在应变变化梯度大的场合(如应力集中处)，则应该使用l小
12、的应变片。目前最小标距可做到0.2 mm，最大可达300 mm以上。 b值小时应变片的整体尺寸可减小，但散热性能变差。,二、 电阻应变片的主要特性,电阻式传感器,(3)灵敏系数 应变片灵敏系数(以下用K表示)的定义为：将应变片安装在处于单向应力状态的试件表面，试件由泊松比0.285的钢构成。使其灵敏轴线与应力方向平行时，应变片电阻值的相对变化与沿轴向的应变之比值。即,二、 电阻应变片的主要特性,电阻式传感器,因一般应变片粘贴到试件上后不能取下再用，故只能在每批产品中提取一定百分比(如5 %)的产品进行测定，取其平均值作为这一批产品的灵敏系数。这就是产品包装盒上注明的灵敏系数，或称“标称灵敏系数
13、”。,二、 电阻应变片的主要特性,电阻式传感器,例 如果将100 W的电阻应变片贴在弹性试件上，试件受力横截面积S0.5104 m2，弹性模量E21011 N/m2，若有F5104 N的拉力引起应变片电阻变化为1 W 。试求该应变片的灵敏系数。,二、 电阻应变片的主要特性,电阻式传感器,(4)绝缘电阻 是指引出线与粘贴该应变片的试件之间的电阻值。一般为(50100M)。 (5)允许电流 是指允许通过应变片敏感栅而不影响其工作特性的最大工作电流。它与应变片敏感栅的形状和尺寸、基底尺寸和材料、粘合剂的材料及试件的热性能有关。最大工作电流选取的依据是使应变片的零漂不超过允许值。静:25mA 动:75
14、100mA,二、 电阻应变片的主要特性,电阻式传感器,(6)应变极限 是指在一定温度条件下，应变片指示的应变值与试件真实应变的相对差值不超过10 %时的最大真实应变值。 (7)疲劳寿命 是指粘贴在试件表面上的应变片，在恒定幅值的交变应力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。,二、 电阻应变片的主要特性,电阻式传感器,(8)机械滞后 加载特性曲线与卸载特性曲线的最大差值称应变片的机械滞后。,二、 电阻应变片的主要特性,电阻式传感器,(9)零漂和蠕变 在恒温、不承受应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。在恒温，承受恒定的应变时，其电阻值随时间变化的特性，称为应变片的蠕变。
15、一般蠕变的方向与原应变引起的变化的方向相反。 (10)线性度 一般要求在0.05 %或1 %以内。,二、 电阻应变片的主要特性,电阻式传感器,2.横向效应 应变片由于圆弧处感受横向应变而使电阻变化率减小并使应变片灵敏系数降低的现象称为应变片的横向效应。原因在于圆弧段感受到的轴向应变从ex到-mex。,二、 电阻应变片的主要特性,电阻式传感器,由于机械应变一般都很小, 那么考虑,通常采用直流电桥和交流电桥。,提出问题？,三、 电阻应变片的测量转换电路,要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来；,同时要把电阻相对变化R/ R转换为电压或 电流的变化。,应该采用什么测量转换电路？,回答,电阻式传感器,
16、1. 直流电桥,由四个桥臂R1、R2、R3及R4和一个供桥电源U组成。,电路特点：,当被测量无变化，四桥臂满足一定的关系，输出为零；当被测量发生变化时，测量电桥平衡被破坏，有电压输出。,电路组成,其中，RL为负载电阻 Uo为电桥输出电压。,电阻式传感器,A. 直流电桥,a.电桥平衡条件,当电桥平衡时, Uo=0, 则有：,R1R4 = R2R3,欲使电桥平衡, 其相邻两臂电阻的比值应相等, 或相对两臂电阻的乘积相等。, 电桥平衡条件,结论：,或,电阻式传感器,分析：,b. 电压灵敏度,（1）,R2, R3, R4为电桥固定电阻,这就构成了单臂电桥。,R1为电阻应变片,电阻式传感器,（2）当R1产生应变时, 若应变片电阻变化为R1，其它桥臂固定不变， 电桥输出电压Uo0,分析：,b. 电压灵敏度,电桥不平衡输出电压为:,设桥臂比n = R2/R1,考虑到平衡条件R2/R1= R4/R3,且忽略分母上R1/R1,电阻式传感器,电桥电压灵
