1、第十四章第十四章 電阻式傳感器電阻式傳感器1, 電位器式傳感器電位器式傳感器2, 應(yīng)變片式傳感器應(yīng)變片式傳感器第一節(jié)第一節(jié) 電位器式傳感器電位器式傳感器| 電位器是一種常用的機(jī)電元件，廣泛應(yīng)用于各種電器和電電位器是一種常用的機(jī)電元件，廣泛應(yīng)用于各種電器和電子設(shè)備中。它主要是一種把機(jī)械的線位移或角位移輸入量子設(shè)備中。它主要是一種把機(jī)械的線位移或角位移輸入量轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件來使用。它們主要用于測量壓力、高度、加速度、航面角來使用。它們主要用于測量壓力、高度、加速度、航面角等各種參數(shù)。等各種參數(shù)。 | 電位器式傳感器

2、具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、電位器式傳感器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、精度高、輸出信號大、性能穩(wěn)定并容易實(shí)現(xiàn)任意重量輕、精度高、輸出信號大、性能穩(wěn)定并容易實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)。其缺點(diǎn)是要求輸入能量大，電刷與電阻元件之間容函數(shù)。其缺點(diǎn)是要求輸入能量大，電刷與電阻元件之間容易磨損。易磨損。| 電位器的種類很多，按其結(jié)構(gòu)形式不同，可分為線繞式、電位器的種類很多，按其結(jié)構(gòu)形式不同，可分為線繞式、薄膜式、光電式等；按特性不同，可分為線性電位器和非薄膜式、光電式等；按特性不同，可分為線性電位器和非線性電位器。目前常用的以單圈線繞電位器居多。線性電位器。目前常用的以單圈線繞電位器居多。線性線

3、繞電位器工作原理線性線繞電位器工作原理xSxxURRUUVxx maxmaxmaxmax電位器式傳感器的應(yīng)用電位器式傳感器的應(yīng)用第二節(jié)第二節(jié) 應(yīng)變片式傳感器應(yīng)變片式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器, 傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。 當(dāng)被測物理量作用在彈性元件上時(shí), 彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化, 通過轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出, 電量變化的大小反映了被測物理量的大小。應(yīng)變式電阻傳感器是目前測量力、力矩、 壓力、加速度、重量等參數(shù)應(yīng)用最廣泛的傳感器。 應(yīng)變-物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象彈性應(yīng)變-當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢

4、復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變1,工作原理工作原理應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會產(chǎn)生機(jī)械變形，導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會產(chǎn)生機(jī)械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)。FlrrlF如圖 所示, 一根金屬電阻絲, 在其未受力時(shí), 原始電阻值為 R=*L/s式中: 電阻絲的電阻率; L電阻絲的長度; S電阻絲的截面積。 2llRAr當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí), 將伸長L, 橫截面積相應(yīng)減小S, 電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變, 故引起電阻值相對變化量為 SSLLRR式中L/L是

5、長度相對變化量, 用應(yīng)變表示 LLS/S為圓形電阻絲的截面積相對變化量, 即 rrSS2由材料力學(xué)可知, 在彈性范圍內(nèi), 金屬絲受拉力時(shí), 沿軸向伸長, 沿徑向縮短, 那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為LLrr式中: 電阻絲材料的泊松比, 負(fù)號表示應(yīng)變方向相反。 )21 (RR對金屬材料電阻絲來說, 靈敏度系數(shù)表達(dá)式中（1+2）的值要比（/）大得多。用應(yīng)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí), 根據(jù)上述特點(diǎn), 在外力作用下, 被測對象產(chǎn)生微小機(jī)械變形, 應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化, 同時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測得應(yīng)變片電阻值變化量R時(shí), 便可得到被測對象的應(yīng)變值。根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系, 得到應(yīng)力值為 =

6、E 式中 : 試件的應(yīng)力; 試件的應(yīng)變; E試件材料的彈性模量。 由此可知, 應(yīng)力值正比于應(yīng)變, 而試件應(yīng)變正比于電阻值的變化, 所以應(yīng)力正比于電阻值的變化, 這就是利用應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理。 2，應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)引線覆蓋層基片電阻絲式敏感柵lb金屬應(yīng)變片由敏感柵、 基片、 覆蓋層和引線等部分組成, 如圖 所示。 敏感柵是應(yīng)變片的核心部分, 它粘貼在絕緣的基片上, 其上再粘貼起保護(hù)作用的覆蓋層, 兩端焊接引出導(dǎo)線。金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵有絲式、 箔式和薄膜式三種。3，應(yīng)變片式傳感器的主要參數(shù)應(yīng)變片式傳感器的主要參數(shù)，靈敏度系數(shù)，靈敏度系數(shù)單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏度

7、系數(shù)。其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量, 其表達(dá)式為21/ RdRK大量實(shí)驗(yàn)證明, 在電阻絲拉伸極限內(nèi), 電阻的相對變化與應(yīng)變成正比, 即K為常數(shù)。 ， 橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)lxy敏感柵由許多直線及圓角組成, 如圖所示。 拉伸被測試件時(shí), 粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì), 被沿應(yīng)變計(jì)長度方向拉伸, 產(chǎn)生縱向拉伸應(yīng)變x, 應(yīng)變計(jì)直線段電阻將增加。 但是在圓弧段上, 沿各微段（圓弧的切向）的應(yīng)變并不是x, 與直線段上同樣長的微段所產(chǎn)生的電阻變化不同。因此, 將同樣長的金屬線材做成敏感柵后, 對同樣應(yīng)變, 應(yīng)變計(jì)敏感柵的電阻變化較小, 靈敏度有所降低。 這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變計(jì)的橫向效應(yīng)。 其它參數(shù)其它參數(shù)，

8、線性度：試件的應(yīng)變和電阻的相對變化R/R, 在理論上呈線性關(guān)系。 但實(shí)際上, 在大應(yīng)變時(shí), 會出現(xiàn)非線性關(guān)系。，應(yīng)變極限：粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)所能測量的最大應(yīng)變值稱為應(yīng)變極限。 ，機(jī)械滯后：應(yīng)變計(jì)加載和卸載特性曲線的最大差值稱為應(yīng)變計(jì)的機(jī)械滯后值。 還有疲勞壽命、零漂和蠕變、最大工作電流等參數(shù)。應(yīng)變片主要性能指標(biāo)舉例應(yīng)變片主要性能指標(biāo)舉例l例：已知一應(yīng)變片的初始電阻例：已知一應(yīng)變片的初始電阻R=120 ，靈敏度靈敏度系數(shù)系數(shù)K=2，軸向應(yīng)變軸向應(yīng)變 =1時(shí)，求時(shí)，求 ：該應(yīng)變片：該應(yīng)變片電阻的絕對變化量。電阻的絕對變化量。 解：根據(jù)應(yīng)變片靈敏度的計(jì)算公式解：根據(jù)應(yīng)變片靈敏度的計(jì)算公式dR/R=

9、K ，可得，可得dR=RK =120*2*0.001=0.244，電阻應(yīng)變片的測量電路電阻應(yīng)變片的測量電路 R1R2R4R3ACBEDIoRLUo直流電橋直流電橋433211RRRRRREUo當(dāng)電橋平衡時(shí)，Uo=0，則有 R1R4=R2R3電橋平衡條件：欲使電橋平衡，欲使電橋平衡， 其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，等， 或相對兩臂電阻的乘積應(yīng)相等?；蛳鄬杀垭娮璧某朔e應(yīng)相等。 5，應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償I，應(yīng)變片的溫度誤差，應(yīng)變片的溫度誤差由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差, 稱為應(yīng)變片的溫度誤差。 產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要因素有: ，電

10、阻溫度系數(shù)的影響 ，試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響II，電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有電路補(bǔ)償法和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。 1、自補(bǔ)償法、自補(bǔ)償法單絲自補(bǔ)償法單絲自補(bǔ)償法合理選擇敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)0、靈敏系數(shù)K0和線膨脹系數(shù)s組合式自補(bǔ)償法組合式自補(bǔ)償法2，電路補(bǔ)償方法電路補(bǔ)償方法，電橋補(bǔ)償法，電橋補(bǔ)償法，差動(dòng)電橋補(bǔ)償法，差動(dòng)電橋補(bǔ)償法測量應(yīng)變時(shí), 工作應(yīng)變片R1粘貼在被測試件表面上, 補(bǔ)償應(yīng)變片RB粘貼在與被測試件材料完全相同的補(bǔ)償塊上, 且僅工作應(yīng)變片承受應(yīng)變。 如圖 所示。 單臂電橋單臂電橋1）電橋平衡條件）電橋平衡條件 4332

11、110RRRRRRuu43213241RRRRRRRR 或或2）電壓靈敏度電壓靈敏度)1)(1 (3412111134433211110RRRRRRRRRRuRRRRRRRRuu211203412)1()1(,nnuSRRnnuuRRRRnV 故故電電橋橋電電壓壓靈靈敏敏度度則則設(shè)設(shè)110441RRuuuSnV ，則則最最大大為為時(shí)時(shí)，當(dāng)當(dāng)電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓3）電橋的非線性誤差）電橋的非線性誤差121111121211341211343412111134000001111111)1)(1()1)(1(1RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRuRRRRRRRRRRuUUUUU 差動(dòng)電橋差動(dòng)電橋?yàn)榱藴p小和克服非線性誤差, 常采用差動(dòng)電橋如圖所示,