電阻式傳感器83326PPT課件

1、 電阻式傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理是將各種被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電阻值的變化，然后通過轉(zhuǎn)換電路將電阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的輸出。(電阻是電量中最常用的物理量之一，因此電阻式傳感器的應(yīng)用非常廣泛。) 利用電阻式傳感器可以對應(yīng)變、力、位移、速度和加速度等參數(shù)進(jìn)行測量。(一般說來，電阻式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，且靈敏度較高，有的還適合于動(dòng)態(tài)測量)。第1頁/共86頁 2.1 電位器式電阻傳感器 電位器是人們常用到的一種電子元件，它作為傳感器可以將機(jī)械位移或其他能轉(zhuǎn)換為位移的非電量轉(zhuǎn)換為具有一定函數(shù)關(guān)系的電阻值的變化，從而引起輸出電壓的變化。所以它是一個(gè)機(jī)電傳感元件。 1. 變阻器式傳感器的分類

2、 電位器的種類繁多，本節(jié)就工業(yè)傳感器用的電位器予以介紹。變阻器按材料分單圈電位器直線滑動(dòng)式電位器多圈電位器混合式電位器導(dǎo)電塑料電位器金屬陶瓷電位器線繞電位器按結(jié)構(gòu)分第2頁/共86頁 2. 線繞電位器式傳感器 線繞電位器的電阻體由電阻絲纏繞在絕緣物上構(gòu)成，電阻絲的種類很多，電阻絲的材料是根據(jù)電位器的結(jié)構(gòu)、容納電阻絲的空間、電阻值和溫度系數(shù)來選擇的。電阻絲越細(xì)，在給定空間內(nèi)越獲得較大的電阻值和分辨率。但電阻絲太細(xì)，在使用過程中容易斷開，影響傳感器的壽命。 第3頁/共86頁 通常電位器由電阻元件及電刷等組成。電刷相對于電阻元件的運(yùn)動(dòng)可以是直線運(yùn)動(dòng)，也可以是轉(zhuǎn)動(dòng)，因而可以用于直線位移或角位移的測量。此

3、外，還可以測量壓力、速度等物理量。電位器式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低，性能穩(wěn)定，對環(huán)境條件要求高，輸出信號大，但它的精度不高，由于摩擦和阻值的跳變，分辨率有限,動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差. 1). 原理與結(jié)構(gòu)1 2 3 132直線型旋轉(zhuǎn)型第4頁/共86頁 2). 等效電路分析(一) 直滑(線)電位器式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路, 其輸出電壓Uo與滑動(dòng)觸點(diǎn)C的位移量X成 正比: 旋轉(zhuǎn)電位器式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路,其 輸出電壓Uo與滑動(dòng)臂的旋轉(zhuǎn)角度成正比: 第5頁/共86頁3).等效電路分析(二): Rp-總電阻;xp變阻總長;RL負(fù)載電阻;x電刷移動(dòng)量.132xxp)1)(1pxxLRpRxpxinLRxRxRpRLR

4、pRinLRxRLRxRxRpRinEEEoutE0 x 100%100%Output0負(fù)載效應(yīng) Ein EoutRxRLRp-Rx第6頁/共86頁 4). 變阻器式傳感器的性能參數(shù): (1) 線性(或曲線的一致性)：0.53 (2) 分辨率有限 (3) 整個(gè)電阻值的偏差較大 (4) 移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)角度范圍大 (5) 電阻溫度系數(shù)較低 (6) 壽命104次第7頁/共86頁 3. 非線繞電位器式傳感器 為了克服線繞電位器存在的缺點(diǎn)，人們在電阻的材料及制造工藝上下了很多工夫，發(fā)展了各種非線繞電位器。 1).合成膜電位器 合成膜電位器的電阻體是用具有某一電阻值的懸浮液噴涂在絕緣骨架上形成電阻膜而成的，這

5、種電位器的優(yōu)點(diǎn)是分辨率較高、阻范圍很寬（1004.7M），耐磨性較好、工藝簡單、成本低、輸入輸出信號的線性度較好等，其主要缺點(diǎn)是接觸電阻大、功率不夠大、容易吸潮、噪聲較大等。 第8頁/共86頁 2).金屬膜電位器 金屬膜電位器由合金、金屬或金屬氧化物等材料通過真空濺射或電鍍方法，沉積在瓷基體上一層薄膜制成。 金屬膜電位器具有無限的分辨率，接觸電阻很小，耐熱性好，它的滿負(fù)荷溫度可達(dá)70。與線繞電位器相比，它的分布電容和分布電感很小，所以特別適合在高頻條件下使用。它的噪聲信號僅高于線繞電位器。金屬膜電位器的缺點(diǎn)是耐磨性較差，阻值范圍窄，一般在10100k之間。由于這些缺點(diǎn)限制了它的使用。第9頁/共

6、86頁 3). 導(dǎo)電塑料電位器 導(dǎo)電塑料電位器又稱為有機(jī)實(shí)心電位器，這種電位器的電阻體是由塑料粉及導(dǎo)電材料的粉料經(jīng)塑壓而成。導(dǎo)電塑料電位器的耐磨性好，使用壽命長，允許電刷接觸壓力很大，因此它在振動(dòng)、沖擊等惡劣的環(huán)境下仍能可靠地工作。此外，它的分辨率較高，線性度較好，阻值范圍大，能承受較大的功率。導(dǎo)電塑料電位器的缺點(diǎn)是阻值易受溫度和濕度的影響，故精度不易做得很高。第10頁/共86頁 4). 光電電位器式傳感器 光電電位器是一種非接觸式電位器，它用光束代替電刷。平時(shí)無光照時(shí)，電阻體和導(dǎo)電電極之間由于光電導(dǎo)層電阻很大而呈現(xiàn)絕緣狀態(tài)。當(dāng)光束照射在電阻體和導(dǎo)電電極的間隙上時(shí)，由于光電導(dǎo)層被照射部位的亮電

7、阻很小，使電阻體被照射部位和導(dǎo)電電極導(dǎo)通，于是光電電位器的輸出端就 有電壓輸出，輸出電壓的大小與 光束位移照射到的位置有關(guān)，從 而實(shí)現(xiàn)了將光束位移轉(zhuǎn)換為電壓 信號輸出。第11頁/共86頁2.2 電位器式電阻傳感器的應(yīng)用 1.張力測量 在紡織、印染、塑料薄膜、紙張等生產(chǎn)過程中，均需要測量它們在卷取過程中的張力并加以控制。布料張力測量及控制原理示意圖。 傳感技術(shù)與信號處理傳感技術(shù)與信號處理 第2章第12頁/共86頁重量設(shè)定原材料2.2.案例：案例： 重量的自動(dòng)檢測重量的自動(dòng)檢測-配料設(shè)備配料設(shè)備原理原理用彈簧將力轉(zhuǎn)換為位移用彈簧將力轉(zhuǎn)換為位移; ;再再用變阻器將位移轉(zhuǎn)換為電用變阻器將位移轉(zhuǎn)換為電阻

8、的變化阻的變化第13頁/共86頁3.3.案例：煤氣包儲(chǔ)量檢測案例：煤氣包儲(chǔ)量檢測原理直接將代表煤氣包儲(chǔ)量的高度變化轉(zhuǎn)換為鋼絲的電阻變化煤氣包鋼絲特點(diǎn)：（1）測量量程大；（2）防爆；（3）可靠；（4）成本低。第14頁/共86頁4.4.案例：玩具機(jī)器人案例：玩具機(jī)器人原理直接將關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化轉(zhuǎn)換為電阻器阻值變化第15頁/共86頁2.3 電阻應(yīng)變式傳感器 力學(xué)傳感器是將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的器件，力學(xué)量可分為幾何學(xué)量、運(yùn)動(dòng)學(xué)量及力學(xué)量三部分，其中幾何學(xué)量指的是位移、形變、尺寸等，運(yùn)動(dòng)學(xué)量是指幾何學(xué)量的時(shí)間函數(shù)，如速度、加速度等。力學(xué)量包括質(zhì)量、力、力矩、壓力、應(yīng)力等。 力學(xué)傳感器的種類

9、繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。 根據(jù)被測力學(xué)的不同，這里我們首先要介紹的是應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)變式壓力傳感器，在以后的章節(jié)中，我們將逐步介紹其它類型的力學(xué)傳感器。 傳感技術(shù)與信號處理傳感技術(shù)與信號處理 第2章第16頁/共86頁 如圖1所示，是電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖，它由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)，但電阻的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動(dòng)電流太大，同時(shí)應(yīng)變片的發(fā)熱致使本身的溫度過高，不同的環(huán)境中使用

10、，使應(yīng)變片的阻值變化太大，輸出零點(diǎn)漂移明顯，調(diào)零電路過于復(fù)雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。 第17頁/共86頁 1.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(huì)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)。下面我們以金屬絲應(yīng)變片為例分析這種效應(yīng)。 金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象第18頁/共86頁 我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí)，其長度和截面積都會(huì)發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會(huì)發(fā)生

11、改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時(shí)，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會(huì)增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長度減小而截面增加，電阻值則會(huì)減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況。2llRAr第19頁/共86頁 電阻應(yīng)變式傳感器原理演示第20頁/共86頁 實(shí)心等截面軸又稱柱式彈性敏感元件，在力的作用下，它的位移量很小，所以往往用它的應(yīng)變作為輸出量。(在它的表面粘貼應(yīng)變片，可以將應(yīng)變進(jìn)一步變換為電量)。設(shè)軸的橫截面積為A，軸材料的彈性模量為E，材料的泊松比為，當(dāng)?shù)冉孛孑S承受軸向拉力或壓力F時(shí)，軸向應(yīng)變(有時(shí)也稱為縱向應(yīng)變)X為 與軸向垂直方向上的徑向應(yīng)

12、變(有時(shí)也稱橫向應(yīng)變)Y，由材料力學(xué)可知為第21頁/共86頁 設(shè)有一長度為、截面積為A、半徑為r、電阻率為的金屬單絲，它的電阻值R可表示為: 當(dāng)沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時(shí)，上式中 、r、l都將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。例如金屬絲受拉時(shí)，l將變長、r變小，均導(dǎo)致R變大；又如，某些半導(dǎo)體受拉時(shí)， 將變大，導(dǎo)致R變大。 結(jié)論:金屬電阻絲的電阻相對變化與軸向應(yīng)變成正比關(guān)系.第22頁/共86頁 應(yīng)變片用于測量力F的計(jì)算公式 由材料力學(xué)可知， x=F /（AE），所以 R /R又可表示為 如果應(yīng)變片的靈敏度K K 和試件的橫截面積A A以及彈性模量均為已知，則只要設(shè)法測出 R R

13、 / /R R的數(shù)值，即可獲知試件受力的大小，例如可用于電子秤的稱重。 第23頁/共86頁 金屬應(yīng)變片實(shí)體金屬應(yīng)變片有:絲式和箔式優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性和溫度特性好.缺點(diǎn):靈敏度系數(shù)小.第24頁/共86頁 2半導(dǎo)體應(yīng)變片 金屬電阻應(yīng)變片有一大弱點(diǎn)，就是靈敏系數(shù)K較低(約2.03.6)，在20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了半導(dǎo)體應(yīng)變片，其靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)約高50倍。對一塊半導(dǎo)體的某一軸向施加作用力時(shí)，它的電阻率會(huì)發(fā)生一定的變化，這種現(xiàn)象即為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。不同類型的半導(dǎo)體，施加不同載荷方向，壓阻效應(yīng)不一樣。壓阻效應(yīng)大小用壓阻系數(shù)表示，半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻率的變化可用下式表示: 式中，x,y為縱向、橫向

14、壓阻系數(shù)，此系數(shù)與半導(dǎo)體材料種類及應(yīng)力方向與各晶軸方向之間的夾角有關(guān)；Fx，F(xiàn)y為縱向、橫向承受的應(yīng)力。 優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件.缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。 第25頁/共86頁 3.應(yīng)變片的工藝及材料 應(yīng)變片可分為金屬應(yīng)變片及半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。前者可分成金屬絲式、箔式、薄膜式三種。 金屬絲式應(yīng)變片使用最早，有紙基、膠基之分。 金屬箔式應(yīng)變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好(在整個(gè)使用溫度范圍內(nèi)的溫漂小于萬分之幾）的銅鎳合金(康銅)。目前廣泛用于各種應(yīng)變式傳感器的制造中。 金屬薄膜式應(yīng)變片主 要是采用

15、真空蒸鍍技 術(shù)，在薄的絕緣基片 上蒸鍍上金屬材料薄 膜，最后加保護(hù)層 形成，它是近年來薄 膜技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。 半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半 導(dǎo)體材料作敏感柵而 制成的。當(dāng)它受力時(shí)， 電阻率隨應(yīng)力的變化 而變化。第26頁/共86頁 4.應(yīng)變片粘貼應(yīng)變片是通過粘合劑粘貼到試件上的，粘合劑的種類很多，選用時(shí)要根據(jù)基片材料、工作溫度、潮濕程度、穩(wěn)定性、是否加溫加壓、粘貼時(shí)間等多種因素合理選擇粘合劑。 應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量直接影響應(yīng)變測量的精度。應(yīng)變片的粘貼工藝包括：試件貼片處的表面處理，貼片位置的確定，應(yīng)變片的粘貼、固化，引出線的焊接及保護(hù)處理等。第27頁/共86頁 5.常用應(yīng)變片的型號與參數(shù)第28頁/共86頁第2

16、9頁/共86頁2.4 電阻應(yīng)變片的測量電路 電阻應(yīng)變計(jì)把機(jī)械應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換成R/R后，由于應(yīng)變量及其應(yīng)變電阻變化一般都很微小，既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路或儀器，把應(yīng)變計(jì)的R/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。通常采用電橋電路實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。根據(jù)電源的不同，電橋分直流電橋和交流電橋。 傳感技術(shù)與信號處理傳感技術(shù)與信號處理 第2章第30頁/共86頁 1.直流電橋平衡條件 電橋電路如圖所示，圖中E為電源電壓，R1、R2、R3及R4為橋臂電阻，RL為負(fù)載電阻。 當(dāng)RL時(shí)，電橋輸出電壓為 上兩式這說明要使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等或相對兩臂電阻的乘積相等。 433211R

17、RRRRREUo當(dāng)電橋平衡時(shí)，Uo=0，則有 R1R4=R2R3或 4321RRRR第31頁/共86頁 R1為電阻應(yīng)變片，R2#, R3#, R4為電橋固定電阻，這就構(gòu)成了單臂電橋。應(yīng)變片工作時(shí), 其電阻值變化很小, 電橋相應(yīng)輸出電壓也很小, 一般需要加入放大器放大。由于放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多, 所以此時(shí)仍視電橋?yàn)殚_路情況。 當(dāng)產(chǎn)生應(yīng)變時(shí), 若應(yīng)變片電阻變化為R, 其它橋臂固定不變, 電橋輸出電壓Uo0, 則電橋不平衡輸出電壓為 第32頁/共86頁 設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于R1R1，分母中R1/R1可忽略， 并考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3， 則上式可寫為 電橋電壓靈敏

18、度定義為 EnnRRUKoU211)1 ( 第33頁/共86頁 從靈敏度定義分析發(fā)現(xiàn)： 電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓， 供電電壓越高， 電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓的提高受到應(yīng)變片允許功耗的限制，所以要作適當(dāng)選擇； 電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。 當(dāng)E值確定后，n取何值時(shí)才能使KU最高。 第34頁/共86頁 由dKU/dn = 0求KU的最大值，得 0)1 (132nndndKU求得n=1時(shí)，KU為最大值。這就是說，在供橋電壓確定后，當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，電橋電壓靈敏度最高，此時(shí)有 4411EKRREUUo從上述可知，當(dāng)

19、電源電壓E和電阻相對變化量R1/R1一定時(shí)， 電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂電阻阻值大小無關(guān)。 第35頁/共86頁2.4-2式是略去分母中的R1/R1項(xiàng)，電橋輸出電壓與電阻相對變化成正比的理想情況下得到的 2111111RRRRRRUUUoooL第36頁/共86頁 對于一般應(yīng)變片來說，所受應(yīng)變通常在5000以下，若取KU=2，則R1/R1=KU=0.01，代入式（2.4-3）計(jì)算得非線性誤差為0.5%；若KU=130，=1000時(shí)，R1/R1=0.130，則得到非線性誤差為6%，故當(dāng)非線性誤差不能滿足測量要求時(shí)，必須予以消除。 第37頁/共86頁 為了減小和克服非線性誤差，常采用

20、差動(dòng)電橋如圖所示， 在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變， 接入電橋相鄰橋臂，稱為半橋差動(dòng)電路， 如圖 所示。 該電橋輸出電壓為 433221111RRRRRRRRREUo若R1=R2，R1=R2，R3=R4，則得 112 RREUo由式上式可知，Uo與R1/R1成線性關(guān)系，差動(dòng)電橋無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度KU=E/2，是單臂工作時(shí)的兩倍，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。(為何具有溫度補(bǔ)償作用？) 第38頁/共86頁 若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片，如圖所示，即兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號相同的接入相對橋臂上，構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。若R1=R2=R3=R4，且R1=R2

21、=R3=R4，則 此時(shí)全橋差動(dòng)電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度為單片工作時(shí)的4倍，同時(shí)仍具有溫度補(bǔ)償作用。 第39頁/共86頁 根據(jù)直流電橋分析可知，由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。 上圖為半橋差動(dòng)交流電橋的一般形式，U為交流電壓源， 由于供橋電源為交流電源，引線分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性，即相當(dāng)于兩只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個(gè)電容，則每一橋臂上復(fù)阻抗分別為 UZ1UoU(a)Z2Z3Z4R1R2R4R3oUC1C2U(b)第40頁/共86頁 式中, C1、C2表示應(yīng)變片引線分布電容。 第41頁/共86頁 由交流電路分

22、析可得 )(43213241ZZZZZZZZUUo要滿足電橋平衡條件，即Uo=0，則有 Z1Z4=Z2Z3 2.4-5式取Z1=Z2=Z3=Z4，將式（2.4-4）代入式（2.4-5），可得 第42頁/共86頁 整理式（2.4-6）其實(shí)部、虛部分別相等，并整理可得交流電橋的平衡條件為 3412RRRR及 2112CCRR當(dāng)被測應(yīng)力變化引起Z1=Z0+Z, Z2=Z0-Z變化時(shí)，則電橋輸出為 00021212ZZUZZZUUo第43頁/共86頁 5.交流電橋的調(diào)平方法 電橋的調(diào)平就是確保試件在未受載、無應(yīng)變的初始條件下，應(yīng)變電橋滿足平衡條件(初始輸出為零)。在實(shí)際的應(yīng)變測量中，由于各橋臂應(yīng)變計(jì)的

23、性能參數(shù)不可能完全對稱，加之應(yīng)變計(jì)引出導(dǎo)線的分布電容如圖（其容抗與供橋電源頻率有關(guān)），嚴(yán)重影響著交流電橋的初始平衡和輸出特性。因此必須進(jìn)行預(yù)調(diào)平衡。由圖可見： R1R3=R2R4 和 R3C2=R4C1 對全等臂電橋，上式即為 R1=R2=R3=R4 和 C1=C2 上式表明：交流電橋平衡時(shí)， 必須同時(shí)滿足電阻和電容平 衡兩個(gè)條件。下面分別簡介。 第44頁/共86頁 (1)電阻調(diào)平法 a)串聯(lián)電阻法 如圖所示，圖中R5由下式確定 式中R1和R3分別為橋臂R1與R2和R3與R4的偏差。 第45頁/共86頁 (2)并聯(lián)電阻法 如圖所示。多圈電位器R5對應(yīng)于電阻應(yīng)變儀面板上的“電阻平衡”旋扭。調(diào)節(jié)R

24、5即可改變橋臂AD和CD的阻值比，使電橋滿足平衡條件。其可調(diào)平衡范圍取決于R6的值：R6愈小，可調(diào)范圍愈大，但測量誤差也愈大。因此，要在保證精度的前提下選得小些。R5可采用R6相同的阻值。R6可按下式確定： 第46頁/共86頁 (3)電容調(diào)平法 a)差動(dòng)電容法 如圖所示。C3和C4為同軸差動(dòng)電容；調(diào)節(jié)時(shí)，兩電容變化大小相等，極性相反，以此調(diào)整電容平衡。 b)阻容調(diào)平法 如圖。它靠接入T形RC阻容電路起到電容預(yù)調(diào)平的作用。 必須注意：在同時(shí)具有電阻、電容調(diào)平裝置進(jìn)行阻抗調(diào)平的過程中，兩者應(yīng)不斷交替調(diào)整才能取得理想的平衡結(jié)果。 第47頁/共86頁 第48頁/共86頁2.5 電阻式傳感器應(yīng)用舉例 應(yīng)

25、變效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。它除了可以測量應(yīng)變外，還可測量應(yīng)力、彎矩、轉(zhuǎn)矩、加速度、位移等物理量。電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類： 第一類是將應(yīng)變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器； 第二類是將應(yīng)變片貼于被測試件上，然后將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取應(yīng)變量。下面按應(yīng)變式傳感器和應(yīng)變儀兩大類分別介紹它的一些應(yīng)用。 應(yīng)變式傳感器由敏感元件、傳感元件、測量轉(zhuǎn)換電路組成。在應(yīng)變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體，傳感元件就是應(yīng)變片，測量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路。 傳感技術(shù)與信號處理傳感技術(shù)與信號處理 第2章第49頁/共86頁 根據(jù)不同的要求，應(yīng)變電橋有

26、不同的工作方式。下面我們討論幾種較為典型的工作方式： 1. 測量轉(zhuǎn)換電路 1). 全橋工作方式: 第50頁/共86頁 2)雙臂半橋工作方式 即R1,R2為應(yīng)變片，R3、R4為固定電阻，則輸出電壓為 3)單臂半橋工作方式 即R1為應(yīng)變片，其余各臂為固定電阻，則輸出電壓為 上面討論的三種工作方式中的1,2、3、4可以是試件的縱向應(yīng)變，也可以是試件的橫向應(yīng)變，取決于應(yīng)變片的粘貼方向。若是拉應(yīng)變，應(yīng)以正值代入；若是壓應(yīng)變，應(yīng)以負(fù)值代入。 上述三種工作方式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高。 第51頁/共86頁 2.應(yīng)用舉例 1). 單臂半橋測量 如圖所示試件表面某一點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)，可采用兩片型號、初始電阻值

27、和靈敏度都相同的應(yīng)變片Rl和R2。Rl貼在試件的測試點(diǎn)上，R2(稱為溫度補(bǔ)償片)貼在補(bǔ)償塊上。所謂補(bǔ)償塊，就是材料、溫度與試件相同，但不受力的試塊。當(dāng)R1和R2處于相同的 溫度場中，根據(jù)雙臂半橋形式,其輸出電壓為 式中 Rl試件受力后應(yīng)變片R1產(chǎn)生的電阻增量； Rlt、R2t由溫度變化引起的R1、R2的電阻增量。 由于Rl=R2，且R1、R2所處的溫度場相等，所以R1t=R2t，相互抵消，故上式可演化為 算式中不包含與溫度有關(guān)的項(xiàng)，所以Uo不受溫度的影響，只與被測試件的應(yīng)變有關(guān)。 第52頁/共86頁 2). 全橋電路測量 在測量如圖所示的簡支梁(某些橋梁)的上下表面的應(yīng)變值時(shí)，可將四片相同型號

28、的應(yīng)變片中的RI、R3貼在試件的上表面，R2、R4貼在對稱于中性層的下表面，因此R1、R3與R2、R4感受到的應(yīng)變絕對值相等、符號相反。另外,試件受力且同時(shí)有溫度變化時(shí)，因?yàn)? R2= - R4=R1=R3， 且R1t=R2t=R3t=R4t，試件受力 后應(yīng)變片 RlR4產(chǎn)生的電阻增量由于正 負(fù)號相間，合并為4倍的R，而Rit 則相互抵消。所以有 計(jì)算結(jié)果與溫度引起的電阻變化量Rt無關(guān)，因此全橋電路不僅能實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償，提高穩(wěn)定性，而且使電橋的輸出比單片測量(單臂半橋)時(shí)增加了許多(在本例中，U。是單臂時(shí)的4倍)，雙臂半橋也同樣能達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)墓δ堋?第53頁/共86頁 3).3).應(yīng)變式力

29、傳感器應(yīng)變式力傳感器 性能特點(diǎn):鋁制傳感器系列產(chǎn)品為雙孔懸臂梁式結(jié)構(gòu)，在制作過程中進(jìn)行了溫度補(bǔ)償和四角調(diào)整等工藝處理。其高度低、體積小，適于制作電子計(jì)價(jià)秤、電子案秤，電子臺秤及其它小量秤電子秤。 原理:將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。在應(yīng)變式稱重傳感器中，4個(gè)應(yīng)變片分別貼在彈性梁的4個(gè)敏感部位，傳感器受力作用后的變形情況如圖所示。第54頁/共86頁 各種懸臂梁(CYB-604懸臂梁稱重傳感器 )第55頁/共86頁 FF固定點(diǎn)固定點(diǎn)電纜第56頁/共86頁 第57頁/共86頁 第58頁/共86頁 懸臂梁應(yīng)變式電子秤的原理演示 第59頁/共86頁 在力(重物)的作用下，R

30、1，R3被拉伸，阻值增大，R1，R3為正值；R2，R4被壓縮，阻值減小，R2，R4為負(fù)值；再加之應(yīng)變片阻值變化的絕對值相同；即 R1=R3=+R 或 1=3=+ R2=R4=-R 或 2=4=- 因此 (=F/AE) 目前常用稱重傳感器有三種規(guī)格： 5kg，8kg，20kg。 主要技術(shù)指標(biāo)： 靈敏度：1.80.09mV/V； 電源電壓：15V；安全載荷：130。 第60頁/共86頁4)應(yīng)變式荷重傳感器 等截面圓柱應(yīng)變式荷重傳感器的原理演示 測力和稱重傳感器有一部分是采用應(yīng)變式荷重傳感器。圖示為荷重傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。 應(yīng)變片粘貼在鋼制圓柱（稱為等截面軸，可以是實(shí)心圓柱，也可以是空心薄壁圓筒）的

31、表面。在重力的作用下，等截面軸產(chǎn)生應(yīng)變（變短、變粗，見圖所示）。豎貼的R1、R3感受到的應(yīng)變與等截面軸的軸向應(yīng)變相同，為壓應(yīng)變，也變短。而橫貼的R2、R4沿圓周方向粘貼，根據(jù)材料力學(xué)和日常生活的經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)?shù)冉孛孑S受壓時(shí)，沿R2、R4的方向反而是受拉的，也變長，即等截面軸的軸向應(yīng)變與其徑向應(yīng)變符號相反。 R1、R2、R3、R4以正負(fù)相間的數(shù)值代入橋路公式中，可獲得較大的輸出電壓。 第61頁/共86頁4)應(yīng)變式荷重傳感器 荷重傳感器原理演示第62頁/共86頁 應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置FR1R2 R4第63頁/共86頁 應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FFFF第64頁/共86頁

32、 CYB-601拉式稱重傳感器 CYB-603輪輻式稱重傳感器 第65頁/共86頁 汽車衡第66頁/共86頁 汽車衡（以下參考北京遠(yuǎn)亞興業(yè)商貿(mào)有限公司資料 ）第67頁/共86頁 4)應(yīng)變式荷重傳感器的測量 測力和稱重傳感器絕大部分是應(yīng)變式荷重傳感器。圖所示為荷重傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。 設(shè)鋼制圓柱(可以是實(shí)心圓柱，也可以是空心薄壁圓柱)的有效截面積為A、泊松比為,彈性模量為E，四片特性相同的應(yīng)變片貼在圓柱外表面并接成全橋形式。如外加荷重為F，則傳感器輸出為 圖中，應(yīng)變片1、3感受的是圓 柱的軸向應(yīng)變，即1=3=X； 應(yīng)變片2、4感受的是圓柱的徑 向應(yīng)變，即2=4=-X X，由于將這些關(guān)系代入上式可

33、得 第68頁/共86頁 從上式可知，輸出電壓U。正比于荷重F。實(shí)際運(yùn)用中，生產(chǎn)廠家一般均給出荷重傳感器的靈敏度KF，設(shè)荷重傳感器的滿量程為Fm，橋路電壓為Ui，滿量程時(shí)的輸出電壓為Uom，則KF被定義為 由于U。往往是mV數(shù)量級，而Ui往往是V級(10V左右)，所以荷重傳感器的靈敏度以mVV為單位。 在額定荷重范圍內(nèi)，輸出電壓U。與被測荷重F成正比，所以有 當(dāng)KF為常數(shù)時(shí)，橋路所加的激勵(lì)源電壓Ui越高，滿量程輸出電壓Uom也越高，將上兩式代入可得到在被測荷重為F時(shí)的輸出電壓U。為 第69頁/共86頁例1：當(dāng)上圖中的荷重傳感器的橋路電壓為12V時(shí)，Uom=24mV，從圖所示的荷重傳感器銘牌上得到

34、F m=100 103N，KF= 2mV/V，當(dāng)測得橋路輸出為12mV時(shí)，求F等于多少? 第70頁/共86頁例2 采用4片相同的金屬絲應(yīng)變片（K=2)，將其貼在實(shí)心圓柱形測力彈性元件上。如圖所示，力F=1000kgf，圓柱斷面半徑r=1cm，彈性膜量E=2*107N/cm2,泊松比=0.3。求畫出應(yīng)變片在圓柱上粘貼位置及相應(yīng)測量橋路原理圖；各應(yīng)變片的應(yīng)變=？電阻相對變化量R/R；若供電橋壓U=6V，求橋路輸出電壓U0=?;此種測量方式能否補(bǔ)償環(huán)境溫度對測量的影響？ 第71頁/共86頁 解：采用4個(gè)相同的應(yīng)變片，粘貼位置如圖。其中R1、R3沿軸向粘貼，產(chǎn)生正應(yīng)變，R2、R4沿圓周方向粘貼產(chǎn)生負(fù)應(yīng)

35、變。測量電橋如圖。 1=3=F/AE=1000*9.8/(3.14*12*2*107)=1562*2*107)=-47R1/R1=R3/R3=k1=3.12*10-4R2/R2=R4/R4=-k2=-0.94*10-4 F R1 R3 R1 R2 U0 R2 R4 R4 R3 U 第72頁/共86頁 U0=(R1/R1+R3/R3-R2/R2-R4/R4)U/4=1.22mv 可以補(bǔ)償環(huán)境溫度的影響。4個(gè)相同的應(yīng)變片在同一個(gè)環(huán)境中，感受溫度變化產(chǎn)生電阻相對變化量相同，在全橋電路中不影響輸出值。 R1t/R1=R3t/R3=R2t/R2=R4t/R4=Rt/RUt=(R1t/R1+R3t/R3-R2t/R2-R4t/R4)U/4=0第73頁/共86頁 5).汽車衡稱重系統(tǒng) 第74頁/共86頁 6)應(yīng)變式加速度傳感器 圖所示為應(yīng)變式加速度傳感器原理圖。傳感器由質(zhì)量塊、彈性懸臂梁、應(yīng)變片和基座組成。 第75頁/共86頁 電子秤 磅秤超市打印秤遠(yuǎn)距離顯示7).其它應(yīng)用第7