第4章1A阻抗式傳感器

1、4 4、1 1 電阻式傳感器電阻式傳感器 學(xué)習(xí)電阻式傳感器的原理及應(yīng)用，電學(xué)習(xí)電阻式傳感器的原理及應(yīng)用，電阻式傳感器結(jié)構(gòu)阻式傳感器結(jié)構(gòu),電阻傳感器的特點(diǎn)。電阻傳感器的特點(diǎn)。 電阻式傳感器是將非電量轉(zhuǎn)化為電阻變電阻式傳感器是將非電量轉(zhuǎn)化為電阻變化的傳感器?；膫鞲衅?。)(電位器作為變阻器使用,短接CB若把xfRRRACABx)()(用若把電位器作分壓器使xfRUxfURUUABACx 導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的導(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)象稱值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為為應(yīng)變電阻效應(yīng)。應(yīng)變電阻效應(yīng)。 電阻應(yīng)變

2、式傳感器主要由電阻電阻應(yīng)變式傳感器主要由電阻應(yīng)變片及測量轉(zhuǎn)換電路等組成應(yīng)變片及測量轉(zhuǎn)換電路等組成。4、1、2 應(yīng)變式傳感器和壓阻式傳感器應(yīng)變式傳感器和壓阻式傳感器一、電阻一、電阻應(yīng)變應(yīng)變片的工作原理的工作原理 2llRAr金屬絲受拉時，金屬絲受拉時，l 變長、變長、r 變小，導(dǎo)致變小，導(dǎo)致R變大變大 。一、應(yīng)變效應(yīng)的理論基礎(chǔ)一、應(yīng)變效應(yīng)的理論基礎(chǔ) 1 1金屬導(dǎo)體的金屬導(dǎo)體的 電阻電阻( (線材線材) )2 2r A A = =r 2 2L L給出了總電阻的相對變化量與其它三個量的相對變化的關(guān)系。在給出了總電阻的相對變化量與其它三個量的相對變化的關(guān)系。在力的作用下，力的作用下，L L、A A、均

3、可發(fā)生變化，均可發(fā)生變化，R R 也就發(fā)生變化。也就發(fā)生變化。 應(yīng)變式電阻傳感器應(yīng)變式電阻傳感器AALLRRALRL L：長度，：長度，A A截面積、截面積、電阻率電阻率兩邊取對兩邊取對數(shù)再微分?jǐn)?shù)再微分應(yīng)變靈敏系數(shù):KAALLRR軸向線應(yīng)變KRRLL2AA)/ll/(為泊松比drdr)21( C金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)以結(jié)構(gòu)尺寸變化為主，包括軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變。2系數(shù)，約等于金屬電阻絲的應(yīng)變靈敏mmKkRR。100-50，約等于半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏系數(shù),阻率會發(fā)生變化。受到應(yīng)力作用時，其電壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體材料（壓阻效應(yīng)）電阻率發(fā)生變化而引起對變化主要由于受力后對半導(dǎo)體材料，電阻相ssKkRR應(yīng)變片用

4、于測量力應(yīng)變片用于測量力F的原理的原理由材料力學(xué)可知由材料力學(xué)可知,材料在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比材料在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比例關(guān)系，比例系數(shù)為例關(guān)系，比例系數(shù)為E,E,稱為材料的彈性模量。稱為材料的彈性模量。 AEFKKRRAEFAFEE因此，將因此，將應(yīng)變片牢固粘貼在試件或力敏感器上，如果應(yīng)變片應(yīng)變片牢固粘貼在試件或力敏感器上，如果應(yīng)變片的靈敏系數(shù)的靈敏系數(shù)K K和試件的橫截面積和試件的橫截面積A A以及彈性模量以及彈性模量均為已知，則均為已知，則只要設(shè)法測出只要設(shè)法測出 R R / /R R 的數(shù)值，即可獲知試件受力的數(shù)值，即可獲知試件受力的大小的大小。應(yīng)力應(yīng)力對于軸向應(yīng)變

5、對于軸向應(yīng)變()() 在材料力學(xué)中，在材料力學(xué)中， = l / l 稱為電阻絲的軸向應(yīng)變，也稱縱向稱為電阻絲的軸向應(yīng)變，也稱縱向應(yīng)變。應(yīng)變。 通常很小，常用通常很小，常用10-6表示。例如，當(dāng)表示。例如，當(dāng) 為為0.000001時，在時，在工程中常表示為工程中常表示為1 10-6或或 m/m。在應(yīng)變測量中，也常將之稱為。在應(yīng)變測量中，也常將之稱為微應(yīng)變微應(yīng)變(1)。1000 0.001 由金屬或半導(dǎo)體制成的應(yīng)變由金屬或半導(dǎo)體制成的應(yīng)變- -電阻轉(zhuǎn)電阻轉(zhuǎn)換元件稱為電阻應(yīng)變片，簡稱應(yīng)變片。換元件稱為電阻應(yīng)變片，簡稱應(yīng)變片。二、應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)二、應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu) 應(yīng)變片可分為金屬應(yīng)變片及半導(dǎo)體

6、應(yīng)變片兩大類。前者可分應(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成金屬絲式、箔式、薄膜式三種。材料主要是康銅。、箔式、薄膜式三種。材料主要是康銅。（1 1）金屬絲式應(yīng)變片使用最早，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式）金屬絲式應(yīng)變片使用最早，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢。所取代的趨勢。（2 2）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）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)定性好的銅鎳合金的。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金。（3 3）薄膜式應(yīng)變片采用真空蒸鍍等方法，在薄的基底材料上制）薄膜式應(yīng)變片采用真空蒸鍍等

7、方法，在薄的基底材料上制成金屬薄膜形成應(yīng)變片。其靈敏度系數(shù)較高，允許電流密度成金屬薄膜形成應(yīng)變片。其靈敏度系數(shù)較高，允許電流密度大，工作溫度范圍廣。大，工作溫度范圍廣。箔式應(yīng)變片的外形箔式應(yīng)變片的外形測量轉(zhuǎn)換電路測量轉(zhuǎn)換電路不平衡電橋不平衡電橋 金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤用歐姆表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。差很大。 .132414012341234Z ZZ ZZZUUUZZZZZZZZ)34,2 ,1(/ikRRRRZiiiiii)(4若44332211RRRRRRRRUUURRooii)

8、(44321kUUo電阻應(yīng)變傳感器接入電橋原則 因溫度引起的電阻變化是相同的，因此，若把電阻傳感器接在電橋橫跨電源的相鄰兩臂，溫度引起的電阻變化將互相抵消。 若兩個電阻應(yīng)變傳感器的電阻變化符號相同，應(yīng)接在電橋的相對兩臂，能提高輸出，但不能減小溫度影響和非線性誤差。 若兩個電阻應(yīng)變傳感器的電阻變化符號相反，應(yīng)接在電橋橫跨電源的相鄰兩臂，組成差動電橋，能提高輸出，并減小溫度影響和非線性誤差。)(444332211RRRRRRRRUUO應(yīng)變片接入電橋方式應(yīng)變片接入電橋方式 (1)單應(yīng)變片工作，單應(yīng)變片工作， (2)雙應(yīng)變片工作，把兩應(yīng)變片接入橫跨電源的相鄰雙應(yīng)變片工作，把兩應(yīng)變片接入橫跨電源的相鄰兩

9、臂，另兩臂接固定電阻。兩臂，另兩臂接固定電阻。0,43211RRRkRRxOxxOkUUkUURRkRRkRR2時，,即片受拉，另一片受壓，若粘貼應(yīng)變片時，使一)(40,2121432221114)(44321kUkUUO （3）四應(yīng)變片工作四應(yīng)變片工作 把四個應(yīng)變片接入電橋四臂，粘貼時使其中一對把四個應(yīng)變片接入電橋四臂，粘貼時使其中一對相對橋臂受拉力，另一對相對橋臂受壓力。相對橋臂受拉力，另一對相對橋臂受壓力。xOxyxxOxxkUkUURRRRkUkUUkRRRRkRRRR)1(2)(4,承受橫向應(yīng)變，承受縱向應(yīng)變，如果)(4432142314,23,1432144223311R1R3R2

10、R4FF )(00ttkRRRRR虛假視應(yīng)變:00tttttkRRRRR4)00(4)(4214321kUkUkUUot1t2xokUkUkUU2)00(4)(4214321tx1tx2五、應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用五、應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用 應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。它可以測量應(yīng)變、應(yīng)力、彎應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。它可以測量應(yīng)變、應(yīng)力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。矩、扭矩、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)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

11、專用應(yīng)變式傳感器。應(yīng)變式傳感器中，成測量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。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)換電路一般為不平衡電橋；轉(zhuǎn)換電路一般為不平衡電橋； 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)變儀上讀取被測試件的應(yīng)變量。（大橋儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測試件的應(yīng)變量。（大橋應(yīng)力測試）應(yīng)力測試） 應(yīng)變傳感器的基本組成部件，包括應(yīng)變片、測應(yīng)變傳感器的基本組成部件，包括應(yīng)變片、測量電路、彈性敏感元件及一些附件。量電路、彈性敏感元件及一些附件

12、。懸臂梁 P190 變截面梁（等強(qiáng)度梁） 可見，輸出電壓可見，輸出電壓Uo反映了力反映了力F的大小。的大小。等強(qiáng)度梁測量力FhEblkUKUUo206各種懸臂梁各種懸臂梁 FF固定點(diǎn)固定點(diǎn)固定點(diǎn)固定點(diǎn)電纜金屬箔式應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)、電子秤實(shí)驗(yàn)金屬箔式應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)、電子秤實(shí)驗(yàn) 四個金屬箔式應(yīng)變片分別粘貼在雙孔懸臂四個金屬箔式應(yīng)變片分別粘貼在雙孔懸臂梁的上下兩側(cè)。雙孔懸臂梁是敏感器，把梁的上下兩側(cè)。雙孔懸臂梁是敏感器，把受力作用轉(zhuǎn)換為應(yīng)變。受力作用轉(zhuǎn)換為應(yīng)變。應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式力傳感器 應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式力傳感器 FFFF應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置FF汽車衡汽車衡稱重系

13、統(tǒng)稱重系統(tǒng)電子秤電子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)距離顯示顯示人體秤人體秤 吊鉤秤吊鉤秤 便攜式便攜式應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手 可用于汽車、摩托車、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械可用于汽車、摩托車、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程裝配扭矩。量程2500N.m，耗電量，耗電量10mA，有公制有公制/英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動斷電英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動斷電等功能。等功能。固態(tài)壓阻式傳感器 壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料當(dāng)受到應(yīng)力作用時，其電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)?，F(xiàn)已制成兩種傳感器：（1）半

14、導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器；（2）在半導(dǎo)體基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻。特點(diǎn)：靈敏度高、分辨力高、頻率響應(yīng)高、傳感器體積小。缺點(diǎn)：溫度誤差大，當(dāng)溫度升高時，壓阻系數(shù)ks變小，傳感器靈敏度降低。需采用溫度補(bǔ)償電路。 溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差及其補(bǔ)償 壓阻式傳感器的靈敏度隨溫度升高而下降，叫靈敏度溫漂。壓阻式傳感器的靈敏度隨溫度升高而下降，叫靈敏度溫漂。 各電阻值隨溫度變化量不等，引起傳感器的零位溫漂。各電阻值隨溫度變化量不等，引起傳感器的零位溫漂。 應(yīng)采用零位溫漂補(bǔ)償應(yīng)采用零位溫漂補(bǔ)償,靈敏度溫漂補(bǔ)償電路。靈敏度溫漂補(bǔ)償電路。零位溫漂補(bǔ)償：零位溫漂補(bǔ)償：Rs：調(diào)零：調(diào)零 Rp：負(fù)溫度系數(shù)電阻：負(fù)溫度系

15、數(shù)電阻當(dāng)溫度升高，當(dāng)溫度升高，R2 ，Rp 靈敏度溫漂補(bǔ)償：靈敏度溫漂補(bǔ)償：利用二極管的負(fù)溫度特性：溫度利用二極管的負(fù)溫度特性：溫度升高，二極管正向壓降減小，電升高，二極管正向壓降減小，電橋電壓升高，補(bǔ)償靈敏度的下降。橋電壓升高，補(bǔ)償靈敏度的下降。壓阻式固態(tài)壓阻式固態(tài) 壓力傳感器壓力傳感器 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)信號處理電信號處理電路路小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器高壓進(jìn)氣口高壓進(jìn)氣口低壓進(jìn)氣口低壓進(jìn)氣口橋梁應(yīng)力的測量橋梁應(yīng)力的測量斜拉橋上的斜拉斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測試?yán)K應(yīng)變測試 作業(yè) P77第3題 P198第10題 補(bǔ)充題1：以阻值R=120,靈敏系數(shù)K=2.0的電阻應(yīng)變片與阻值120的固定電阻組成電橋，電橋供電