傳感器與檢測技術(shù)

1、四川理工學(xué)院四川理工學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)Sensor and Measurement TechnologyCh0; Ch1; Ch2; Ch3; Ch4; Ch5; Ch6; Ch7; Ch8; Ch9S&M Ch2第第2章章 電阻式傳感器電阻式傳感器v電阻式傳感器的種類繁多，應(yīng)用廣泛，其電阻式傳感器的種類繁多，應(yīng)用廣泛，其基本原理是將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電基本原理是將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路而最后阻值的變化，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路而最后顯示被測量值的變化。顯示被測量值的變化。v電阻式傳感器與相應(yīng)的測量電路組成的測電阻式傳感器與相應(yīng)的測量電路

2、組成的測力、測壓、稱重、測位移、測加速度、測力、測壓、稱重、測位移、測加速度、測扭矩、測溫度等測試系統(tǒng)。目前已成為生扭矩、測溫度等測試系統(tǒng)。目前已成為生產(chǎn)過程檢測以及實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化不可缺少產(chǎn)過程檢測以及實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化不可缺少的手段之一的手段之一S&M Ch2第第2章章 電阻式傳感器電阻式傳感器 電位器式傳感器電位器式傳感器1 應(yīng)變片式傳感器應(yīng)變片式傳感器2S&M Ch22.1 電位器式傳感器電位器式傳感器v電位器是一種常用的機(jī)電元件，廣泛應(yīng)用于各種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

3、位移輸入量轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的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來使用。它們主要用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、航面角等各種參數(shù)。于測量壓力、高度、加速度、航面角等各種參數(shù)。 v電位器式傳感器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡單、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)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)任意函數(shù)。其缺點(diǎn)是要求輸入能量定并容易實(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易磨損。大，電刷與電阻元件之間容易磨損。v電位器的種類很多，按其結(jié)構(gòu)形

4、式不同，可分為電位器的種類很多，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線性電位器。目前常用的以單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。圈線繞電位器居多。S&M Ch22.1.1 線性電位器線性電位器電位器式位移傳感器原理圖電位器式位移傳感器原理圖電位器式角度傳感器電位器式角度傳感器線性電位器的空載特性線性電位器的空載特性S&M Ch22.1.2 非線性電位器非線性電位器v非線性電位器是指在空載時其輸出電壓非線性電位器是指在空載時其輸出電壓(或電阻或電阻)與與 電刷行程之間

5、具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電電刷行程之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器，也稱函數(shù)電位器。位器，也稱函數(shù)電位器。v常用的非線性線繞電位器有變骨架式、變節(jié)距式、常用的非線性線繞電位器有變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式及電位給定式四種。分路電阻式及電位給定式四種。S&M Ch22.1.3 負(fù)載特性與負(fù)載誤差負(fù)載特性與負(fù)載誤差帶負(fù)載的電位器帶負(fù)載的電位器電位器的負(fù)載特性曲線族電位器的負(fù)載特性曲線族S&M Ch22.1.4 電位器的結(jié)構(gòu)與材料電位器的結(jié)構(gòu)與材料v由于測量領(lǐng)域的不同，電位器結(jié)構(gòu)及材料選擇有由于測量領(lǐng)域的不同，電位器結(jié)構(gòu)及材料選擇有所不同。但是其基本結(jié)構(gòu)是相近的。電位器通常所不同

6、。但是其基本結(jié)構(gòu)是相近的。電位器通常都是由骨架、電阻元件及活動電刷組成。常用的都是由骨架、電阻元件及活動電刷組成。常用的線繞式電位器的電阻元件由金屬電阻絲繞成。線繞式電位器的電阻元件由金屬電阻絲繞成。某某些些電電刷刷結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)S&M Ch22.1.5 電位器式傳感器應(yīng)用舉例電位器式傳感器應(yīng)用舉例電位器式位移傳感器示意圖電位器式位移傳感器示意圖S&M Ch22.2 應(yīng)變片式傳感器應(yīng)變片式傳感器電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理金屬電阻應(yīng)變片主要特性金屬電阻應(yīng)變片主要特性溫度誤差及補(bǔ)償溫度誤差及補(bǔ)償應(yīng)變片式電阻傳感器的測量電路應(yīng)變片式電阻傳感器的測量電路應(yīng)變片式電阻傳感器的應(yīng)用

7、舉例應(yīng)變片式電阻傳感器的應(yīng)用舉例S&M Ch22.2.1 電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理v電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。S&M Ch22.2.1 電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理金屬絲伸長后幾何尺寸金屬絲伸長后幾何尺寸S&M Ch22.2.1 電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理設(shè)有一根長度為l、截面積為S、電阻率為的金屬絲，其電阻R為SlR兩邊取對數(shù)，得等式兩邊取微分，得SlRlnlnlnlnSdSldld

8、RdRS= r 2dS /S=2dr/rdr/r為金屬絲半徑的相對變化，即徑向應(yīng)變?yōu)閞。S&M Ch22.2.1 電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理v由材料力學(xué)知由材料力學(xué)知r= 泊松系數(shù)泊松系數(shù))21 ()21 (dldldRdR將微分將微分dR、d改寫成增量改寫成增量R、，則則SKllllRR)/21 (金屬絲電阻的相對變化與金屬絲的伸長或縮短之金屬絲電阻的相對變化與金屬絲的伸長或縮短之間存在比例關(guān)系。間存在比例關(guān)系。比例系數(shù)比例系數(shù)KS稱為金屬絲的應(yīng)稱為金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)變靈敏系數(shù)。S&M Ch22.2.1 電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理v物理意義：單位

9、應(yīng)變引起的電阻相對變化。物理意義：單位應(yīng)變引起的電阻相對變化。vKS由兩部分組成：由兩部分組成：v前一部分是（前一部分是（1+2），由材料的幾何尺寸變化引），由材料的幾何尺寸變化引起，一般金屬起，一般金屬0.3，因此（，因此（1+2）1.6；v后一部分為后一部分為 ，電阻率隨應(yīng)變而引起的，電阻率隨應(yīng)變而引起的（稱（稱“壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)”）。）。ll /S&M Ch22.2.2 金屬電阻應(yīng)變片主要特性金屬電阻應(yīng)變片主要特性v金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)及材料金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)及材料 由敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和粘結(jié)劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能。因此，應(yīng)根據(jù)使用條件和

10、要求合理地加以選擇。 2341電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖bl柵長柵長柵寬柵寬S&M Ch22.2.2 金屬電阻應(yīng)變片主要特性金屬電阻應(yīng)變片主要特性v 電阻應(yīng)變片主要特性電阻應(yīng)變片主要特性 靈敏系數(shù)靈敏系數(shù) 橫向效應(yīng)橫向效應(yīng) 機(jī)械滯后，零漂及蠕變機(jī)械滯后，零漂及蠕變 溫度效應(yīng)溫度效應(yīng) 應(yīng)變極限、疲勞壽命應(yīng)變極限、疲勞壽命 動態(tài)響應(yīng)特性動態(tài)響應(yīng)特性S&M Ch22.2.3 溫度誤差及補(bǔ)償溫度誤差及補(bǔ)償v由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，從而產(chǎn)生很大的測量誤

11、差，稱為應(yīng)變級，從而產(chǎn)生很大的測量誤差，稱為應(yīng)變片的片的溫度誤差溫度誤差，又稱，又稱熱輸出熱輸出。v因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素：要因素： 應(yīng)變片的電阻絲應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵敏感柵)具有一定溫度系數(shù)；具有一定溫度系數(shù)； 電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。 S&M Ch22.2.3 溫度誤差及補(bǔ)償溫度誤差及補(bǔ)償v溫度補(bǔ)償（自補(bǔ)償法和線路補(bǔ)償法）溫度補(bǔ)償（自補(bǔ)償法和線路補(bǔ)償法） 單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片 單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造和單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造和使用都

12、比較方便，但它必須在具有一定線膨脹使用都比較方便，但它必須在具有一定線膨脹系數(shù)材料的試件上使用，否則不能達(dá)到溫度自系數(shù)材料的試件上使用，否則不能達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。補(bǔ)償?shù)哪康摹ｋp絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片 是由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一是由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負(fù)值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達(dá)到一種為負(fù)值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達(dá)到一定的溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實(shí)現(xiàn)溫度定的溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償補(bǔ)償S&M Ch22.2.3 溫度誤差及補(bǔ)償溫度誤差及補(bǔ)償 電路補(bǔ)償法電路補(bǔ)償法 如圖，電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關(guān)系為如圖，

13、電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關(guān)系為3241RRRRAUSCA由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。USCR2R4R1R3E橋路補(bǔ)償法由上式可知，當(dāng)由上式可知，當(dāng)R3、R4為常數(shù)時，為常數(shù)時，Rl和和R2對輸出電壓的作對輸出電壓的作用方向相反。用方向相反。S&M Ch22.2.3 溫度誤差及補(bǔ)償溫度誤差及補(bǔ)償 電路補(bǔ)償法（續(xù)）電路補(bǔ)償法（續(xù)） 采用熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償采用熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償U(kuò)SCR2R4R1R3ERtR5S&M Ch22.2.4 應(yīng)變片式電阻傳感器的測量電路應(yīng)變片式電阻傳感器的測量電路v應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對變化應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電

14、阻相對變化R/R，要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能用電測儀表進(jìn)行測量。用電測儀表進(jìn)行測量。 R2R4R1R3E電橋線路原理圖RgACDIgBS&M Ch22.2.4 應(yīng)變片式電阻傳感器的測量電路應(yīng)變片式電阻傳感器的測量電路2143432143213241RRRRRRRRRRRRRRRRREIgg式中 Rg為負(fù)載電阻，因而其輸出電壓Ug為12143432143213241RRRRRRRRRRRRRRRRRERIUgggg當(dāng)R1R4=R2R3時，Ig=0，Ug=0，即電橋處于平衡狀態(tài)。若電橋的負(fù)載電阻負(fù)載電阻Rg為無窮大，則B、D兩點(diǎn)可視

15、為開路，上式可以化簡為43213241RRRRRRRREUgS&M Ch22.2.4 應(yīng)變片式電阻傳感器的測量電路應(yīng)變片式電阻傳感器的測量電路設(shè)R1為應(yīng)變片的阻值，工作時R1有一增量R，當(dāng)為拉伸應(yīng)變時，R為正；壓縮應(yīng)變時，R為負(fù)。在上式中以R1+R代替R1，則43213241RRRRRRRRRREUg設(shè)電橋各臂均有相應(yīng)的電阻增量各臂均有相應(yīng)的電阻增量R1、R2、R3、R4時 4433221133224411RRRRRRRRRRRRRRRREUg在實(shí)際使用時，一般多采用等臂電橋或?qū)ΨQ電橋。在實(shí)際使用時，一般多采用等臂電橋或?qū)ΨQ電橋。S&M Ch22.2.4 應(yīng)變片式電阻傳感器的測

16、量電路應(yīng)變片式電阻傳感器的測量電路1 1、等臂電橋、等臂電橋當(dāng)當(dāng)R R1 1= =R R2 2= =R R3 3= =R R4 4= =R R時，稱為等臂電橋。時，稱為等臂電橋。此時電橋輸出可寫為此時電橋輸出可寫為43213241432122RRRRRRRRRRRRRRREUg一般情況下，一般情況下，Ri（i=1，2，3，4）很小，即）很小，即RRi，略去高階微量，并利用略去高階微量，并利用 式得到式得到KRR4321432144EKRRRRRRRREUgS&M Ch22.2.4 應(yīng)變片式電阻傳感器的測量電路應(yīng)變片式電阻傳感器的測量電路 當(dāng)當(dāng)RiR時，輸出電壓與應(yīng)變呈線性關(guān)系。時，輸出

17、電壓與應(yīng)變呈線性關(guān)系。 若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變?nèi)粝噜弮蓸虮鄣膽?yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)變時，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩或壓應(yīng)變時，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的極性不同時，輸出電壓為兩者之和。橋臂的極性不同時，輸出電壓為兩者之和。 若相對兩橋臂應(yīng)變的極性一致時，輸出電壓為若相對兩橋臂應(yīng)變的極性一致時，輸出電壓為兩者之和；相對橋臂的應(yīng)變極性相反時，輸出兩者之和；相對橋臂的應(yīng)變極性相反時，輸出電壓為兩者之差。電壓為兩者之差。KERREUg44單臂工作時，輸出電壓為單臂工作時，輸出電壓為S&M Ch22.2.4 應(yīng)變片式電阻傳感器的測量電路應(yīng)變片式電阻傳感器的測

18、量電路當(dāng)考慮單臂工作時，即AB橋臂變化R，則112114211424KKERRRRERRREUg由上式展開級數(shù)，得3281412114KKKKEUg則電橋的相對非線性誤差為32328141214814121144KKKKEKKKKEKE可見，K愈大，愈大，通常K1。1/2KS&M Ch22.2.4 應(yīng)變片式電阻傳感器的測量電路應(yīng)變片式電阻傳感器的測量電路v例：設(shè)K=2，要求非線性誤差1%，試求允許測量的最大應(yīng)變值max。v結(jié)論：如果被測應(yīng)變大于10000，采用等臂電橋時的非線性誤差大于1%。01.021maxK1000001. 0201. 0201. 02maxKS&M Ch2

19、2.2.4 應(yīng)變片式電阻傳感器的測量電路應(yīng)變片式電阻傳感器的測量電路2 2、第一對稱電橋、第一對稱電橋若電橋橋臂兩兩相等，即R1=R2=R，R3=R4=R，則稱它為第一對稱電橋，如圖，實(shí)質(zhì)上它是半等臂電橋。設(shè)R1有一增量R，電橋的輸出電壓為RRRERRRRRRRREUg2422RRRRE21114UgR2=RR4=RR1=RR3=RE第一對稱電橋BACDS&M Ch22.2.4 應(yīng)變片式電阻傳感器的測量電路應(yīng)變片式電阻傳感器的測量電路3、第二對稱電橋半 等 臂 電 橋 的 另 一 種 形 式 為R1=R3=R，R2=R4=R，稱為第二對稱電橋。若R1有一增量R，則RRRRRRRRRREUgRRkkkkRREUg111121RRkUgR2=RR4=RR1=RR3=RE第二對