第2章 電阻式傳感器

1、 被測(cè)量電阻 輸出 電阻式缺少的手段傳感器的種類(lèi)繁多，應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于測(cè)力、測(cè)壓、稱(chēng)重、測(cè)位移、測(cè)加速度、測(cè)扭矩、測(cè)溫度等檢測(cè)系統(tǒng)。目前已成為生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)以及實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化不可之一。測(cè)量電路2.1 電阻式位移傳感器2.2 應(yīng)變式電阻傳感器 2.3 壓阻式傳感器 2.4 電阻式傳感器的應(yīng)用 第章電阻式傳感器第章電阻式傳感器 位移是指物體的某個(gè)表面或某點(diǎn)相對(duì)于參考表面或參考點(diǎn)位置的變化。位移有線位移和角位移兩種。n線位移是指物體沿著某一條直線移動(dòng)的距離；n角位移是指物體繞著某一定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角度。 在機(jī)械工程中經(jīng)常要精確測(cè)量零部件的位移或位置，并且力、壓力、扭矩、速度、加速度、溫度、流量等參數(shù)也可

2、經(jīng)轉(zhuǎn)換為位移進(jìn)行測(cè)量。2.1 電阻式位移傳感器電阻實(shí)際的金屬導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的尺寸及材料的導(dǎo)電性能有關(guān)。SlR式中稱(chēng)為電阻率，是表示材料對(duì)電流起阻礙作用的物理量。l 是導(dǎo)體的長(zhǎng)度， S 為導(dǎo)體的截面積。2.1 電阻式位移傳感器 從上式可見(jiàn)，若導(dǎo)體的三個(gè)參數(shù)(電阻率、長(zhǎng)度L或截面積S)中的一個(gè)或數(shù)個(gè)發(fā)生變化，則電阻值隨著變化，因此可利用此原理來(lái)構(gòu)成傳感器。電位計(jì)和應(yīng)變片就是根據(jù)這一原理制成的。例如，若改變長(zhǎng)度L，則可制成電位計(jì)；改變L、S則可制成電阻應(yīng)變式2.1 電阻式位移傳感器 2.1.1 電位器如果電阻絲直徑（S)和材質(zhì)()一定時(shí)，則電阻值隨導(dǎo)線長(zhǎng)度L而變化。根據(jù)這一原理制成電位器2.1 電

3、阻式位移傳感器2.1.1 電位器-結(jié)構(gòu) 電位計(jì)是一種常用的機(jī)電元件。通常由骨架、電阻元件（線圈）及電刷（滑動(dòng)觸點(diǎn)）等零件組成。其形式有直滑式和旋轉(zhuǎn)式。旋轉(zhuǎn)式有單圈和多圈兩種。（a） 直滑式； (b) 單圈旋轉(zhuǎn)式； (c) 多圈旋轉(zhuǎn)式 2.1 電阻式位移傳感器（1）電阻元件通常由極細(xì)的絕緣導(dǎo)線按照一定規(guī)律整齊地繞在一個(gè)絕緣骨架上形成。在它與電刷接觸的部分，去掉絕緣導(dǎo)線表面的絕緣層并拋光，形成一個(gè)電刷可在其上滑動(dòng)的光滑而平整的接觸道。電阻元件除了由極細(xì)的絕緣導(dǎo)線繞制外，還可以采用具有較高電阻率的薄膜制成。電位計(jì)的電阻元件通常有線繞電阻、薄膜電阻、導(dǎo)電塑料（即有機(jī)實(shí)心電位計(jì)）等。2.1 電阻式位移傳

4、感器（2）電刷通常由具有一定彈性的耐磨金屬薄片或金屬絲制成，接觸端處彎曲成弧形。利用電刷與電阻本身的彈性變形產(chǎn)生的彈性力，使電刷與電阻元件有一定的接觸壓力，以使兩者在相對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中保持可靠的接觸和導(dǎo)電。 線圈繞于骨架上，電刷可在繞線上滑動(dòng)，從一匝滑到另一匝，當(dāng)滑動(dòng)電刷在繞線上的位置改變時(shí)，改變了繞線的長(zhǎng)度，從而改變了電阻。2.1 電阻式位移傳感器2.1.1 電位器-結(jié)構(gòu)與材料1. 繞線式電位器 常用的繞線式電位器通常由電阻絲、電刷及骨架構(gòu)成。 1) 電阻絲 l要求：電阻系數(shù)高，電阻溫度系數(shù)小，強(qiáng)度高，延展性好，對(duì)銅的熱電勢(shì)盡可能小，耐磨耐腐蝕，焊接性好。l常用材料：銅鎳合金類(lèi)、銅錳合金類(lèi)、鉑銥

5、合金類(lèi)、鎳鉻絲、卡瑪絲及銀鈀絲等。2.1 電阻式位移傳感器l 材料：要與電阻絲材料配合選擇，通常是使電刷材料的硬度與電阻絲材料的硬度相近或稍高些，而且要保證電刷觸點(diǎn)具有良好的抗氧化能力、接觸電勢(shì)要小。 常用的電刷觸頭材料有銀、鉑銥、鉑銠等金屬。 2) 電刷l 結(jié)構(gòu)：由具有彈性的金屬薄片或金屬絲制成，末端彎曲形成弧形。3) 骨架 l 材料：形狀穩(wěn)定，電氣絕緣好，有足夠的強(qiáng)度和剛度，散熱性好，耐潮濕，易加工。2.1 電阻式位移傳感器2. 非線繞式電位器 1) 薄膜電位器l 碳膜電位器：在絕緣骨架表面上噴涂一層均勻的電阻液，經(jīng)烘干聚合后而制成電阻。 優(yōu)點(diǎn)： 分辨率高、耐磨性較好、工藝簡(jiǎn)單、成 本較

6、低、線性度較好。 缺點(diǎn)： 接觸電阻大、噪聲大。l 金屬膜電位器：在玻璃或膠木基體上，用高溫蒸鍍或電鍍方法，涂覆一層金屬膜而制成。 優(yōu)點(diǎn)：溫度系數(shù)小，可在高溫環(huán)境下工作。 缺點(diǎn)：耐磨性差、功率小、阻值不高(1k2k)。2.1 電阻式位移傳感器 這種電位器由塑料粉及導(dǎo)電材料粉(合金、石墨、炭黑等)壓制而成，它又稱(chēng)為實(shí)心電位器。 優(yōu)點(diǎn)：耐磨性較好、壽命較長(zhǎng)、電刷允許的接觸壓力 較大，適用于振動(dòng)、沖擊等惡劣條件下工作， 且阻值范圍大，能承受較大的功率。 缺點(diǎn)：溫度影響較大、接觸電阻大、精度不高。 2) 導(dǎo)電塑料電位器2.1 電阻式位移傳感器3) 光電電位器光電電位器原理圖 優(yōu)點(diǎn)：耐磨性好，精度、分辨率

7、高，壽命長(zhǎng)(可達(dá)億萬(wàn)次循環(huán))、可靠性好，阻值范圍寬(50015M)等。 缺點(diǎn)：輸出電流較小，需配備高輸入阻抗放大器工作，工作溫度的范圍比較窄，線性度不高。此外，光電電位器需要照明光源和光學(xué)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，體積和重量較大。 2.1 電阻式位移傳感器2.1.1 電位器-類(lèi)型： 按電位計(jì)的結(jié)構(gòu)形式可分為：直線位移型、角位移型和非線形型。 按電位計(jì)的輸入/輸出特性可分為：線性電位器、非線性電位器 圖2-1 電位計(jì)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型（a）直線位移型；（b）角位移型；（3）非線性型2.1 電阻式位移傳感器2.1.2 工作原理 當(dāng)被測(cè)量發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)電刷觸點(diǎn)在電阻元件上產(chǎn)生移動(dòng)，該觸點(diǎn)與電阻元件間的電阻值就會(huì)

8、發(fā)生變化，即可實(shí)現(xiàn)位移(被測(cè)量)與電阻之間的線性轉(zhuǎn)換。 1) 線性電位器 maxmaxmaxmaxxxRxUUURxmaxmaxxRRRxk xxmaxmaxxuUUxk xx直線位移式電位器傳感器原理圖 2.1 電阻式位移傳感器角位移式電位器傳感器原理圖 2.1 電阻式位移傳感器線性直線位移式電位器工作原理示意圖 2.1 電阻式位移傳感器2) 非線性電位器 輸入量位移和輸出電壓之間呈現(xiàn)某種函數(shù)規(guī)律的非線性變化，可以實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)，常用的非線性電位器有變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式和電位給定式等四種。變骨架式非線性電位器 2.1 電阻式位移傳感器2ddxbhRxAtd2dxRAthbx ddxR

9、RkxddxuUkx電阻靈敏度為電壓靈敏度為2.1 電阻式位移傳感器2.1.3 基本特性 1) 階梯特性（線繞電位計(jì)） 當(dāng)電刷在多匝導(dǎo)線上移動(dòng)時(shí)，電位器的阻值和輸出電壓不是連續(xù)變化，而是階躍式地變化。電刷每移動(dòng)過(guò)一匝線圈，電阻就突然增加一匝阻值，輸出電壓就產(chǎn)生一次階躍。 maxUUn 線性電位器的階梯 特性曲線圖 2.1 電阻式位移傳感器maxmaxmax11nUUmUmmUnnn nnmUUU 當(dāng)電刷從m-1匝移至m匝時(shí)，電刷瞬間使相鄰兩匝線圈短接，于是電位器的總匝數(shù)從n匝減少到n-1匝，則： 在理想情況下，特性曲線各個(gè)階梯的大小完全相同，則穿過(guò)每個(gè)階梯中點(diǎn)的直線即是理論直線，階梯曲線圍繞它

10、上下波動(dòng)從而產(chǎn)生一定的偏差，這種偏差就是階梯誤差。 理想階梯特性曲線圖 2.1 電阻式位移傳感器 電位器的階梯誤差 通常用理想階梯特性曲線對(duì)理論直線最大偏差值與最大輸出電壓值之比的百分?jǐn)?shù)表示，即iel 階梯誤差 maxmax112100%100%2iUneUn 2.1 電阻式位移傳感器l 分辨率%1001nRnRRS線繞式電位計(jì)的分辨率是指電位計(jì)所能反映的輸入量的最小變化量與全量程輸入量的比值2.1 電阻式位移傳感器n 線繞式電位計(jì)的階梯誤差和分辨率是由于其工作原理的不完善而引起的，是一種原理性誤差,它決定了線繞式電位計(jì)所能達(dá)到的最高精度。n在實(shí)際設(shè)計(jì)中,減少階梯誤差的主要方式就是增加匝數(shù)。當(dāng)

11、骨架長(zhǎng)度一定時(shí)，就要減小導(dǎo)線直徑（小型電位計(jì)通常選0.5mm或更細(xì)的導(dǎo)線） ；反之當(dāng)導(dǎo)線直徑一定時(shí)，就要增加骨架長(zhǎng)度（如采用多圈螺旋電位器)。n分辨率與階梯誤差有關(guān)，當(dāng)骨架長(zhǎng)度一定時(shí)，階梯誤差由線繞電位計(jì)的導(dǎo)線直徑?jīng)Q定。線徑越小，匝數(shù)越多，階梯誤差越小，分辨率越高。反之亦然。2) 負(fù)載特性（線性電位器） 帶負(fù)載的電位器電路 LLLmaxLLLmaxLLmax2Lmaxmax () xxxxxxxxxxR RUIRRUR RR RRRRRRRRRURRRRR 電位器的負(fù)載電阻為 ，則此電位器的輸出電壓為：LR2.1 電阻式位移傳感器設(shè)電阻的相對(duì)變化 負(fù)載系數(shù) 則電位器相對(duì)輸出電壓為 maxxRr

12、Rm axLRmRmax11LUrYUrmr 可見(jiàn)，當(dāng)m0，即RL 不是無(wú)窮大時(shí)，Y 與r 為非線性關(guān)系。2.1 電阻式位移傳感器l 電位器的負(fù)載特性曲線 負(fù)載特性曲線（m0）均為下垂曲線，說(shuō)明負(fù)載輸出電壓比空載輸出電壓低，這種偏差即為負(fù)載誤差。 電位器負(fù)載特性曲線 負(fù)載誤差 LL100%1 1100%1(1)xxUUeUmrr2.1 電阻式位移傳感器對(duì)于線性電位器有 maxmaxxRxrXRx線性電位器負(fù)載誤差曲線 L11100%1(1)emXX故 可見(jiàn)，無(wú)論 為何值，電刷在起始位置和最大位置時(shí)，負(fù)載誤差都為零，當(dāng)電刷處于行程中心位置時(shí)，負(fù)載誤差最大。 m2.1 電阻式位移傳感器l線性電位計(jì)

13、的空載特性 線性電位計(jì)：其單位長(zhǎng)度（或轉(zhuǎn)角）的電阻值是常數(shù)。（以直線電位計(jì)為例），如下圖電位計(jì)電阻長(zhǎng)度為L(zhǎng)，總電阻為R,電刷位移X,相應(yīng)的電阻為Rx,電源電壓Ui,輸出電壓U0Ku電位計(jì)的電位計(jì)的電壓靈敏度電壓靈敏度(V/m)，當(dāng)電位計(jì)結(jié)構(gòu)及電源電，當(dāng)電位計(jì)結(jié)構(gòu)及電源電壓確定后，壓確定后， Ku和和KR為常數(shù)，線性電位計(jì)輸出與電刷位移為常數(shù)，線性電位計(jì)輸出與電刷位移（或）轉(zhuǎn)角呈線性關(guān)系。（或）轉(zhuǎn)角呈線性關(guān)系。xKxLRRRxxKxLURRUUuixio）電位計(jì)的電阻靈敏度（mK/R若電位器為空載（RL=）時(shí) ,即空載特性為:電位計(jì)輸出空載電壓為:l線性電位計(jì)的空載特性?xún)?yōu)點(diǎn)：電位計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；價(jià)格

14、低廉；對(duì)環(huán)境條件要求不高；輸出信號(hào)大，易于轉(zhuǎn)換（一般不需要放大就可以直接作為輸出）；性能穩(wěn)定，并容易實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)關(guān)系。缺點(diǎn)：要求輸入能量大（觸點(diǎn)始終存在摩擦和損耗。由于有摩擦，就要求電位計(jì)有比較大的輸入功率，否則就會(huì)降低電位計(jì)的性能）；由于電刷與電阻元件之間有摩擦，容易磨損，產(chǎn)生噪聲干擾，因此可靠性不太好，靈敏度較低，分辨力有限， 精度不夠高， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，僅適于測(cè)量變化較緩慢的量。2.1 電阻式位移傳感器2.1.4 優(yōu)缺點(diǎn)2.1.5 非線性電位計(jì) n非線性電位計(jì)的輸出電壓（或電阻）與電刷位移之間具有非線性函數(shù)關(guān)系，即電位計(jì)可以將位移或轉(zhuǎn)角變換成與之有某種函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。 n非線性

15、電位計(jì)的結(jié)構(gòu)形式有變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式和電位給定式等。2.1 電阻式位移傳感器n變骨架式電位器是利用改變骨架高度或?qū)挾鹊姆椒▉?lái)實(shí)現(xiàn)非線性函數(shù)特性。變骨架高度式非線性電位器2.1 電阻式位移傳感器n變骨架式非線性電位器是在保持電位器結(jié)構(gòu)參數(shù)、S、t不變時(shí),只改變骨架寬度b或高度h來(lái)實(shí)現(xiàn)非線性函數(shù)關(guān)系n我們以只改變高度h的變骨架高度式非線性線繞電位器為例,則保持、S、t、b 不變。n當(dāng)電位計(jì)在空載時(shí)，要求輸出電阻R為電刷位移x的某種函數(shù)f(x)，則需求出骨架高度h隨x的變化規(guī)律。非線性電位計(jì) 骨架高度與位移的關(guān)系2.1 電阻式位移傳感器n在上圖所示曲線上任取一小段,則可視為直線,當(dāng)電刷移

16、動(dòng)微笑位移為dx時(shí)，引起相應(yīng)的電阻變化就是dR,則SthbdxdR)(2bdxdUIStbdxdRSth022式中 b骨架寬度（m); S導(dǎo)線的導(dǎo)電截面積 t 繞線節(jié)距，即相鄰兩導(dǎo)線間距離（m) 導(dǎo)線電阻率（.m); I流過(guò)電位計(jì)的電流（A) U0_ 電位計(jì)輸出電壓（V)非線性電位計(jì) 骨架高度與位移的關(guān)系2.1 電阻式位移傳感器n由于S、t、b、I均為常數(shù)，而dR/dx和dU0/dx都是x的函數(shù)，所以骨架高度h是電刷位移x的函數(shù)，且與dR/dx和dU0/dx有關(guān)。n電阻靈敏度dxdRKRn電壓靈敏度dxdUKU0非線性電位計(jì) 空載特性n由于非線性電位計(jì)輸出電壓（或）電阻與電刷位移之間是非線性函

17、數(shù)關(guān)系，因此空載特性是一條曲線。其電壓、電阻靈敏度與電刷位移x有關(guān)，由于骨架高度是變化的,因而階梯特性的階梯也是變化的,最大階梯值發(fā)生在特性曲線斜率最大處,故階梯誤差發(fā)生在特性曲線斜率最高處?？偨Y(jié)總結(jié)原始原始輸入量輸入量 變換變換原理原理 物理物理現(xiàn)象現(xiàn)象 能量能量關(guān)系關(guān)系 輸出量輸出量 位移 歐姆定律結(jié)構(gòu)型 控制型 電阻或電壓 39n課堂練習(xí)4015、繞線式線性電位計(jì)階梯誤差的存在限制了它的、繞線式線性電位計(jì)階梯誤差的存在限制了它的（ ）和分辨力：（模擬五）和分辨力：（模擬五）4115、繞線式線性電位計(jì)階梯誤差的存在限制了它的、繞線式線性電位計(jì)階梯誤差的存在限制了它的（ 精度精度 ）和分辨力

18、：（模擬五）和分辨力：（模擬五）4231、某線繞式線性電位計(jì)的骨架直徑D0=10mm，總長(zhǎng)度L0=100mm，導(dǎo)線直徑d=0.1mm,電阻率=0.6*10（-6） .m；總匝數(shù)W=1000。試計(jì)算該電位計(jì)的空載電阻靈敏度KR(2010）4331、某線繞式線性電位計(jì)的骨架直徑D0=10mm，總長(zhǎng)L0=100mm，導(dǎo)線直徑d=0.1mm,電阻率=0.6*10（-6） .m；總匝數(shù)W=1000。試計(jì)算該電位計(jì)的空載電阻靈敏度KR(2010）mmdLWDdLWDSLWDLSWDLRK/24)10*1 . 0(*1001000*10*10*10*6 . 0*44423362002000000R4418、

19、繞線式非線性電位計(jì)的最大階梯誤差發(fā)生在特、繞線式非線性電位計(jì)的最大階梯誤差發(fā)生在特性曲線（性曲線（ ）的最大處：（）的最大處：（2010）4518、繞線式非線性電位計(jì)的最大階梯誤差發(fā)生在特、繞線式非線性電位計(jì)的最大階梯誤差發(fā)生在特性曲線（性曲線（ 斜率斜率 ）的最大處：（）的最大處：（2010）4631、某繞線式線性電位計(jì)如圖所示，電位計(jì)的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)=100mm,總電阻為R=20，輸入電壓Ui=24V,試求：（試求：（單元測(cè)試一）單元測(cè)試一）（1）電位計(jì)的靈敏度）電位計(jì)的靈敏度KR輸和電壓靈敏度輸和電壓靈敏度KU;（2）當(dāng)電刷的位移）當(dāng)電刷的位移x=24mm時(shí)，相應(yīng)的電阻時(shí)，相應(yīng)的電阻Rx和電

20、位計(jì)輸和電位計(jì)輸出的空載電壓出的空載電壓U04731、某繞線式線性電位計(jì)如圖所示，電位計(jì)的總長(zhǎng)、某繞線式線性電位計(jì)如圖所示，電位計(jì)的總長(zhǎng)度為度為L(zhǎng)=100mm,總電阻為總電阻為R=20，輸入電壓，輸入電壓Ui=24V,試求（單元測(cè)試一）試求（單元測(cè)試一）（1）電位計(jì)的靈敏度）電位計(jì)的靈敏度KR輸和電壓靈敏度輸和電壓靈敏度KU;2 . 010020RLRK電位計(jì)電阻靈敏度電位計(jì)電阻靈敏度:24. 010024uLUKi48（2）當(dāng)電刷的位移）當(dāng)電刷的位移x=24mm時(shí)，相應(yīng)的電阻時(shí)，相應(yīng)的電阻Rx和電位計(jì)輸和電位計(jì)輸出的空載電壓出的空載電壓U08 . 424*2 . 0 xxLRRVxLURRU

21、U76. 524*24. 0ixio495、某一圓形截面繞線式位移傳感器的線圈直徑為、某一圓形截面繞線式位移傳感器的線圈直徑為10mm,共繞制共繞制100匝，線圈總電阻為匝，線圈總電阻為2k,則傳則傳感器的電阻總靈敏度為（全真模擬二）感器的電阻總靈敏度為（全真模擬二）A. mm/1B. mm/2C. mm/D. mm/2505、某一圓形截面繞線式位移傳感器的線圈直徑為、某一圓形截面繞線式位移傳感器的線圈直徑為10mm,共繞制共繞制100匝，線圈總電阻為匝，線圈總電阻為2k,則傳則傳感器的電阻總靈敏度為感器的電阻總靈敏度為B. mm/2)(1000100*10*mmDWl)/(/21000/20

22、00/mmlRKR511、下列被測(cè)物理量中，適合使用電位器式傳感器進(jìn)行測(cè)量的是A. 位移B. 溫度C. 濕度D. 扭矩521、下列被測(cè)物理量中，適合使用電位器式傳感器進(jìn)行測(cè)量的是A. 位移5331、某繞線式線性電位計(jì)，骨架截面為圓形，直徑D0=20mm, 總長(zhǎng)為L(zhǎng)0=100mm,導(dǎo)線直徑d=0.2mm,（1）電位計(jì)的空載電阻靈敏度）電位計(jì)的空載電阻靈敏度KR;（2）當(dāng)電源電壓為）當(dāng)電源電壓為Ui=10V時(shí)，求輸出電壓靈敏度時(shí)，求輸出電壓靈敏度KU電阻率總匝數(shù)W=1000，求（模擬三）m.108 . 0654（1）電位計(jì)的空載電阻靈敏度）電位計(jì)的空載電阻靈敏度KR;)(201000*10*20*

23、3mDWl16001020*10*8 . 086SlR)(10)10*2/2 . 0(*28232mrS)/(16100/1600/mmlRKR（2）當(dāng)電源電壓為）當(dāng)電源電壓為Ui=10V時(shí)，求輸出電壓靈敏度時(shí)，求輸出電壓靈敏度KUmmVLUKU/1 . 010010i5525、什么是參量型的位移傳感器（密押二）5625、什么是參量型的位移傳感器（密押二）將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)化為電參數(shù)如電阻，電容，電感等的傳感器。57課下作業(yè)5831、某電位計(jì)式位移傳感器的測(cè)量電路如圖所示。E=15V,R=20k,AB為線性電位計(jì)，導(dǎo)線總長(zhǎng)度為 總長(zhǎng)為300mm,總電阻為24k,C點(diǎn)為電刷位置。（密押一）（1

24、）計(jì)算此線性電位計(jì)的電阻靈敏度和電壓靈敏度（2）當(dāng)位移x從40mm變化到240mm時(shí)，輸出電壓的范圍是多少？34、圖示為一繞線式電位計(jì)式位移傳感器，試回答：（1）該傳感器的電壓靈敏度、分辨力與哪些因素有關(guān)？為什么？（2009）59mmVLUKU/05. 030015i（1）計(jì)算此線性電位計(jì)的電阻靈敏度和電壓靈敏度mmVLRKR/8030010*24360（2）當(dāng)位移x從40mm變化到240mm時(shí)，輸出電壓的范圍是多少？RCBUUU20VRREUABBCmmCB230040*15*)40(VRREUABBCmmCB12300240*15*)300(VRREUR1032*1532*002VU810

25、20VU210120輸出電壓的范圍從-8V到2V.61（1）傳感器的電壓靈敏度是外加電壓和電位計(jì)的有效長(zhǎng)度之比，Ku=Ui/L 分辨力與階梯誤差有關(guān)，階梯誤差大，分辨力就低，階梯誤差由繞組匝數(shù)決定，在保持骨架長(zhǎng)度一定的情況下，線徑越小，匝數(shù)越多，則階梯誤差越小，則分辨力越高。2.2.1 應(yīng)變效應(yīng)和工作原理 應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在受到外界力(拉力或壓力)作用時(shí)，將產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形會(huì)導(dǎo)致其電阻值變化。lRS金屬絲伸長(zhǎng)后幾何尺寸變化設(shè)電阻絲在外力F的作用下被拉伸(或壓縮)，則：ddddRRRRlSlS2dddllSSSS2.2 應(yīng)變式電阻傳感器用相對(duì)變化表示 ddddRlSRlS對(duì)于半徑

26、為 的電阻絲，截面面積r2Srd2Srdr則：d / l ld /r r令電阻絲的軸向(縱向)應(yīng)變?yōu)?徑向(橫向)應(yīng)變?yōu)?則由材料力學(xué)泊松定律 可知：ddrlrl 2.2 應(yīng)變式電阻傳感器經(jīng)整理得dd12RR /12RR 如用增量表示，有： 12RR 進(jìn)一步整理得 0/12k 設(shè)則：0RkR2.2 應(yīng)變式電阻傳感器0k 為電阻絲的靈敏系數(shù)，它受兩個(gè)因素的影響：一是 它是由電阻絲幾何尺寸改變引起的，對(duì)某種材料來(lái)說(shuō)，它是常數(shù)；另一個(gè)是 ，它是由電阻絲電阻率的改變而引起的，對(duì)于金屬材料，其值也是常數(shù)，但往往比 小很多，可以忽略，故 對(duì)于金屬材料，靈敏系數(shù) 將保持不變，即值是恒定的。因此： 12/ 1

27、20k120RkR結(jié)論結(jié)論2.2 應(yīng)變式電阻傳感器2.2.2 電阻應(yīng)變片的種類(lèi)、材料及粘貼1. 電阻應(yīng)變片的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)與材料 1) 種類(lèi)l 金屬電阻應(yīng)變片：絲式、箔式和薄膜式。 l 半導(dǎo)體應(yīng)變片2) 結(jié)構(gòu)l 絲式： 電阻絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 2.2 應(yīng)變式電阻傳感器l 箔式 敏感柵是由很薄的金屬箔片用光刻、腐蝕等技術(shù)制作。與絲式應(yīng)變片相比，金屬箔式應(yīng)變片具有散熱性能好，允許電流大，靈敏度高，壽命長(zhǎng)，可制成任意形狀，易加工，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，已逐漸取代絲式應(yīng)變片而占主要的地位。 箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 2.2 應(yīng)變式電阻傳感器l 對(duì)金屬電阻應(yīng)變片敏感柵材料的基本要求是： 靈敏

28、系數(shù) 值大，并且在較大應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)。 電阻溫度系數(shù)小。 電阻率大。 機(jī)械強(qiáng)度高，且易于拉絲或輾薄。 與銅絲的焊接性好，與其他金屬的接觸熱電勢(shì)小。0k2.2 應(yīng)變式電阻傳感器l 薄膜應(yīng)變片 采用真空蒸發(fā)或真空沉積的方法，將金屬敏感材料直接鍍制于彈性基片上。相對(duì)于金屬粘貼式應(yīng)變片而言，薄膜應(yīng)變片的應(yīng)變傳遞性能得到了極大的改善，幾乎無(wú)蠕變，并且具有應(yīng)變靈敏系數(shù)高，穩(wěn)定性好、可靠性高、工作溫度范圍寬(-100180)、使用壽命長(zhǎng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前途的新型應(yīng)變片。 2.2 應(yīng)變式電阻傳感器3) 材料 金屬電阻應(yīng)變片常用的敏感柵材料有康銅、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金、鐵鉻鋁合金、鉑、鉑鎢合金

29、等。 2. 電阻應(yīng)變片的粘貼 電阻應(yīng)變片應(yīng)用時(shí)用粘合劑粘貼到試件表面上，粘合劑的性能及粘結(jié)工藝的質(zhì)量直接影響著應(yīng)變片的工作特性，因此必須合理選擇粘合劑，遵循正確的粘結(jié)工藝，保證粘貼質(zhì)量，這與電阻應(yīng)變片的測(cè)量精度有著極其重要的關(guān)系。 此外粘貼時(shí)還要考慮到應(yīng)變片的工作條件，如溫度、相對(duì)濕度、穩(wěn)定性要求、粘貼時(shí)間長(zhǎng)短的要求以及貼片固化時(shí)加熱加壓的可能性等。 2.2 應(yīng)變式電阻傳感器2.2.3 電阻應(yīng)變片的主要特性 1. 靈敏系數(shù) tRKR 靈敏系數(shù) 表示安裝在被測(cè)試件上的應(yīng)變?cè)谄漭S向受到單向應(yīng)力時(shí)，引起的電阻相對(duì)變化 與其單向應(yīng)力引起的試件表面軸向應(yīng)變 之比。應(yīng)變片的靈敏系數(shù)值的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到應(yīng)變

30、測(cè)量的精度，其誤差大小是衡量應(yīng)變片質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要標(biāo)志。一般要求值盡量大而穩(wěn)定。 需要指出，應(yīng)變片的靈敏系數(shù) 并不等于其敏感柵整長(zhǎng)電阻絲的靈敏系數(shù) ，一般情況下，/R RtKK0kK0k 2.2 應(yīng)變式電阻傳感器 將直的電阻絲繞成敏感柵后，雖然長(zhǎng)度不變，應(yīng)變狀態(tài)相同，但在的圓弧處，除受縱向的拉應(yīng)變外，由泊松關(guān)系，還存在橫向的負(fù)應(yīng)變 （ ），造成電阻的減小，因而其靈敏系數(shù) 較整長(zhǎng)電阻絲的靈敏系數(shù) 小，這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。2. 橫向效應(yīng) 應(yīng)變片軸向受力及橫向效應(yīng) k0kyx2.2 應(yīng)變式電阻傳感器3. 機(jī)械滯后、零漂和蠕變 l 機(jī)械滯后 應(yīng)變片安裝在試件上以后，在加載和卸載過(guò)程中，對(duì)同一機(jī)

31、械應(yīng)變量，兩過(guò)程的特性曲線并不重合，卸載時(shí)的指示應(yīng)變高于加載時(shí)的指示應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變片的機(jī)械滯后。 產(chǎn)生機(jī)械滯后的主要原因是敏感柵、基底和粘合劑在承受機(jī)械應(yīng)變之后留下的殘余變形所致。 機(jī)械滯后2.2 應(yīng)變式電阻傳感器 已粘貼在試件上的應(yīng)變片，在溫度保持恒定，試件上沒(méi)有機(jī)械應(yīng)變的情況下，應(yīng)變片的指示會(huì)隨著時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸變化，這就是應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移，簡(jiǎn)稱(chēng)零漂。 l 零漂 已粘貼的應(yīng)變片，溫度保持恒定，在承受某一恒定的機(jī)械應(yīng)變長(zhǎng)時(shí)間作用下，應(yīng)變片的指示會(huì)隨時(shí)間的變化而變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為蠕變。一般來(lái)說(shuō)，蠕變的方向與原來(lái)應(yīng)變量變化的方向相反。 應(yīng)變片工作時(shí)，零漂和蠕變是同時(shí)存在的。l 蠕變2.2

32、應(yīng)變式電阻傳感器4. 溫度效應(yīng) 當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，會(huì)引起電阻的相對(duì)變化，產(chǎn)生虛假應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為溫度效應(yīng)。l 影響： a.感柵材料的電阻溫度系數(shù) b.敏感材料和試件材料的膨脹系數(shù)不同 t1tRtRgs2()RKtR2.2 應(yīng)變式電阻傳感器因此，由于環(huán)境溫度變化形成總的電阻相對(duì)變化為： gs12()tRRRtKtRRR 相應(yīng)地gsitRttKRk 如消除此項(xiàng)誤差，要采取溫度補(bǔ)償措施。2.2 應(yīng)變式電阻傳感器5. 應(yīng)變極限、疲勞壽命 應(yīng)變片的應(yīng)變極限是指在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變 與試件的真實(shí)應(yīng)變 的相對(duì)誤差達(dá)到規(guī)定值(一般為10%)時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值 。 對(duì)于已安裝的應(yīng)變片，在恒定幅值的交變力

33、作用下，可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)N稱(chēng)為應(yīng)變片的疲勞壽命。 igj應(yīng)變極限 2.2 應(yīng)變式電阻傳感器6. 絕緣電阻和最大工作電流 應(yīng)變片的絕緣電阻是指已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測(cè)件之間的電阻值 。通常要求 在50M 100M以上。絕緣電阻下降將使測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度降低，使應(yīng)變片的指示應(yīng)變產(chǎn)生誤差。 對(duì)于已安裝的應(yīng)變片，最大工作電流是指允許通過(guò)敏感柵而不影響其工作特性的最大電流 。工作電流的選取要根據(jù)試件的導(dǎo)熱性能及敏感柵形狀和尺寸來(lái)決定。 mRmRmaxI2.2 應(yīng)變式電阻傳感器7. 應(yīng)變片的電阻值 指應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力的情況下，于室溫測(cè)得的電阻值。目前常用的電阻系列有：60、

34、120、200、350、500、1000、1500等，其中以120最常用。 2.2 應(yīng)變式電阻傳感器 即利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片進(jìn)行補(bǔ)償。 1) 選擇式自補(bǔ)償法(又稱(chēng)單絲自補(bǔ)償法) tktRRRRRRsgt)()()(21只需： 這種的自補(bǔ)償應(yīng)變片容易加工，成本低，缺點(diǎn)是只適用特定材料，溫度補(bǔ)償范圍也較窄。sgtk2.2.4 電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償 1.自補(bǔ)償法2.2 應(yīng)變式電阻傳感器敏感柵由兩種不同溫度系數(shù)的電阻絲組成（1）二者具有不同符號(hào)的電阻溫度系數(shù)即：組合式自補(bǔ)償法 之一可通過(guò)調(diào)節(jié)兩種電阻絲的長(zhǎng)度來(lái)控制應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償。ttRR21212121ttRRRRRR 2) 組合式

35、自補(bǔ)償(又稱(chēng)雙絲自補(bǔ)償法) 2.2 應(yīng)變式電阻傳感器組合式自動(dòng)補(bǔ)償法之二（2）二者具有相同符號(hào)的電阻溫度系數(shù)滿(mǎn)足條件求得：BttRRRRR22112121RRRRRttB 可使兩橋臂由于溫度引起的電阻變化相等或接近，實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。 2.2 應(yīng)變式電阻傳感器2. 線路補(bǔ)償法常用電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法R1工作應(yīng)變片，安裝在被測(cè)試件上；RB補(bǔ)償應(yīng)變片，安裝在補(bǔ)償塊上，與被測(cè)試件溫度相同，但不承受應(yīng)變。 R1、RB 接入電橋相鄰兩臂，因 ，故輸出電壓Uo不受溫度變化影響。1BttRR 2.2 應(yīng)變式電阻傳感器 R1和RB兩個(gè)應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)、線膨脹系數(shù)、應(yīng)變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值Ro。

36、 粘貼補(bǔ)償片的補(bǔ)償塊材料和粘貼工作片的被測(cè)試件材料必須一樣，兩者線膨脹系數(shù)相同。 兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場(chǎng)。 l 應(yīng)當(dāng)指出，若要實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，必須滿(mǎn)足以下三個(gè)條件： 2.2 應(yīng)變式電阻傳感器l 在應(yīng)變測(cè)試的某些條件下，可通過(guò)改變應(yīng)變片的粘貼位置，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，同時(shí)還可提高應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。 差動(dòng)電橋補(bǔ)償法 測(cè)量時(shí)可將R貼在被測(cè)試件的下面，接入電橋電路中。 由于在外力F的作用下, RB與R1的變化值大小相等符號(hào)相反, 電橋的輸出電壓增加一倍。此時(shí)RB既起到了溫度補(bǔ)償作用， 又提高了靈敏度， 同時(shí)可補(bǔ)償非線性誤差。 2.2 應(yīng)變式電阻傳感器電流電壓測(cè)量電路RR當(dāng) ，或 時(shí)，電橋平衡 3241RRR

37、R4321RRRR 1. 直流電橋 1) 直流電橋平衡條件URRRRRRRR43213241當(dāng)RL時(shí)，電橋輸出電壓為URRRRRRUo433211l 欲使電橋平衡， 其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等， 或相對(duì)兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。2.2.5 測(cè)量電路 2.2 應(yīng)變式電阻傳感器2) 電壓靈敏度 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進(jìn)行放大。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_(kāi)路情況。當(dāng)受應(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。2.2 應(yīng)變式電阻傳感器輸出電壓為：URRRRRRRRRRURRRRRR

38、RURRRRRRRRUo341211113443211414332111111)( 設(shè)橋臂比n =R2/R1，由于R1R1，并考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3， 則上式可寫(xiě)為： URRnnUo112)1 ( 2.2 應(yīng)變式電阻傳感器電橋電壓靈敏度定義為 ：UnnRRUKoU211)1 ( l 由分析可知： 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。 2.2 應(yīng)變式電阻傳感器由dKU/dn = 0，求KU的最大值，

39、得 0)1 (13nndndKU 求得n=1時(shí)，KU為最大值。即當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，電橋電壓靈敏度最高，此時(shí)有： 4411UKRRUUUo 從上述可知，當(dāng)電源電壓U和電阻相對(duì)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(wú)關(guān)。 l當(dāng)U值確定后，n取何值時(shí)才能使KU最高：第章電阻式傳感器第章電阻式傳感器 3) 非線性誤差及其補(bǔ)償方法 UnRRnRRnUo)1 (11111 可見(jiàn) 與R1/R1的關(guān)系是非線性的，如果是四等臂電橋，R1=R2=R3=R4，即n=1， 則非線性誤差為 oU11112112111RRRRUUUooo第章電阻式傳感器第章電阻式傳感器

40、 為了減小和克服非線性誤差，常采用差動(dòng)電橋：如圖URRRRRRRRRUo433221111若R1=R2，R1=R2，R3=R4，則得 112 RRUUo 電路優(yōu)點(diǎn)：l Uo與R1/R1成線性關(guān)系，差動(dòng)電橋無(wú)非線性誤差；l 電壓靈敏度KU=U/2，是單臂工作時(shí)的兩倍；l 具有溫度補(bǔ)償作用 該電橋輸出電壓為第章電阻式傳感器第章電阻式傳感器 若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片，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(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上，構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。UKURRUUo11 電路優(yōu)點(diǎn)：l Uo與R1/R1成線性關(guān)系，差動(dòng)電橋無(wú)非線性誤差；l 電壓靈敏度KU=U/4，是單臂工作時(shí)的四倍；l 具有溫度補(bǔ)償

41、作用 若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，則 ：第章電阻式傳感器第章電阻式傳感器l 當(dāng)負(fù)載為有限值時(shí)：電橋內(nèi)阻 3412r1234R RR RRRRRR輸出電流 1423LL123412343412()()()()R RR RIURRRRRR R RRR R RR第章電阻式傳感器第章電阻式傳感器 2. 交流電橋44312222111111RZRZCRjRZCRjRZ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：第章電阻式傳感器第章電阻式傳感器由交流電路分析可得： )(43213241ZZZZZZZZUUo要滿(mǎn)足電橋平衡條件，即Uo=0，則有： Z1Z4=Z

42、2Z3 將Z1、Z2、Z3、Z4表達(dá)式代入，可得： 3222411111RCRjRRCRjR24241313CRjRRCRjRR整理得 ： 其實(shí)部、虛部應(yīng)分別相等，并整理可得交流電橋的平衡條件為 ：3412RRRR及 2112CCRR第章電阻式傳感器第章電阻式傳感器常見(jiàn)交流電橋平衡調(diào)節(jié)電路 第章電阻式傳感器第章電阻式傳感器2.3 壓阻式傳感器 20世紀(jì)50年代中期出現(xiàn)，由半導(dǎo)體應(yīng)變片制成，其靈敏系數(shù)比金屬電阻式傳感器高幾十倍，而且具有體積小、分辨率高、工作頻帶寬、機(jī)械遲滯小、傳感器與測(cè)量電路可實(shí)現(xiàn)一體化等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際中應(yīng)用廣泛。 2.3.1 工作原理 基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)原理：當(dāng)對(duì)半導(dǎo)體材

43、料施加應(yīng)力作用時(shí)，半導(dǎo)體材料的電阻率將隨著應(yīng)力的變化而發(fā)生變化，進(jìn)而反映到電阻值也發(fā)生變化。 第章電阻式傳感器第章電阻式傳感器12RR 其中由材料幾何尺寸變化而引起電阻的變化 很小，可忽略不計(jì)，而 一項(xiàng)很大，也就是說(shuō)，半導(dǎo)體材料電阻的變化主要由半導(dǎo)體材料電阻率的變化所造成的，即： 對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)變片：/ 12 RR又彈性模量 故： /E REKR 可見(jiàn)，當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受到外界應(yīng)力的作用時(shí)，其電阻(率)的變化與受到應(yīng)力的大小成正比，這就是壓阻傳感器的工作原理。第章電阻式傳感器第章電阻式傳感器2.3.2 影響壓阻系數(shù)的因素 1. 應(yīng)力的作用方向 半導(dǎo)體的晶向 由于半導(dǎo)體材料的各向異性，在實(shí)際應(yīng)用中，隨

44、著外界應(yīng)力施加方向的不同其壓阻系數(shù)也是不同的。 通常根據(jù)外界應(yīng)力相對(duì)晶軸的方向，分為縱向應(yīng)力 和橫向應(yīng)力 ，當(dāng)半導(dǎo)體同時(shí)受到兩向應(yīng)力作用時(shí)，有： LtLLtt 第章電阻式傳感器第章電阻式傳感器2. 擴(kuò)散雜質(zhì)的表面濃度 l 可見(jiàn)壓阻系數(shù)隨擴(kuò)散雜質(zhì)濃度的增加而減小，表面雜質(zhì)濃度相同時(shí)，P型硅的壓阻系數(shù)值比N型硅的(絕對(duì))值高。 壓阻系數(shù)與表面雜質(zhì)的濃度的關(guān)系 第章電阻式傳感器第章電阻式傳感器3. 環(huán)境溫度 壓阻系數(shù)與溫度的關(guān)系 第章電阻式傳感器第章電阻式傳感器2.3.3 壓阻式傳感器的材料 一般半導(dǎo)體應(yīng)變片是沿所需的晶向?qū)⒐鑶尉w切成條形薄片，在硅條兩端先真空鍍膜蒸發(fā)一層黃金，再用細(xì)金絲分別與兩電極焊接。 常用于制作半導(dǎo)體應(yīng)變片的半導(dǎo)體材料主要有：硅、鍺、銻化銦、砷化鎵等。 第章電阻式傳感器第章電阻式傳感器 由半導(dǎo)體材料制成的壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片要大幾十倍，其應(yīng)變系數(shù)的符號(hào)隨單晶材料的導(dǎo)電類(lèi)型而異，一般P型為正，N型為負(fù)，而金屬絲應(yīng)變片的靈敏系數(shù)均為正值。此外，半導(dǎo)體材料(如單晶硅)是各向異性材料，它的壓阻系數(shù)與晶向有關(guān)。 壓阻式傳感器的主要不足：一是溫度穩(wěn)定性差(電阻值隨溫度變化)；二是靈敏度的非線性較大，可造成測(cè)量體具有3%5%的誤差，因此在使用時(shí)需采用溫度補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償?shù)却胧?。l 特性總結(jié)第章電阻式傳感器第章電阻式傳感器2.4 電