工學(xué)第2章-電阻式傳感器課件

第二章電阻式傳感器

電阻式傳感器的分類(lèi)

電位計(jì)式：應(yīng)變式：物理量變化電阻變化傳感元件屬于大電阻變化型，R：0—R傳物理量變化變形（應(yīng)力、應(yīng)變）敏感元件屬于微電阻變化型，R：0—20%R傳傳感元件電阻變化§2-1電位計(jì)式傳感器電位計(jì)式傳感器分類(lèi)將機(jī)械的線(xiàn)位移或角位移的變化

電阻或電壓的變化一定函數(shù)關(guān)系變阻器式變壓器式電位計(jì)式傳感器的優(yōu)、缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、精度高(0.1%0.05%)、性能穩(wěn)定、受環(huán)境因素影響小，可實(shí)現(xiàn)輸出-輸入任意函數(shù)關(guān)系，輸出信號(hào)較大，一般不用放大。缺點(diǎn)：存在滑動(dòng)觸頭與線(xiàn)圈等之間的摩擦，輸入能量要求較大，且磨損降低壽命和可靠性，也會(huì)降低測(cè)量精度。電位計(jì)分類(lèi)電位計(jì)分類(lèi)按輸出-輸入特性線(xiàn)性電位計(jì)非線(xiàn)性電位計(jì)按結(jié)構(gòu)形式線(xiàn)繞式—在傳感器中應(yīng)用較多薄膜式—具有較高的精度和線(xiàn)性特性光電式—無(wú)摩擦和磨損，分辨率高一、線(xiàn)繞電位計(jì)的結(jié)構(gòu)

二、線(xiàn)繞電位計(jì)的工作原理

根據(jù)歐姆定律：

以線(xiàn)位移型為例：

若變阻器式：

SR

電阻靈敏度：表示電刷單位位移能引起的輸出電阻的變化量若分壓器式：

SV

電壓靈敏度：表示電刷單位位移能引起的輸出電壓的變化量SR、SV均是常數(shù)三、線(xiàn)繞電位計(jì)的輸出特性

階梯特性和階梯誤差

階梯特性

電位計(jì)輸出電壓隨x的變化是不連續(xù)的，而是一條階梯形的折線(xiàn)。階梯誤差

理論特性曲線(xiàn)通過(guò)每個(gè)階梯中點(diǎn)的曲線(xiàn)。階梯誤差階特梯形曲線(xiàn)圍繞理論特性曲線(xiàn)上下波動(dòng)產(chǎn)生的偏差。輸出特性二負(fù)載特性和負(fù)載誤差

負(fù)載特性電位計(jì)有負(fù)載的情況下得到的特性。一般表達(dá)式：

對(duì)負(fù)載特性的討論：

當(dāng)時(shí)，特性曲線(xiàn)變成直線(xiàn)，它實(shí)為空載特性

當(dāng)帶有負(fù)載時(shí)，曲線(xiàn)下垂，負(fù)載越小，下垂越多，產(chǎn)生的負(fù)載誤差越大。

輸出特性三負(fù)載誤差

由于負(fù)載電阻不是無(wú)限大，而是可與電位計(jì)電阻值相比的有限值，造成負(fù)載特性為一下垂曲線(xiàn)，產(chǎn)生誤差，也稱(chēng)非線(xiàn)性誤差。電刷在起始和最終位置時(shí)，負(fù)載誤差

eL=0

電刷在相對(duì)行程X=1/2時(shí)，負(fù)載誤差

eL

max，且m，eL

四、電位計(jì)式傳感器的應(yīng)用

電位計(jì)式壓力傳感器

電位計(jì)式加速度計(jì)總結(jié)原始輸入量

變換原理

物理現(xiàn)象

能量關(guān)系

輸出量

位移

歐姆定律結(jié)構(gòu)型

控制型

電阻或電壓

§2-2電阻應(yīng)變式傳感器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠；易于實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化和多點(diǎn)同步測(cè)量，以及遠(yuǎn)距測(cè)量和遙測(cè)；靈敏度高，測(cè)量速度快，適合靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量；可測(cè)多種物理量，如：位移、加速度、力、力矩、壓力等。

工作原理及分類(lèi)電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理是將電阻應(yīng)變片粘貼到各種彈性敏感元件上，使物理量的變化變成應(yīng)變片的應(yīng)力、應(yīng)變變化，從而變成電阻值變化。

根據(jù)應(yīng)變片的材料不同，可分為兩種金屬電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片§2-2-1電阻應(yīng)變片一、金屬電阻應(yīng)變片

金屬的應(yīng)變效應(yīng)

根據(jù)歐姆定律：

金屬的應(yīng)變效應(yīng)金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬絲的電阻值隨著金屬絲的幾何尺寸變化（伸長(zhǎng)或縮短）而發(fā)生相應(yīng)的變化的現(xiàn)象。稱(chēng)為泊松比結(jié)構(gòu)和形式

種類(lèi)電阻-應(yīng)變特性令Ks越大，越靈敏Ks

金屬絲的靈敏系數(shù)：表示金屬絲產(chǎn)生單位變形時(shí)，電阻相對(duì)變化的大小。Ks只能靠實(shí)驗(yàn)求得，而一般K<Ks，K是通過(guò)抽樣測(cè)定的，故稱(chēng)標(biāo)稱(chēng)靈敏系數(shù)。二、半導(dǎo)體應(yīng)變片

半導(dǎo)體材料有明顯的壓阻效應(yīng)，即半導(dǎo)體材料的電阻率隨作用應(yīng)力而變化。

壓阻效應(yīng)系數(shù)E

彈性模數(shù)實(shí)驗(yàn)表明：E>>1+2

半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)

§2-2-2測(cè)量電路測(cè)量過(guò)程力、壓力應(yīng)變變化電阻變化電壓或電流的變化并顯示和記錄敏感元件應(yīng)變片電阻應(yīng)變儀按激勵(lì)電壓性質(zhì)

直流電橋交流電橋

一、直流電橋

1、不平衡橋式

直流不平衡式電橋形式電橋平衡條件為：

R1R4=R2R3一般取

R1=R2=R3=R4=R當(dāng)RRR時(shí)，U0相應(yīng)變化半橋和全橋假設(shè)R1=R2=R3=R4

根據(jù)參與工作的橋臂數(shù)半橋半橋單臂半橋雙臂全橋討論電橋接法與電橋靈敏度的關(guān)系：

S半橋單臂：S半橋雙臂：S全橋=1：2：4電橋聯(lián)接的規(guī)律

電阻變化符號(hào)相反的聯(lián)入相鄰臂中電阻變化符號(hào)相同的聯(lián)入相對(duì)臂中橋臂電阻數(shù)與輸出之關(guān)系

單純的增加橋臂電阻數(shù)不會(huì)增加輸出，但可以起平均作用及消除干擾的作用。

2、平衡橋路原理H的讀數(shù)橋臂電阻變化R

特點(diǎn)：電表G始終指零，與輸入電壓U無(wú)關(guān)，故測(cè)量誤差僅取決于可變電位器的精度及刻線(xiàn)精度，而與電源無(wú)關(guān)，這種方法稱(chēng)為“零位法”。

二、交流電橋輸出電壓

平衡條件

設(shè)各臂阻抗為

Z—復(fù)阻抗的模

則

根據(jù)復(fù)數(shù)相等條件可得交流電橋平衡條件為

在測(cè)量前對(duì)電橋應(yīng)分別進(jìn)行電阻、電容平衡，即R1R4=R2R3

R1C1=R2C2

§2-2-3溫度誤差及其補(bǔ)償一、溫度誤差敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差

試件材料的線(xiàn)膨脹引起的誤差

二、溫度補(bǔ)償

自補(bǔ)償法

1）單絲自補(bǔ)償法

2）組合式自補(bǔ)償法

a.選用兩者具有不同符號(hào)的電阻溫度系數(shù)

b.兩種串接的電阻絲具有相同符號(hào)的溫度系數(shù)

2.線(xiàn)路補(bǔ)償法

1）電橋補(bǔ)償法

2）采用差動(dòng)電橋補(bǔ)償法3）熱敏電阻補(bǔ)償法

§2-2-4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

一、測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力二、與彈性元件結(jié)合構(gòu)成各種應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式傳感器實(shí)例

應(yīng)變式壓力傳感器

應(yīng)變式力傳感器

三、壓阻式壓力傳感器