常用传感器工作原理-(电阻式)

第3章常用传感器的工作原理2传感器（Sensor/Transducer）是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。物理量电量传感器33.1电阻式传感器被测信息敏感元件转换元件辅助电源信号调理电路输出信息电阻元件电阻元件传感元件为电阻元件电位器式电阻应变式热敏效应式其结构简单、易于制造、价格便宜、性能稳定、输出功率大，是目前在非电量检测技术中应用最广、最成熟和最重要的传感器之一.把被测量转换为电阻变化的一种传感器，是一种能量控制型传感器4敏感元件转换元件压力作用膜片形变（应变）应变片电阻改变电阻应变式金属电阻应变片半导体应变片按应变片所用的材料可分为：导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化。主要作用是敏感元件实现应变—电阻的变换。5（1）电阻应变片工作原理：工作原理：电阻值：lRA2Ar纵向应变横向应变：当电阻丝沿轴向伸长时，必沿径向缩小对上式进行全微分，并用相对变化量来表示：drdrldldAdAldlRdR2ldl泊松比ldlrdr电阻丝电阻率相对变化，与电阻丝轴向所受正应力有关。弹性模量压阻系数Ed6因此：(12)(12)dREEKR分析：(12)是由电阻丝几何尺寸改变引起的。是由电阻丝的电阻率随应变的改变引起的。E注意：对金属电阻丝来说，是很小的，可忽略；对半导体应变片来说，是很小的，可忽略。这正是两类电阻应变式传感器原理的重要区别。E(12)2dRdldrdRlr7工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。电阻丝应变片金属电阻应变片：(12)dRR常用的电阻材料：康铜、镍铬合金、镍铬铝合金灵敏度：(12)S敏感元件是金属丝栅。常用的结构形式：丝式、箔式8箔式应变片1.金属箔栅很薄，感受的应力状态与试件表面应力状态更接近2.箔材表面积大，散热条件好，所以允许通过较大电流，因而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度3.箔栅的尺寸准确、均匀，能制成任意形状，扩大了应变片的使用范围优点：敏感元件是通过光刻、腐蚀等工艺制成的薄金属箔栅。缺点：1.生产工序较复杂；2.引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量。3.价格较贵9一般市售电阻应变片的标准阻值有60、120、350、600、1000欧等。通常静态测量时，允许的电流一般规定为25mA，动态测量时可达75~100mA，箔式应变片则可更大些。10优点：灵敏度高，机械滞后小，横向效应小，体积小.缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。半导体应变片：dRER｛压阻效应｝指某些半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。工作原理是基于半导体材料的压阻效应。灵敏度：KE从半导体物理可知，半导体在压力、温度及光辐射作用下，能使电阻率发生很大变化。目前，国产半导体应变片大都采用P型硅单晶制成。11金属电阻应变片半导体应变片利用金属导体形变引起电阻的变化。一般制作应变片的金属丝的灵敏度K0在1.7～4.0之间，有些工程书上，直接将金属丝应变片的灵敏度K0定义为2。利用半导体电阻率变化引起电阻的变化。用半导体应变片制成的传感器亦称为压阻传感器。半导体应变片具有很高的灵敏度（是金属丝应变片灵敏度大50～70倍），但其最大的特点是温度灵敏度高，非线性严重及安装困难。当测量较小应变时，应选用压阻效应工作的应变片，而测量大应变时，应选用应变效应工作的应变片12(2)应变片的命名应变片的命名标准号为GB／T13992-92，其内容如下。(1)每种应变片产品命名型号，型号由汉语拼音字母和数字组成共7项。(2)由左至右依次排列，第Ⅰ项字母表示应变片类别。(3)第Ⅱ项字母表示应变片基底材料。(4)第Ⅲ项数字表示标称电阻值，单位为Ω，带括号的规格不推荐采用。(5)第Ⅳ项数字表示应变片栅长，小于lmm时小数点省略。(6)第V项由两个字母组成表示应变片结构形状，表3-1中只列出常用的代表字母。(7)第Ⅵ项数字表示应变片的极限工作温度，对常温应变片此项省略。(8)第Ⅶ项括号内数字表示温度自补偿应变片所适用试件材料的线膨胀系数。13举例：BH350－3AA150(16)为单轴箔式环氧基底用于线膨胀系数16×10－6/℃的材料，最高工作温度150℃，栅长3mm的温度自补偿应变片。表3-1型号命名表143.1.4电阻式传感器的测量电路由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻值的变化测量出来，同时，要把电阻相对变化转换为电压或电流的变化，因此，需要设计专用的测量电路，常用桥式测量电路。该电路目标：提高输出灵敏度、进行温度补偿RR15当时，电桥的输出电压应为：当电桥平衡时，，由上式可得到或称为电桥平衡条件LROU311234()ORRUERRRR0OU3124RRRR（1）直流电桥平衡条件直流电桥的基本形式如图，R1，R2，R3，R4称为电桥的桥臂，RL为其负载（可以是测量仪表内阻或其他负载）。1423RRRR16（2）电压灵敏度如果在实际测量中，使第一桥臂R1由应变片来替代，微小应变引起微小电阻的变化，电桥则输出不平衡电压的微小变化。一般需要加入放大器放大。由于放大器的输入阻抗可以比桥路输出电阻高得多，所以此时电桥仍视为开路情况。当受应变时，若应变片电阻变化为△R1，其他桥臂固定不变，则电桥输出电压。0OU311141123411234()()()ORRRRRUEERRRRRRRRRR4131124113()()(1)(1)RRRRERRRRRR设桥臂比12RRn由于11RR分母中可忽略11RR并考虑到起始平衡条件3412RRRR121'(1)ORnUEnR170211'(1)VUnSERnR电桥电压灵敏度定义为：121'(1)ORnUEnR①电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供桥电压愈高，电桥电压灵敏度愈高，但是供桥电压的提高，受到应变片允许功耗的限制，所以一般供桥电压应适当选择。②电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，因此必须恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。2410(1)VSnEnn当n=l时，为最大。这就是说，在供桥电压确定后，当R1＝R2，R3＝R4时，电桥的电压灵敏度最高。一般工程上常常选择R1＝R2=R3＝R40211'1(1)4VUnSEERnR18142301234()()iRRRRUURRRRR2R4R1R3Ui电桥线路原理图ACDBU01423RRRR不受力时，使电桥平衡受应力或温度使电阻值变化时：为使分析简化，选择RRRRR432111442233011223344123414231234()()()()()()()(2)(2)iiRRRRRRRRUURRRRRRRRRRRRRRRRRURRRRRR（3）常用电桥电路19一般情况下，，化简得到：iRR31240()4iURRRRURRRR利用上式特点，可进行温度补偿和提高测量的灵敏度。11442233011223344123414231234()()()()()()()(2)(2)iiRRRRRRRRUURRRRRRRRRRRRRRRRRURRRRRRR2R4R1R3Ui电桥线路原理图ACDBU0RKR31241234()4()4igiURRRRURRRRUK20为达到完全补偿，需满足下列三个条件：①互相补偿的应变片须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏系数都相同，互补应变片的初始电阻值也要求相同；②用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件材料必须相同，即要求其线膨胀系数相等；③互相补偿的应变片处于同一温度环境中。R1R2FFR1R2（b）（a）F21根据工作中电阻值参与变化的桥臂的个数，将电桥分为：半桥式、全桥式半桥单臂只有一个桥臂阻值随被测量而变化若四个桥臂的初始电阻值相等，且时0RR312400000011()44iiRRRRURRRRRUUR=12340RRRRRR2R4R1R3Ui电桥线路原理图ACDBU01R22半桥双臂工作时，有相邻两个桥臂阻值随被测量而变化。312400000020101()41()142iiiRRRRURRRRRRURRURUR=-若四个桥臂的初始电阻值相等，设相邻两个桥臂阻值变化量相等时，为使输出不为零且提高灵敏度，使电阻变化方向相反（即一个阻值增大，另一个则减小）.12340RRRRRR2R4R1R3Ui电桥线路原理图ACDBU012RR23全桥接法工作时四个桥臂都随被测量变化。设四个桥臂的阻值变化量相等：若四个桥臂的初始电阻值相等，3124000001()4yRRRRUURRRR为使输出不为零且提高输出灵敏度，任意两相邻桥臂电阻值变化方向均相反，此时：312400000000001()41()4iiiRRRRURRRRRRRRURRRRURUR12340RRRRRR2R4R1R3Ui电桥线路原理图ACDBU024将作为输入（有的仅把当作输入），由此可以求得上述各种电桥的灵敏度分别为半桥单臂：半桥双臂：全桥：比较：0014iURUR0RRR0012iURUR00iURURR2R4R1R3Ui电桥线路原理图ACDBU025当仅桥臂AB单臂承受应变，产生时，01234()44iiUKUUK上式是在假定时等到的。RR此时电桥的实际输出是：1114230112341()1(1)()()42421(1)42iiiiRRRRRURRRUUURRRRRRRRRUKK电桥的相对非线性误差为：1000231(1)4424111()()248iiiUUKKKUUUUKKKK1KK21如果已知，并对非线性误差提出要求，则通过上式可计算出允许测量的最大应变量。KR当ΔRiR时，输出电压与应变呈线性关系。R2R4R1R3Ui电桥线路原理图ACDBU02601.021maxK1000001.0201.0201.02maxK结论：如果被测应变大于10000με，采用等臂电桥时的非线性误差大于1%。例：设K=2，要求非线性误差δ1%，试求允许测量的最大应变值εmax。273.1.5电阻应变式传感器的应用直接用来测定结构的应变或应力，如为了研究某些构件在工作状态下的受力、变形情况，可利用不同形状的应变片，粘贴在构件的选定部位，测得构件的拉、压应力或弯矩等，为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的试验数据。将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。在这种情况下，弹性元件得到与被测量成比例的应变，再由应变片转换为电阻的变化。注意：电阻应变片必须被粘贴在试件或弹性单元上才能工作，应将其粘贴在应变最大的部位。粘合剂和粘合技术对测量结果有直接影响。28]2cos)1()1[(2因此，轴向应变片感受到的应变为（）：0SEF1圆周方向应变片感受到的应变为（）：090SEF12柱式力传感器-ε