第2章电阻传感器汇编.ppt

* 第二章 电阻式传感器原理与应用 电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。 （1）电阻式应变片 （2）压阻式 （3）热电阻式 测量参数：形变、压力、力、位移、加速度、温度 测量电路 自动测力或称重中应用最普遍的是电阻应变式传感器，应变式传感器有下列优点： 1.精确度，线性度好，灵敏度高 2.滞后和蠕变都较小，寿命高 3.容易与二次仪表相匹配实现自动检测 4.结构较简单，体积较小应用灵活 5.工作稳定、保养方便 应变式传感器除可用于测量力参数外，还可用于测量位移、加速度，振幅等其他物理量。 2.1 应变式传感器 应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将被测量转换为电量输出的一种传感器。 一、金属的应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化。 取一根长度为L，截面积为S，电阻率为ρ 的金属丝，未受力时其电阻R为 2.1.1金属电阻 应变片的工作原理 F Δl、ΔA 、Δρ ΔR 当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长ΔL, 横截面积相应减小ΔA（取负号）, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ, 故引起电阻值相对变化量为 式中ΔL/L是长度相对变化量, 用应变ε表示 ΔA/A为电阻丝的截面积相对变化量, 因 轴向应变 径向应变 由材料力学, 在弹性范围内, 金属丝受拉力时, 沿轴向伸长, 沿径向缩短, 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为 式中: μ——材料的泊松比, 负号表示应变方向相反。 ε ——材料的纵向应变  以ε取代 和 ，由材料力学可知： 应力 金属电阻的灵敏系数 材料的几何尺寸变化引起的（应变效应） 材料的电阻率ρ随应变引起的（压阻效应） 金属材料：k0以前者为主，则k0≈1+2μ=1.7~3.6 半 导 体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定 二、电阻应变片的结构与种类 金属丝式：直径d=0.02mm~0.05mm,允许电流I=10mA~12mA,电阻R=50~1000欧姆. 铂等 金属箔式：厚度0.003~0.01mm，康铜、镍铬 光刻腐蚀技术 金属薄膜式：厚度0.1微米。真空蒸镀、沉积、溅射 散热好 传感好 疲劳寿命长 用应变片测量时，将其贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。 金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线 三、应变片的粘贴技术 应变片的检查与选择 试件的表面处理 底层处理 贴片 固化 粘贴质量检查 引线焊接与组桥连接 应变片的敏感栅是由金属或半导体材料制成的，因此工作时既能感受应变，又是温度的敏感元件。因为应变引起的电阻值变化很小，所以要提高测量精度，就必须消除或减小温度的影响。 2.1.2 应变片的温度误差补偿 1. 应变片的温度误差　 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有以下两方面。 电阻温度系数的影响 2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 2. 电阻应变片的温度补偿方法 补偿片补偿 补偿应变片 置于相同现场温度 不受力 受力 工 作 应 变 片 1)电桥补偿 当被测试件不承受应变时，R1 和RB 又处于同一环境温度为t℃的温度场中，调整电桥参数，使之达到平衡，有 工程上，一般按R1=RB=R3=R4 选取桥臂电阻。 温度升高或降低时，引起的两个应变片的电阻变化量相同 电桥仍处于平衡状态： = 0 由上式可知，电桥的输出电压Uo 仅与被测试件的应变ε 有关，而与环境温度无关。 若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足四个条件： (1) 在应变片工作过程中，必须保证R3 =R4。 (2) R1 和RB 两个应变片应具有相同的电阻温度系数α，线膨胀系数β，应变灵敏度系数K 和初始电阻值Ro。 (3) 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。 (4) 两应变片应处于同一温度场。 若此时被测试件有应变ε 的作用，则工作应变片电阻R1 又产生新的增量ΔR1=R1Kε，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量。此时电桥输出电压为: