华科检测技术第2章电阻传感器

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1、第二章 电阻式传感器 电阻式传感器的基本原理是将电阻式传感器的基本原理是将被测量被测量的变化转换成的变化转换成传感元件传感元件电阻值的变化电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输，再经过转换电路变成电信号输出。出。Georg Simon Ohm （1787-1854)Werner von Siemens （1816-1892） lRS 电阻式传感器的基本原理是将电阻式传感器的基本原理是将被测量被测量的变化转换成的变化转换成传感元件传感元件电阻值的变化电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输，再经过转换电路变成电信号输出。出。测量电路测量电路 自动测力或称重中应用最普遍的是电阻应变式传感器，自动

2、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：应变式传感器有下列优点： 1.精确度，线性度好，灵敏度高精确度，线性度好，灵敏度高 2.滞后和蠕变都较小，寿命高滞后和蠕变都较小，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，体积较小应用灵活结构较简单，体积较小应用灵活 5.工作稳定、保养方便工作稳定、保养方便 应变式传感器除可用于测量力参数外，还可用于测量加应变式传感器除可用于测量力参数外，还可用于测量加速度，振幅等其他物理量。速度，振幅等其他物理量。第一节第一节 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 应变式传感器是利用金属的电阻

3、应变效应，将被测量转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。换为电量输出的一种传感器。 一、电阻应变效应一、电阻应变效应 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。变化。 取一根长度为取一根长度为L，截面积为截面积为S，电阻率为电阻率为 的金属丝，的金属丝，未受力时其电阻未受力时其电阻R为为ALR 当电阻丝受到拉力当电阻丝受到拉力F作用时作用时, 将伸长将伸长L, 横截面积相应减横截面积相应减小小A（取负号）（取负号）, 电阻率将因电阻率将因晶格发生变形等因素而改变晶格发生变形等因素而改变, 故引起电

4、阻值相对变化量为故引起电阻值相对变化量为AALLRR式中式中L/L是长度相对变化量是长度相对变化量, 用应变用应变表示表示LLA/A为电阻丝的截面积相对变化量为电阻丝的截面积相对变化量, 因因 ddAA2241dA 由材料力学由材料力学, 在弹性范围内在弹性范围内, 金属丝受拉力时金属丝受拉力时, 沿轴向伸沿轴向伸长长, 沿径向缩短沿径向缩短, 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为那么轴向应变和径向应变的关系可表示为LLdd式中式中: 材料的泊松比材料的泊松比, 负号表示应变方向相反。负号表示应变方向相反。 材料的应变材料的应变 以以取代取代 和和 ，得，得LLLLpRR)21 ()21 (L

5、LLLdd0)21 (KLLpRR 从上式中提出从上式中提出 ，得，得 材料的灵敏度系数材料的灵敏度系数K0取决于两个因素取决于两个因素 （1）材料几何尺寸的改变。见上式中的）材料几何尺寸的改变。见上式中的 项。项。 （2）应变引起的电阻率改变。见上式中的）应变引起的电阻率改变。见上式中的 项。项。 结论：金属材料的结论：金属材料的 主要受前者影响；非金属材料主主要受前者影响；非金属材料主要受后者影响！要受后者影响！ K0为灵敏度系数为灵敏度系数-单位应变能引起的电阻变化。单位应变能引起的电阻变化。)21 (LLpRR二、电阻应变片的结构二、电阻应变片的结构1.1.金属电阻应变片金属电阻应变片

6、 用应变片测量时，将其贴在被测对象表面上。当用应变片测量时，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发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。化。2.2.半导体应变片半导体应变片体型体型薄膜型薄膜型扩散型扩散型导体应变片导体应变片三、应变片的粘贴技术三、应变片的粘贴技术(1) 应变片的检查与选择应变片的检查与选择(2) 试件的表面处理试件的表面处理(3) 底层处理底层处理(4) 贴片贴片(5) 固化固化(6) 粘贴质量检查粘贴质量检查(7) 引线焊接与组桥连接引线

7、焊接与组桥连接 四、测量电路四、测量电路 作用：将电阻的变化转换为电压输出。作用：将电阻的变化转换为电压输出。 (一一) 直流电桥直流电桥 空载电压：空载电压： 直流电源直流电源U输输出出电电压压BCACABUUUU0343221RRRURRRUURRRRRRRRU)(432142310R等效电阻：等效电阻：43432121RRRRRRRRR直流电桥直流电桥交流电桥交流电桥4231RRRR直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件：等臂电桥等臂电桥输出对称电桥输出对称电桥电源对称电桥电源对称电桥 1.1.直流电桥的电流输出直流电桥的电流输出 如果直流电桥带一个具有内阻如果直流电桥带一个具有内阻RgRg的

8、负载的负载, ,将输出将输出电流电流IgIg. . 电流输出电路及其等效电路电流输出电路及其等效电路: : gUgI(E=U(E=U0 0) )()()(21434321432142310RRRRRRRRRRRRRRRRRURRUIggg 由等效电路可求得由等效电路可求得IgIg、UgUg的一般表达式的一般表达式: : * *当阻抗匹配即当阻抗匹配即RgRg=R=R时时,Ig,Ig、UgUg表达式可简化为表达式可简化为: :)()()(2143432143214231RRRRRRRRRRRRRRRRRRRIUggggg)()(2214343214231RRRRRRRRRRRRUIg)(2432

9、14231RRRRRRRRUUg 设设R1R1为应变电阻，当电阻为应变电阻，当电阻增加增加R R时，由时，由IgIg简化算式：简化算式： RRRRRRUIg22222)(14RRRRURRKUIg4)()(2214343214231RRRRRRRRRRRRUIg得输出电流为：得输出电流为：即即（2 2）阻抗匹配的电源对称电桥，也有）阻抗匹配的电源对称电桥，也有（1 1）阻抗匹配的输出对称电桥）阻抗匹配的输出对称电桥RRKUIg4（3 3）阻抗匹配的等臂电桥，有）阻抗匹配的等臂电桥，有KRUIg82.2.直流电桥的电压输出直流电桥的电压输出 如果直流电桥输出带运算放大器，负载电阻如果直流电桥输出

10、带运算放大器，负载电阻RgRg,输输出电流出电流Ig0Ig0，输出电压即可认为是电桥电路的开路电压：，输出电压即可认为是电桥电路的开路电压：URRRRRRRRU)(432142310对于输出对称电桥（右图）对于输出对称电桥（右图）0UKUU40RRUURRRRRRU4)(0即即 对于电源对称电桥对于电源对称电桥 KRRRRUU20)(对于等臂电桥对于等臂电桥 KUU40直流电桥实用电路直流电桥实用电路-等臂电桥全桥工作电路等臂电桥全桥工作电路特征：四个电阻相同特征：四个电阻相同 四个电阻全为应变电阻四个电阻全为应变电阻 （两个被拉长，两个被压短）（两个被拉长，两个被压短）URRRRRRRRU)

11、(432142310URRRRRR)2)(2()()(22RRUURRR244UKU 0 与单臂应变相比，与单臂应变相比，灵敏度扩大灵敏度扩大4 4倍！倍！ (二二) 交流电桥交流电桥 交流电桥采交流电桥采用用正弦交流电源正弦交流电源U，电源频率取，电源频率取被测应变频率的被测应变频率的510倍。倍。 各各桥臂采用桥臂采用应变片或定值精应变片或定值精密无感电阻密无感电阻。 在频率较高在频率较高时，必须时，必须考虑分考虑分布电容布电容的影响。的影响。 如：如：1111/CjRZ等。等。Z1Z2 Z3Z4tUumsintUZZZZZZZZtumsin)()(432142310设正弦交流电源设正弦交