第三章 传感器的基础知识+电阻式传感器.ppt

第三章 传感器的基础知识 —— 常用传感器的基本类型及其工作原理 §3.1 概述 （一）与机械测量相比电测方法的优点 1. 易于实现集中检测、控制和远距离测量。 2. 适于测量动态测量过程。（如测量内燃机轴系的振动） 3. 能够连续测量、自动记录、自动控制和调节。 4. 测量的准确度和灵敏度高。 5. 除了得到测量参数，还可以进行计算、自动记录和存储等功能。 （二）电测系统的组成 （三）传感器的分类 1. 按被测物理量 2. 按工作原理 （一）电阻的概念 1826年德国物理学家欧姆提出了关于电路的实验定律——欧姆定律： 在稳恒条件下，通过一段导体的电流强度与导体两端的电压成正比，即I∝U，或写成I=U/R，式中的R称为导体的电阻。 关于电阻大小和性质的两条实验定律： 1. 电阻定律 R=ρl/S （匀质导体） ρ—— 电阻率 l—— 导体长度 S—— 导体横截面积 2. 电阻与温度在高温条件下成线性关系 R=R0（1+αt） R0—— 0℃电阻 α—— 温度系数 §3.2 电阻式传感器 （二）电阻传感器的分类 2. 应用 旋转变阻器 —— 角位移 滑线变阻器 —— 线位移 Rab ∝ x 实际测量电路 RL —— 测量仪表内阻 3. 误差分析 令 R/RL = m 又 Rx/R = x 即 x=0 时 Rx =0 x=1 时 Rx=R 根据欧姆定律 结果 由以上结果可以得出结论： 测量仪表上的输出电压（显示电压）UL和位移x只有在RL=∞时（m=0）,仪表上电压才和位移成线性关系。 当相对位移量x=1/2时，得到最大相对误差 可见当仪表内阻越大，相对误差越小。 在实际测量电路中，RL不可能为无限大。只能取尽量大的阻值（高阻抗），使得m趋近于无限大，从而减小误差。 §3.2.2 电阻应变式传感器 基本概念 基本概述 工作原理：应变效应分析 应变片结构 分类及特性 应变片的补偿方法 一、基本概念 应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变 当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 弹性元件 具有弹性应变特性的物体 二、应变式传感器概述 是利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器 工作原理： 当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。 结构： 应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成 应用： 广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量 一是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2μ 二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即（dρ/ρ）/ε。 对金属材料： 1+2μ＞＞(dρ/ρ)/ε 对半导体材料：(dρ/ρ)/ε＞＞1+2μ 大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。  1.金属应变片 dR/R ——（ε，2 μ ε） 形变效应 在弹性范围内，后项可忽略不计。 dR/R = k ε k — 灵敏度系数 （1.6~3.6） 2.半导体应变片 dR/R —— （λEε） 压阻效应 k —— 灵敏度系数（30~175） 3. 特点 i. 金属丝式应变片 特点：制作简单，横向应变效应大 ii. 金属箔式应变片 它是把厚度为0.003~0.01mm的金属箔片粘贴于胶基上，然后用光刻技术腐蚀成所需形状的箔栅。 特点： 横向效应小， 机械滞后小 散热条件好， 能承受大电流 iii. 半导体应变片 4. 电阻应变片的主要特性参数 i. 灵敏度系数— 在单向应力作用下，应变片的纵向与应力方向一致时，应变片的电阻变化率dR/R与主应力应变ε=dl/l之比。 ii. 横向效应— 应变片感受横向应力而变形，使应变片灵敏度系数减小的现象。 iii. 动特性 — 在动态测量中，应变以被动的形式在应变片中传递。长度l较短时能够反映被测构件的变形，l较长或者应变的频率f较高时，同一时刻应变片基长l的不同位置感受到的应变量不同