第2章 电阻式传感器.doc

第2章 电阻式传感器 2.1 传感器的弹性敏感元件 物体的变形：在外力作用下，物体将产生尺寸和形状的变化。 弹性变形： 在外力作用下，物体将产生尺寸和形状的变化，当去掉外力后，物体即恢复原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形。 弹性敏感元件：利用弹性变形来进行测量和变换的元件成为弹性敏感元件。 弹性敏感元件的弹性特性 灵敏度 刚度 2.2 应变式电阻传感器 用于测量力、力矩、压力、加速度、重量等非电量参数。 应变效应 导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械变形，引起其阻值变化，这种现象称为应变效应。 根据 （ρ—金属丝电阻率，L—金属丝长度，S—金属丝截面积） _____轴向应变 _____径向应变 根据材料力学： μ—金属材料的泊松系数 — 称为金属丝的应变灵敏系数 其物理意义：单位应变所引起的电阻相对变化。 电阻应变片的结构和工作原理 电阻应变片的基本结构 由敏感栅（金属丝）、基底、粘合剂、引线、盖片组成。 应变片的测量原理 ：试件所受的应力 ：试件产生的轴向应变 ： 试件材料的弹性杨氏模量 电阻应变片的温度误差及其补偿方法 因环境温度改变而引起应变片电阻变化的两个主要因素 应变片的电阻丝具有一定的温度系数 电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同 定量分析： (1)环境引起试件温度变化时，应变片的电阻丝产生的电阻变化为， — 温度为时的应变片的电阻值 —应变片金属丝的电阻温度系数，表示温度改变10C时的电阻的相对变化。 (2)环境引起试件温度变化时，引起应变片电阻丝产生附加变形 ， —温度为 时应变片电阻丝的长度 、—试件材料、应变片电阻丝的线膨胀系数，表示温度改变10C时的长度的相对变化。 附加变形： 附加应变： 附加电阻变化： 总电阻的变化（温度误差）： 虚假应变（又称热输出）为： 结论：应变片温度误差（热输出）的大小不仅与应变片敏感栅材料的性能（、）有关，而且还与被测试件材料的线膨胀系数有关。 应变片温度误差补偿方法 （1）单丝自补偿应变片 若要使应变片在温度变化时的热输出为0，必须使： 缺点：一种值的应变片只能用在某一种试件材料上，局限性很大。 （2）双丝组合式自补偿应变片 电阻丝温度系数一个为正、一个为负， 满足 两段敏感栅电阻丝的电阻大小的选择： 优点：补偿效果较前一种好！ （3）桥路补偿法（亦称补偿片法） 是效果较好而常用的一种方法。 R1—工作应变片 R2—补偿应变片（与R1是同一种应变片） 试件、补偿件—材料相同，处于同一个温度环境 没有应变时，电桥平衡（调节） ， （电桥平衡） 当温度升高或降低时，若 若此时有应变作用 结论：电桥输出电压只与应变有关，与温度无关。 为达到完全温度补偿，必须满足以下条件： R1与R2必须为同一种应变片； R1与R2必须贴在相同的材料上； R1与R2必须处于同一温度环境中； 必须满足R3=R4。 2.2.4 电阻应变片的测量电路 直流电桥 （1）电桥原理 电桥平衡条件： 或： 电桥平衡： （2）电压灵敏度 单臂：R1为应变片，，为补偿应变片 R3，R4为精密电阻 设 若 即 在理想情况下： 电压灵敏度： 令 即当 （）时， 问题：供桥电源电压E能否很大？不能，边缘效应导致击穿。 （3）非线性误差 实际上， 理想情况下， 非线性误差为 若 n=1时，则 例：若应变，，则；若应变，，则 （4）减小或消除非线性误差的方法 （） 半桥差动电路 R1，R2为应变片 ，R1= R2，ΔR1=ΔR2 ，R3= R4（为精密电阻） 结论：半桥差动电路没有非线性误差，电压灵敏度比单臂工作的提高了一倍，同时还起了温度补偿作用。 全桥差动电路 R1，R2 ，R3，R4为应变片 R1= R2= R3= R4=R，△R1=△R2=△R3=△R4=△R 结论：全桥差动