传感器原理与技术2.ppt

第十四章 电阻式传感器 1, 电位器式传感器 2, 应变片式传感器 第一节 电位器式传感器 电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各种电器和电子设备中。它主要是一种把机械的线位移或角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件来使用。它们主要用于测量压力、高度、加速度、航面角等各种参数。 电位器式传感器具有一系列优点，如结构简单、尺寸小、重量轻、精度高、输出信号大、性能稳定并容易实现任意函数。其缺点是要求输入能量大，电刷与电阻元件之间容易磨损。 电位器的种类很多，按其结构形式不同，可分为线绕式、薄膜式、光电式等；按特性不同，可分为线性电位器和非线性电位器。目前常用的以单圈线绕电位器居多。 线性线绕电位器工作原理 电位器式传感器的应用 第二节 应变片式传感器 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器, 传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。 当被测物理量作用在弹性元件上时, 弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化, 通过转换电路将其转变成电量输出, 电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、 压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。 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 1,工作原理 应变效应 导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。 电阻应变片的工作原理是基于应变效应。 如图 所示, 一根金属电阻丝, 在其未受力时, 原始电阻值为  R=ρ*L/s 式中: ρ——电阻丝的电阻率;  L——电阻丝的长度;  S——电阻丝的截面积。 当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长ΔL, 横截面积相应减小ΔS, 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 ΔS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量, 即 由材料力学可知, 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——电阻丝材料的泊松比, 负号表示应变方向相反。 对金属材料电阻丝来说, 灵敏度系数表达式中（1+2μ）的值要比（Δρ/ρ）大得多。 用应变片测量应变或应力时, 根据上述特点, 在外力作用下, 被测对象产生微小机械变形, 应变片随着发生相同的变化, 同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量ΔR时, 便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系, 得到应力值σ为 σ=E·ε  式中 : σ——试件的应力;  ε——试件的应变; E——试件材料的弹性模量。 由此可知, 应力值σ正比于应变ε, 而试件应变ε正比于电阻值的变化, 所以应力σ正比于电阻值的变化, 这就是利用应变片测量应变的基本原理。 2，应变片的结构 金属应变片由敏感栅、 基片、 覆盖层和引线等部分组成, 如图 所示。  敏感栅是应变片的核心部分, 它粘贴在绝缘的基片上, 其上再粘贴起保护作用的覆盖层, 两端焊接引出导线。 金属电阻应变片的敏感栅有丝式、 箔式和薄膜式三种。 3，应变片式传感器的主要参数 α，灵敏度系数 单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量, 其表达式为 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。 β， 横向效应 敏感栅由许多直线及圆角组成, 如图所示。 拉伸被测试件时, 粘贴在试件上的应 变计, 被沿应变计长度方向拉伸, 产生纵向拉伸应变εx, 应变计直线段电阻将增加。 但是在圆弧段上, 沿各微段（圆弧的切向）的应变并不是εx, 与直线段上同样长的微段所产生的电阻变化不同。 因此, 将同样长的金属线材做成敏感栅后, 对同样应变, 应变计敏感栅的电阻变化较小, 灵敏度有所降低。 这种现象称为应变计的横向效应。 其它参数 γ，线性度：试件的应变ε和电阻的相对变化ΔR/R, 在理论上呈线性关系。 但实际上, 在大应变时, 会出现非线性关系。 φ，应变极限：粘贴在试件上的应变计所能测量的最大应变值称为应变极限。 ξ，机械滞后：应变计加载和卸载特性曲线的最大差值δ称为应变计的机械滞后值。 还有疲劳寿命、零漂和蠕变、最大工作电流等参数。 应变片主要性能指标举例 例：已