电阻式传感器电子教案.doc

传感器及自动检测技术 课程教案 授课题目（教学章节或主题）： 电阻式传感器 授课类型 理论课 授课时间 教学目标或要求： 1．掌握电阻应变效应的基本概念。 2．掌握电桥原理与各电桥的特点。 3. 掌握温度误差产生的原因及其补偿方法。 4．了解应变计的应用和发展现状。 教学内容（包括基本内容、重点、难点）： 基本内容 一. 什么是应变效应 定义：电阻丝受外力作用时，将产生弹性变形和应变，与此同时其电阻值也发生改变，这种现象称为“电阻应变效应”。 图1 如图1所示设有一段长为，截面积为，电阻率为ρ的导体(如金属丝)，它具有的电阻为 式中：ρ—电阻丝的电阻率；—电阻丝的长度；—电阻丝的截面积。r变小，导致R变大 。 图2 则电阻值的相对变化量为： 设：——金属丝的轴向应变。 ——金属丝的径向应变。 εx= -μεY；μ——泊松系数；(Poisson ratio) 令： 式中：——金属丝的灵敏系数；(gage factor) 在金属丝的弹性范围内，灵敏系数为常数，即 ： ——线性关系 通常很小，常用表示之。例如，当为0.000001时，在工程中常表示为或um/m。在应变测量中，也常将之称为微应变(με)。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于，即1000um/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。 二.电阻式传感器的分类 1.变阻器式传感器； 2．电阻应变式传感器； 3．固态压阻式传感器。 电阻应变式片一般由覆盖层、基底、引出线 、粘合剂、电阻丝（敏感栅） 其中电阻丝核心元件。如图3所示 图3 电阻应变片的结构 常用的金属应变片组要有两种结构：丝式和箔式两种。如图4所示 图4金属应变片 金属丝式应变片一般直径在0.012～0.05mm的金属丝；金属箔式应变片 厚度在0.001～0.01mm的金属箔； 三．应变片的主要参数 1.应变片电阻值（R0） 电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、350Ω，500Ω和1000Ω 等多种规格，以120Ω最为常用。 应变片的电阻值越大，允许的工作电压就大，传感器的输出电压也大，相应地应变片的尺寸也要增大，在条件许可的情况下，应尽量选用高阻值应变片。 2.绝缘电阻：要求1010欧姆； 3.应变片的灵敏系数（K） 金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片后，其电阻—应变特性，与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻—应变特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系。即 金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片后，其电阻—应变特性，与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻—应变特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系。即 4.机械滞后 应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。 产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。 机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差如图5所示。 图5应变片的机械滞后 5.零漂和蠕变 对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。产生原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。 6.允许电流：静态25mA,动态：75～100mA； 四．电阻式传感器的测量电路 1.恒压源直流电桥 图6 电桥电路原理图 如图所示。电源E为恒压源，其内阻为零。根据电路学中的克希霍夫定律，列出电路方程： 联立求解上述方程，求出检流计中流过的电流Io为: 式中 R0为负载电阻，因而其输出电压U0为: 当R1R4=R2R3时，I0=0，U0=0，即电桥处于平衡状态。 若电桥的负载电阻R0为无穷大，则B、D两点可视为开路，上式可以化简为: 1）.单臂电桥 图7 单臂电桥 设R1为应变片的阻值如图7所示，工作时R1有一增量ΔR1，当为拉伸应变时，ΔR1为正；压缩应变时，ΔR1为负。在