第2章 电阻式传感器与力的检测（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（人民邮电版）

第2章 电阻式传感器与力的检测 【教学目标】 掌握电位器式传感器的基本工作原理 熟悉电阻应变效应的基本概念 掌握电阻应变式传感器的工作原理和测量电路 了解电阻式传感器的结构和特性 【教学重点】 电位器式传感器的工作原理 应变式传感器的测量电路 【教学难点】 应变式传感器的典型应用 【主要内容】 电位器式传感器 电阻应变式传感器 第2章 电阻式传感器与力的检测 2.1 电位器式传感器 电位器式传感器的结构 电位器式传感器的工作原理 电位器式传感器的典型应用 1 电位器式传感器的结构 电位器式传感器一般由电阻体、骨架和可移动的电刷组成。 （a）线性电位器式传感器（线位移） （b）非线性电位器式传感器（角位移） 2 电位器式传感器的工作原理 假定xm、Rm、Um分别表示电位器的全长、总的电阻、总的电压；x、Rx、Ux分别表示电刷的位移量、位移量对应的电阻、电压，根据分压原理可得： 式中，Ku —电压灵敏度，KR —电阻灵敏度。 由上式可知：输出电压与电刷线位移之间的关系是线性的， 电阻值与电刷线位移之间的关系也是线性的。 2 电位器式传感器的工作原理 对角位移式电位器来说，Uа与滑动臂的旋转角度成正比，即： 可知：输出电压与电刷角位移之间的关系是 线性的，输出电阻值与电刷角位移之间的关 系也是线性的。 3 电位器式传感器的典型应用 电位器式压力传感器 电位器式压力传感器原理框图 电位器式压力传感器 电位器式压力传感器 电位器式位移传感器 3 电位器式传感器的典型应用 1-测杆；2-滑线电阻；3-电刷；4-弹簧；5-滑块；6-导轨；7-外壳；8-无感电阻。 2.2 电阻应变式传感器 应变效应 金属电阻应变片 半导体应变片 电阻应变片的主要特性和性能指标 应变式传感器的温度误差和补偿 应变式传感器的测量电路 应变式传感器的典型应用 1 应变效应 应变 是指结构尺寸的相对变化量，一般用ε表示，比如长度的相对变化量ΔL/L。 应变效应 是指导体或半导体材料受到外力作用时，将产生机械变形，从而导致其电阻值发生改变的现象。 电阻应变片 金属电阻应变片：金属丝式、金属箔式 半导体应变片：硅、锗 2 金属电阻应变片 金属电阻应变片的工作原理 设金属单丝的长度为L、截面积为A、半径为r、电阻率为，则它的电阻值R为： 当有拉力F沿轴向作用于金属丝，L 、A、均发生变化：L、A、，如图所示： 金属单丝受到拉力时产生应变的示意图 2 金属电阻应变片 金属电阻应变片的工作原理 可求得电阻值的相对变化量： 假设金属丝截面是圆形的，截面积A＝r2，r为金属丝的半径，则有： 令： 或： 金属电阻应变片的工作原理 由材料力学可知，在弹性范围内，若金属丝受到拉伸的力，则沿轴向（纵向）伸长，沿径向（横向）缩短，纵向应变与横向应变的关系可表示为： 上式中，μ —电阻丝材料的泊松系数，又称泊松比。它是一个常数，负号表示横向应变与纵向应变的方向相反。 可得电阻应变效应的表达式： 2 金属电阻应变片 金属电阻应变片的工作原理 单位应变所引起的电阻相对变化量，称为电阻丝的应变灵敏系数，用K表示： 电阻丝的应变灵敏系数受两个因素的影响： 一是因电阻丝的几何尺寸产生应变而引起的，即（1+2μ）项，往往称之为几何效应； 二是因受力后电阻丝的电阻率发生变化而引起的，即后面的一项，往往称之为压阻效应。 2 金属电阻应变片 金属电阻应变片的工作原理 对于金属材料而言，产生应变时电阻值的相对变化量主要是由结构尺寸的变化（长度L和面积A）引起的，电阻率的变化很小，可以忽略不计，因此有： 这就是金属电阻应变效应的表达式。 上中Ks称为金属电阻丝的应变灵敏系数： 大多数金属材料 Ks的数值在1.6～3.6之间。 2 金属电阻应变片 金属电阻应变片的结构 由金属电阻材料制成的敏感栅粘贴在绝缘的基底上，敏感栅的两端焊接有引出导线，敏感栅上面粘贴有覆盖层。 2 金属电阻应变片 金属电阻应变片的结构 金属电阻应变片的类别 2 金属电阻应变片 金属电阻应变片的类别 金属丝式应变片 金属丝式应变片的敏感栅由电阻丝绕制而成，是使用最早的应变片。 制造简单、性能稳定、价格便宜、易于粘贴。 2 金属电阻应变片 金属电阻应变片的类别 金属箔式应变片 箔栅是金属箔经过光刻、腐蚀等工艺制成的很薄的金属薄栅（0.003～0.01mm）。 散热条件较好，扁平状箔栅有利于形变的传递，横向效应小，一致性较好。 2 金属电阻应变片 金属电阻应变片的类别 金属薄膜式应变片 薄膜式应变片的敏感栅是由蒸镀或溅射法沉积的金属、合金薄膜制成的，其厚度一般在0.1μm以下。 灵敏度高，工