第5章 电阻应变式传感器（课件）- 《传感器与检测技术(第二版)》同步教学（重庆大学版）

1.掌握传感器工作原理及性能　　　 2.了解传感器结构、种类 3.掌握测量电路及其补偿方法 4.掌握应变片的布置及接桥方式 5.了解传感器的应用 第五章 电阻式传感器 传感器与检测技术 返回课程索引 电阻式传感器的基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。其种类繁多，应用广泛。 按照其工作原理可分为：变阻器(电位器)式、电阻应变式、固态压阻式、热敏电阻式、气敏电阻式、磁敏电阻式等 电阻应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。 第五章 电阻式传感器 应用范围：用于位移、加速度、力、压力、力矩等参数测量。 电阻应变式传感器特点： ①精度高，测量范围广； ②使用寿命长，性能稳定可靠； ③结构简单，体积小； ④频率响应较好，可用于静态和动态测量； ⑤价格低廉，品种多样，性价比高。 第五章 电阻式传感器 第五章 电阻式传感器 5.1 电位器式传感器 电位器是一种将机械位移（线位移或角位移）转换为与其成一定函数关系的电阻或电压的传感元件。 能用于线位移和角位移测量，还用于测量压力、加速度等非电量。 电位器的相关描述 按工作特性，可分为线性电位器和非线性电位器； 按结构形式，可分为线绕式、薄膜式、光电式等等。 着重介绍目前应用较广泛的线性线绕式电位器。 5.1 电位器式传感器 绕线电位器 薄膜电位器 5.1 电位器式传感器 电位器由电阻元件与电刷两个基本部分组成，如图所示。电刷与电阻元件可靠接触并相对于电阻元件作直线运动或转动。 电位器作为传感元件有两个基本作用，一是作为变阻器，二是作为分压器。 5.1.1 电位器式传感器工作原理 线绕电位器由绕于骨架上的电阻元件和电刷组成，结构如图所示。 骨架单位长度的电阻值处处相等，输出电阻Rx或输出电压Uout与电刷位移L呈线性关系。 5.1.1 电位器式传感器工作原理 5.1.1 电位器式传感器工作原理 光电电位器是一种非接触式电位器，用光束代替电刷。 优点：无摩擦和磨损，提高了传感器的准确度、寿命和可靠性，阻值范围宽且分辨率高。 缺点：因输出阻抗较高而需要匹配，输出电流小，结构复杂，工作温度范围比较窄。 电位器式传感器工作时，在输出端都接有负载，如图所示。 设电位器电阻元件的电阻值为R0，负载的等效电阻值为Rf。当Rf>>R0时的工作状态称为空载运行，否则称为负载运行。 5.1 电位器式传感器 5.1.2 空载与负载运行 KR称为线性电位器的电阻灵敏度 Ku称为线性电位器的电压灵敏度 5.1.2 空载与负载运行 空载特性： 负载特性的一般形式 r为电阻的相对变化量； Kf为电位器负载系数； Y为电位器的相对输出电压。 5.1.2 空载与负载运行 电位器负载特性的一般形式，无论对线性或非线性电位器都适用。 图为电位器的负载特性曲线。 5.1.2 空载与负载运行 线绕式电位器的电刷在电阻元件线圈上移动时，电位器的阻值随电刷从一圈移动到另一圈并不是连续变化的，故输出电压Uout随位移的变化也是不连续的，而是一条阶梯形的折线，如图所示。 5.1.3 阶梯特性、阶梯误差及分辨率 5.1 电位器式传感器 电刷每移过一匝线圈，输出电压便产生一次阶跃，其阶跃值为： 在理想情况下，阶梯特性曲线上每个阶梯的大小都是完全相同的，则通过每个阶梯的直线即为理论特性曲线，阶梯特性曲线围绕该直线产生一定的偏差，这种偏差称为阶梯误差。 5.1.3阶梯特性、阶梯误差及分辨率 电位器的电压分辨率的定义为： 在电刷行程内，电位器输出电压阶梯的最大值与最大 输出电压之比的百分数。 对于具有理想阶梯特性的线绕电位器，其理想电压分辨率为： 5.1.3阶梯特性、阶梯误差及分辨率 电位器的行程分辨率的定义为：在电刷行程内，能使电位器产生一个可测出变化的最小电刷行程与整个行程之比的百分数。其表达式为： 阶梯误差和分辨率决定了电位器可能达到的最高准确度。 5.1.3阶梯特性、阶梯误差及分辨率 电位器可直接用来测量位移。被测位移直接作用于电位器的电刷上，引起电位器输出电阻或输出电压发生变化。 5.1.4 电位器式传感器的应用 5.1 电位器式传感器 电位器还可作为变换元件与弹性敏感元件一起构成电位器式传感器，用于测量力、力矩、压力等物理量。 5.1 电位器式传感器 电位器式传感器 优点： 结构简单，尺寸小，重量轻，测量准确度高，性能稳定可靠。 能实现输出——输入间的任意函数关系，输出信号较大，一般不用对输出信号进行放大。 缺点： 存在电刷与电阻元件线圈或电阻膜间的摩擦，影响使用寿命，降低可靠性，降低测量的准确度。 5.1.4电位器式传感器的应用 第五章 电阻