傳感器課件君1-5講第三

1、第2章 電阻式傳感器 電阻式傳感器的種類繁多，應(yīng)用廣泛，其基本原理是將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路而最后顯示被測(cè)量值的變化。 電阻式傳感器與相應(yīng)的測(cè)量電路組成的測(cè)力、測(cè)壓、稱重、測(cè)位移、測(cè)加速度、測(cè)扭矩、測(cè)溫度等測(cè)試系統(tǒng)。目前已成為生產(chǎn)過程檢測(cè)以及實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化不可缺少的手段之一。 下頁返回圖庫第2章 電阻式傳感器2.1電位器式傳感器2.2應(yīng)變片式傳感器本章要點(diǎn)下頁上頁返回圖庫2.1 電位器式傳感器電位器是一種常用的機(jī)電元件，廣泛應(yīng)用于各種電器和電子設(shè)備中。它主要是一種把機(jī)械的線位移或角位移輸入量轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件來使用。它們主要用于測(cè)

2、量壓力、高度、加速度、航面角等各種參數(shù)。 電位器式傳感器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、精度高、輸出信號(hào)大、性能穩(wěn)定并容易實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)。其缺點(diǎn)是要求輸入能量大，電刷與電阻元件之間容易磨損。電位器的種類很多，按其結(jié)構(gòu)形式不同，可分為線繞式、薄膜式、光電式等；按特性不同，可分為線性電位器和非線性電位器。目前常用的以單圈線繞電位器居多。下頁上頁返回圖庫2.1.1 線性電位器線性電位器的空載特性 圖2-1電位器式位移傳感器原理圖 圖2-2電位器式角度傳感器 圖2-3線性線繞電位器示意圖階梯特性、階梯誤差和分辨率 圖2-4局部剖面和階梯特性圖 圖2-5理想階梯特性曲線下頁上頁返回圖庫2.1.

3、2 非線性電位器非線性電位器是指在空載時(shí)其輸出電壓(或電阻)與 電刷行程之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器，也稱函數(shù)電位器。常用的非線性線繞電位器有變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式及電位給定式四種。圖2-6變骨架電位器下頁上頁返回圖庫2.1.3 負(fù)載特性與負(fù)載誤差圖2-7 帶負(fù)載的電位器電路圖2-8 電位器的負(fù)載特性曲線族圖2-9 電位器負(fù)載誤差曲線圖2-10 非線性電位器的空載特性與線性電位器 的負(fù)載特性的鏡象關(guān)系下頁上頁返回圖庫2.1.4 電位器的結(jié)構(gòu)與材料由于測(cè)量領(lǐng)域的不同，電位器結(jié)構(gòu)及材料選擇有所不同。但是其基本結(jié)構(gòu)是相近的。電位器通常都是由骨架、電阻元件及活動(dòng)電刷組成。常用的線繞式電位

4、器的電阻元件由金屬電阻絲繞成。 圖2-11 某些電刷結(jié)構(gòu) 圖2-12 YCO-150型壓力傳感器原理圖 圖2-13 膜盒電位器式壓力傳感器原理圖下頁上頁返回圖庫2.1.5 電位器式傳感器應(yīng)用舉例圖2-14 電位器式位移傳感器示意圖圖2-15 測(cè)小位移傳感器示意圖圖2-16 電位器式加速度傳感器示意圖下頁上頁返回圖庫2.2 應(yīng)變片式傳感器電阻應(yīng)變片的工作原理金屬電阻應(yīng)變片主要特性溫度誤差及補(bǔ)償應(yīng)變片式電阻傳感器的測(cè)量電路應(yīng)變片式電阻傳感器的應(yīng)用舉例下頁上頁返回圖庫2.2.1 電阻應(yīng)變片的工作原理 電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。 圖2-17

5、 金屬絲伸長(zhǎng)后幾何尺寸變化下頁上頁返回圖庫2.2.2 金屬電阻應(yīng)變片主要特性 金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)及材料 圖2-18 金屬絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 圖2-19 箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 圖2-20 各式箔式應(yīng)變花下頁上頁返回圖庫2.2.2 金屬電阻應(yīng)變片主要特性 電阻應(yīng)變片主要特性 靈敏系數(shù) 橫向效應(yīng) 機(jī)械滯后，零漂及蠕變 溫度效應(yīng) 應(yīng)變極限、疲勞壽命 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性圖2-21 機(jī)械滯后 圖2-22 應(yīng)變極限下頁上頁返回圖庫2.2.3 溫度誤差及補(bǔ)償 在外界溫度變化的條件下，由于敏感柵溫度系數(shù)t及柵絲與試件膨脹系數(shù)(g及s)之差異性而產(chǎn)生虛假應(yīng)變輸出有時(shí)會(huì)產(chǎn)生與真實(shí)應(yīng)變同數(shù)量級(jí)的誤差。必須采取補(bǔ)償溫度誤差

6、的措施。通常溫度誤差補(bǔ)償方法有兩類：自補(bǔ)償法 1單絲自補(bǔ)償法 2組合式自補(bǔ)償法線路補(bǔ)償法 圖2-27 電橋補(bǔ)償法 圖2-28 差動(dòng)電橋補(bǔ)償法下頁上頁返回圖庫2.2.4 應(yīng)變片式電阻傳感器的測(cè)量電路 直流電橋 直流電橋平衡條件 直流電橋電壓靈敏度 電橋的非線性誤差 交流電橋 交流電橋的平衡條件 交流應(yīng)變電橋的輸出特性及平衡調(diào)節(jié) 圖2-29 直流電橋 圖2-30 交流電橋下頁上頁返回圖庫2.2.4 應(yīng)變片式電阻傳感器的測(cè)量電路應(yīng)變片式傳感器對(duì)應(yīng)變產(chǎn)生的電阻變化量很小，通常是在幾個(gè)歐姆以下。要求測(cè)量電路必須能夠測(cè)量微小電阻的變化。電橋電路是最常用的測(cè)量微小電阻變化的電路。為了提高電橋靈敏度或?yàn)檫M(jìn)行溫

7、度補(bǔ)償，在橋臂中往往安置多個(gè)應(yīng)變片。應(yīng)變電橋多采用交流電源供電。下頁上頁返回圖庫2.2.5 應(yīng)變片式電阻傳感器的應(yīng)用舉例下頁上頁返回圖庫柱式力傳感器（a）實(shí)心圓柱；（b）空心圓筒； 圖2-19 柱式力傳感器FF面積S-1+2-2+1截面積SF(a)實(shí)心圓柱(b)空心圓柱F軸向布置一個(gè)或幾個(gè)應(yīng)變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片，后者取符號(hào)相反的應(yīng)變，以構(gòu)成差動(dòng)對(duì)。由于應(yīng)變片沿圓周方向分布，所以非軸向載荷分量被補(bǔ)償。下頁上頁返回圖庫R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF彈性元件上應(yīng)變片的粘貼和電橋連接，應(yīng)盡可能消除偏心和彎矩的影響，一般將應(yīng)變片對(duì)稱地貼在應(yīng)力均勻

8、的圓柱表面中部，構(gòu)成差動(dòng)對(duì),且處于對(duì)臂位置，以減小彎矩的影響 。橫向粘貼的應(yīng)變片具有溫度補(bǔ)償作用。下頁上頁返回圖庫(2)梁式力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工，靈敏度高適合于測(cè)5000N以下的載荷 b0R1R2l0lFbh 等截面懸臂梁FhR1、R4lR2、R34只應(yīng)變片此位置上下兩側(cè)分別粘有4只應(yīng)變片，R1、R4同側(cè)；R3 、R2同側(cè)，這兩側(cè)的應(yīng)變方向剛好相反，且大小相等，可構(gòu)成全差動(dòng)電橋。下頁上頁返回圖庫b0R1R2XlFbh 等強(qiáng)度懸臂梁 集中力F作用于梁端三角形頂點(diǎn)上，距作用力任何距離的截面上應(yīng)力均相等下頁上頁返回圖庫 雙端固定梁R4R3R2R1FUU 雙彎曲梁下頁上頁返回圖庫S型拉壓傳感器懸臂梁式傳感器雙孔梁式傳感器橋式傳感器下頁上頁返回圖庫薄壁圓環(huán)式力傳感器 實(shí)例1. 應(yīng)變式加速度傳感器在低頻（1060Hz）振動(dòng)測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用,但不適用于頻率較高的振動(dòng)和沖擊。 應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1等強(qiáng)度梁 2質(zhì)量塊 3殼體 4電阻應(yīng)變片(a) 微壓傳感器傳壓桿感壓膜圖2-27 應(yīng)變式傳感器測(cè)容器內(nèi)液位電阻應(yīng)變片（反、正兩面共4片）E2R1R3RLR2R4U0R1R3RLR2R4實(shí)例2. 應(yīng)變式傳感器測(cè)容器內(nèi)液位 (b)原理：電機(jī)-轉(zhuǎn)角 -應(yīng)變片 -電阻實(shí)例3.實(shí)例4. 電子稱原 理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片