项目二应变式电阻传感器.docx

1、项目二 应变式电阻传感器课 时 授 课 计 划15大专农机定向15大专汽车维修班级: 科目: 传感器与检测技术 任课教师: 杨慧清章节内容项目二 电阻式传感器任务1 应变式电阻传感器教学方式课堂教学教学时数2学时教学目的 与要求1、了解电阻应变式传感器的外形、结构、工作原理。2、熟悉电阻应变式传感器的使用及选用原则。教学重点与难点重点：电阻应变式传感器的外形、结构、使用。难点：电阻应变式传感器的使用及选用原则。教学内容新课导入：目前传感器的种类虽已繁多，但在称重和测力领域中高精度的传感器仍是以应变式传感器应用最广泛。电子秤是一种精密电子仪器，易于操作、精度高、实用性强，它的主要部件就是应变片与

2、弹性敏感元件。一、复习与提问1、复习：检测技术。2、提问：相对误差有哪几种？二、电应变式传感器 电阻应变式传感器是一种用金属弹性体作为弹性元件通过粘贴在弹性体敏感部位的电阻应变计组成惠斯通电桥，并在外加电源的激励下可以将力转换为电信号的测量装置。 电阻应变式传感器工作原理框图加载载荷越大，弹性敏感元件变形大，应变片受力变形、应变就越大，阻值变化也越大，电桥输出电压也就更大。1、弹性敏感元件 能将力、力矩、压力、温度等物理量变换成位移、转角或应变的弹性元件，称为弹性敏感元件。结构型传感器的组成都离不开弹性敏感元件。 应变：应变是物体受外力作用时产生的相对变形,它是一个无量纲的物理量。设物体原长度

3、为l，受力后产生l的变形。若l0，则表示物体被拉伸；l(1+)，故(1+)项可以忽略半导体单晶的应变灵敏系数可表示半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的，而电阻率的变化是由应变引起的。 半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小2、结构型式及特点主要优点是灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍，横向效应和机械滞后极小，温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多。三、电桥测量电路 电阻式传感器可以用直流电桥或交流电桥作为转换电路。在电工测量中，用电桥测量电阻、电容和电感，是在电桥平衡时读出被测参数的，称为平衡电桥。用作传感器信号转换电桥，初始状态是平衡的，输出电压等于

4、零；当桥臂参数变化时才输出电压，称为不平衡电桥。(1)电阻电桥的输出电压 电桥的平衡条件：R1R2 = R3R4 当电桥不平衡时，输出电压为 Uo = Ui（R1/R1 - R2/R2 + R3/R3 - R4/R4)/4若四个桥臂电阻都是电阻应变片,可得: Uo = Uik(1 - 2 + 3 - 4 )/4(2)应变电桥的工作方试 半桥单臂工作方式: Uo = Uik1/4 半桥双臂工作方式: Uo = Uik(1 - 2)/4 全桥差动电桥:Uo = Uik1 Ri R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥

5、臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。 电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。（3）零点补偿，要求电桥的4个桥臂电阻值相同是不可能的，这样就使电桥不能满足初始平衡条件（即U00）。为了解决这一问题，可以在一对桥臂电阻乘积较小的任一桥臂中串联一个可调电阻进行调节补偿。四、惠斯通电桥用欧姆表测量电阻虽然方便，但不够精确，而用伏安法测电阻，电表所引起的误差又难以消除，精确

6、地测量电阻，常用惠斯通电桥。图为惠斯通电桥的电路图，当 B、D 两点的电势相等时，通过检流计的电流强度Ig=0，此时就称电桥平衡（可通过调节滑动触头 D 的位置来实现）。根据串联电路中电阻与电压成正比的原理，可知此时应有R1:R2=Rx:R0一般来讲， R1 和 R2 由同一均匀电阻丝组成，其阻值与长度成正比，待测电阻的计算公式为测出电阻丝长度L1 和L2 之比，再由标准电阻R0的阻值即可确定待测电阻 Rx 的阻值。 由来惠斯通电桥不是惠斯通发明的在测量电阻及其它电学实验时，经常会用到一种叫惠斯通电桥的电路，很多人认为这种电桥是惠斯通发明的，其实，这是一个误会，这种电桥是由英国发明家克里斯蒂在

7、1833年发明的，但是由于惠斯通第一个用它来测量电阻，所以人们习惯上就把这种电桥称作了惠斯通电桥。应用：应用在称重检测元件上等。 全臂电桥与惠斯通电桥的区别是什么？电桥的工作方式不同，单臂工作：电桥中只有一个臂接入被测量，其它三个臂采用固定电阻；双臂工作：如果电桥两个臂接入被测量，另两个为固定电阻就称为双臂工作电桥，又称为半桥形式；全桥方式：如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形式。惠斯通电桥，两臂接入已知精密电阻，一臂接入滑动变阻器，一臂接入待测电阻，使用时调节滑动变阻器使电桥达到平衡，再利用平衡关系算出未知电阻，这时滑动变阻器的阻值也是已知的，所以惠斯通电桥是单臂电桥。例1：如图所示为一直流

8、电桥，供电电源电动势E=3V，R3=R4=100，R1和R2为同型号的电阻应变片，其电阻均为50，灵敏度系数K=2.0。两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。设等强度梁在受力后产生的微应变为5000，试求此时电桥输出端电压U0。例2：采用阻值为120灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的微应变分别为1 000时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压。解：单臂时，微应变为1000时应为/V；双臂时，微应变为1000时应为/V；全桥时，应变为1000时应为/V。问答题：为什么应变式传感器大多采用交流不平衡电

9、桥为测量电路？该电桥为什么又都采用半桥和全桥两种形式？应变式传感器配用交流电桥的主要理由有：（1）由于传感器输出信号较弱，因此电桥输出信号也非常弱，此信号须经放大后才能进行电测，为消除零点漂移，需采用交流放大器，要求电桥输出交流信号。（2）为减小外界干扰，传感器与电桥间需用电缆连接，当连接电缆分布电容的影响不能忽略时，也必须采用交流电桥予以克服。为了既能测量静态参量，又能测量动态参量，一般都采用不平衡交流电桥。 由于差动半桥与差动全桥不仅可以消除非线性误差，而且电压灵敏度也比单一工作应变片电桥高，同时还能起温度补偿作用，因此，应变式传感器多采用这类电桥。小结：电阻应变片的电桥测量电路，半桥单臂工作方式: Uo = Uik1/4；半桥双臂工作方式: Uo = Uik(1 - 2)/4；全桥差动电桥:Uo = Uik1。思考题：1、电阻应变式传感器会因温度产生误差，如何进行温度补偿？2、直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别?作业：阅读课本。