,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章第,2,节 电阻式 传感器 中南大学交通运输学院,*,中南大学交通运输学院,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,3.2,电阻式传感器,电阻式传感器,是把被测量转换为电阻变化的一种传感器,按工作的原理可分为,:,变阻器式,、,电阻应变式,1,变阻器式传感器,:,分辨力不高，有噪声。用于线、角位移测量,(1),原理,1 2 3,1,3,2,直线型,旋转型,结构简单，使用方便，分辨力不高；用于伺服记录仪或电子电位差计等,1,等效电路分析,:,R,p,-,总电阻,;x,p,-,变阻总长,;R,L,负载电阻,;x-,电刷移动量,.,1,3,2,x,x,p,E,in,E,out,R,x,R,L,R,p,-R,x,0 x 100%,100%,Output,0,负载效应,2,电阻应变式传感器,电阻应变式传感器是利用电阻应变片将,应变,转换为,电阻变化,的传感器,传感器由在弹性元件上粘贴,电阻应变敏感元件,构成。当被测物理量作用在弹性元件上时,弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成,电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。,应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。,3,金属电阻应变片的工作原理,金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的,应变效应,，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形,(,伸长或缩短,),的变化而发生变化的现象。,如图 所示,一根金属电阻丝,在其未受力时,原始电阻值为,式中,:,电阻丝的电阻率,;,L,电阻丝的长度,;,S,电阻丝的截面积。,4,应变片的电阻,R,为,dL/L,是长度相对变化量,用应变,表示,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为,5,金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。敏感栅是应变片的核心部分,它粘贴在绝缘的基片上,其上再粘贴起保护作用的覆盖层,两端焊接引出导线。,6,金属应变片的横向效应,将应变片粘贴在被测试件上时,其敏感栅由直线段和半圆弧段组成,圆弧段电阻的变化,小于同样长度直线段电阻丝电阻的变化。将直的电阻丝绕成敏感栅后,敏感栅的电阻变化较小,因而其灵敏系数较电阻丝的灵敏系数小，这种现象称为应变片的横向效应。,敏感栅愈窄,基长愈长的应变计,其横向效应引起的误差越小。,7,温度误差,温度误差产生的原因,由于环境温度改变而带来的误差,称为应变计的温度误差,又称热输出。,产生温度误差的原因有二,:,(1),敏感栅金属丝电阻本身随温度发生变化。,(2),试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不一,使,应变丝产生附加变形,而造成的电阻变化。,8,对半导体应变片,半导体应变计,工作原理：,基于半导体的压阻效应,.,压阻效应指单晶半导体材料在沿轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。,单晶半导体在受外力作用时，原子点阵排列规律发生变化，导致,载流子迁移率及载流子浓度,变化，从而引起电阻率变化,。,优点：,应变灵敏度高、机械滞后小、横向效应小、体积小,;,能制成具有一定应变电阻的元件,.,缺点：,温度稳定性差、灵敏度分散度大，在较大应变作用下，非线性误差大,。,9,电阻应变式传感器的应用：测力,10,案例：,电子称,原理,将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,11,案例：冲床生产记数,和生产过程监测,12,案例：机器人握力测量,13,案例：,振动式地音入侵探测器,适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,14,15,案例：,煤气包储量检测,原理,直接将代表煤气包储量的高度变化转换为钢丝的电阻变化,煤气包,钢丝,特点：,（,1,）测量量程大；,（,2,）防爆；,（,3,）可靠；,（,4,）成本低。,16,案例：,桥梁固有频率测量,原理,在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车冲击障碍物对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。,4),应用,应变片上限测量频率的限制因素：电桥激励电源的频率和应变片的基长。一般上限测量频率应在电桥激励电源频率的,1/5-1/10;,基长愈短，上限测量频率可以愈高,17,(5),应用,案例：,重量的自动检测,-,配料设备,重量设定,原材料,比较,原理,用弹簧将力转换为位移,;,再用变阻器将位移转换为电阻的变化,18,应用,6,：,玩具机器人（广州中鸣数码）,原理,直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化,19,计算题,20,