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1、,电阻式传感器性能测试及应用,电阻式传感器性能测试及应用,传感器简介 传感器工作原理 实验电路 电子秤设计,山西大学物理实验中心,传感器指能感知某一非电量的信息，并能将之转化为可加以利用的信息的装置。或者说是将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系的电量信号输出的器件或装置。传感器技术（也可以说是测量技术),也就是对一些非电量如:压力、力矩、应变、位移、速度、温度、流量、液位、重量等进行检测，在现代化的自动检测、遥控和自动控制系统中，这是必不可少的部分，如果缺少了传感器技术，自动化将无从谈起。,传感器好比人的五官，人通过五官即：眼（视觉）、耳（听觉）、鼻（嗅觉）、舌（味觉）、四肢身体（触觉）感
2、知和接收外界的信息，然后通过神经系统传输给大脑进行加工处理。传感器则是一个控制系统的“电五官”，它感测到外界的信息，然后反馈给系统的处理器即“电脑”进行加工处理。如果一个控制系统没有传感器，就象一个人没有五官，其结果是可想而知的。,传感器一般是利用物理、化学、生物等的某些效应或原理按照一定的制造工艺研制的。通常由敏感元件、传感元件（转换元件）、测量电路（信号调节与转换电路）和辅助电源几部分组成。,敏感元件,传感元件,测量电路,辅助电源,传感器组成框图,被测非电量,电量,敏感元件能直接感受被测非电量，并按一定规律转换成与被测非电量有确定对应关系的其它物理量（一般仍为非电量）。 电阻应变片是与弹性
3、膜固连在一起的，弹性膜片的应变传递给电阻应变片，引起电阻应变片电阻值的变化，也就是说电阻应变片能将应变转换成电阻的变化，所以电阻应变片就是传感元件。 传感元件又称变换器，能将敏感元件感测受到的非电量变换成为电量。,电阻应变式传感器的工作原理,电阻应变式传感器是一种利用电阻材料的应变效应，将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器，此类传感器主要是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将变形转换成电阻的变化，再通过测量电路进一步将电阻的改变转换成电压或电流信号输出。可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速
4、度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。 1. 电阻应变效应 所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变的同时其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。以圆柱形导体为例：设其长为：L、半径为r、材料的电阻率为时其电阻R为（根据电阻的定义式） （11） 当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率的变化为dL、dA、d相应的电阻变化为dR。对式（11）全微分得电阻变化率dR/R为：,（12） 式中： 为导体的轴向应变量L； 为导体的横向应变量r； 由材料力学得： （13） 式中：为材料的泊松比，大多数金属材料的
5、泊松比为0.30.5左右；负号表示两者的变化方向相反。将式（13）代入式（12）得： （14） 式（14）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能（压阻效应）。 2.应变灵敏度 它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。 金属导体的应变灵敏度K：主要取决于其几何效应； 可取 ： （15） 其灵敏度系数为： K= （16） 金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。,3.基本结构 电阻应变式传感器主要有四个部分组成，如图1.1所示： 1，引出线，作为连接测量导线用，对测量精度至关重要； 2，电阻丝
6、也叫敏感栅，是应变片的转换元件，是这类 传感器的核心构件；3，粘结剂，它的作用是将电阻丝 与基底粘贴在一起；4，基底，基底是将传感器弹性体 的应变传送到敏感栅上的中间介质，并起到在电阻丝 和弹性体之间的绝缘作用和保护作用；5，面胶或叫 覆盖层，是一层薄膜，起到保护敏感栅的作用；,4.测量电路 为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。 电桥电路按辅助电源分有直流电桥和交流电桥，由于直流电桥的输出信号在进一
7、步放大时易产生零漂，故交流电桥的应用更为广泛。直流电桥只用于较大应变的测量，交流电桥可用于各种应变的测量。 电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种。基本电路如图1.2所示。,电阻应变式传感器性能测试原理,根据电阻应变式传感器的工作原理，利用CSY998型传感器实验台提供的设备来进行测试。基本原理如图1.3所示，图中R1、R2、R3为普通电阻，R4为应变电阻；RD和r组成调零电位器，采用4V直流稳压电源。 实验台有一应变梁，梁上贴有应变片，并有一个放砝码的托盘，通过加砝码来改变梁的应变，再由测量电路将梁的应变转换成电压信号经差动放大器放大后送入直流电压表显示。由于梁的应变非常小，故需使用差
8、放来放大，为使放大器工作稳定，减少零漂，可采用交流电桥，以得到更好的检测效果。通过砝码重量（每个砝码重为20 g）可对其标定，测试出它的线性范围，并标出其单位：mV/g；例如：测出放置1个砝码时的电压输出为5 mV（可进行调整），2个砝码时的电压输出为10 mV，等等；就可算出其标定值为0.25 mV/g。,所用仪器设备介绍,本次实验用到的仪器设备主要应变电桥、差动放大器、直流稳压电源及液晶电压表等四种。应变电桥作为一个电路模块，由四个5.1K的电阻和一个调零电位器组成；原理如图1.4所示；电位器W1和W2用于电桥调零，电容C用于交流电路中。 差动放大器也是一个电路模块，它是由集成运算放大器组
9、成的增益可调的交直流放大器。差动放大器就其功能来说，是放大两个输入信号之差。由于它在电路和性能方面有着许多的优点，因此成为集成运放的主要组成单元。此差动放大器模块主要由运放A741组成，它的电路原理如图1.5所示：,从电路图中可以看出此差动放大器模块主要由三部分组成：一是信号的输入输出部分；二是零点调节部分:当一个理想运算放大器的两个输入端输入相同的电压或直接接地时，其输出电压应为零，但在实际应用时却不为零，因此需要通过调零电路来进行校准，即通过调节W1的大小来实现。调零的原理是将运放的输入端外加一个补偿电压，以抵消运算放大器本身的失调电压，达到调零的目的；三是增益部分。当运算放大器的反相端和
10、同相端分别输入信号V1和V2时，则输出端电压：VoRFV1/R1（1RF/R1）（R3/（R2R3）V2； 其中RFR4W2。由于RF为R4W2之和，所以随着W2的改变将有不同的增益表现.。此模块的具体使用方法如下： 1将输入端“Vi1”和“Vi2”通过连接线同地相接，其输出端“Vo” 接到电压表的输入端； 2接通实验台的总电源，观察电压表上显示的数字，如果不能持续保持“0”数字，则需通过对W1进行顺时针或逆时针方向细致地旋转来使输出为零； 通过上述的步骤之后，差动放大器的初始调零工作就结束了，但是放大倍数旋钮W2要预先按要求旋至合适的位置上。电压表也直接做在实训台面板上，使用时应注意被测量电
11、压不能大于它的量程，否则显示会溢出。,电阻应变片的应用 电子秤重装置的设计,本次所设计的称重装置要求达到的称重精度为0.1克，称重范围为10克1000克。同学们可根据测量要求自行设计实现方案。方案最好以YLCG实训台为依托，尽量少采用其它的元器件、电路模块或设备，这样便于更方便地实施。这里给出两种方案供参考：方案一是建立在实训一的基础上，产用一个测量应变片来进行检测；此方案简单易行，所用模块少，但精度较低，不一定能满足测量要求；方案二是建立在实训二的基础上，产用交流全桥测量电路，用到四个电阻应变片。可以获得较高的测量精度和足够的测量范围；但所用电路模块较多，结构较复杂，实现起来较困难。,思考题,1.电阻应变式传感器的灵敏度与哪些因素有关？ 2.试分析所测数据中存在的非线性因素，并说明解决的办法。 3.分析你在本实验中测得的数据可能存在的误差情况。 4.电桥电源的大小与稳定对测量结果会产生什么样的影响？,山 西 大 学,物 理 实 验 中 心,李保春 E-mail：,