测试技术基础第三章分析

xp
RL
对直线位移型变阻器，显然：r Rx
R0
于是： uy
1
r mr(1
r)
u0
易知，空载时：uyo ru0
由此可见，当接入负载电阻RL后，输出uy与r 不再保持线性关系。
负载误差：由负载效应引起的非线性误差。
eL
u y u yo u yo
100%
1
1
1 mr (1
r
)
100%
eL
若要求在整个行
Rl r
dl ：电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变。
l
dr ：电阻丝径向相对变形，或称横向应变。
r
横向应变与纵向应变间的关系为：
dr dl
r
l
为泊松比。负号表示两者变化相反。
d ：电阻丝电阻率相对变化，与电阻丝轴
向所受正应力有关，
d E
E为电阻丝材料的弹性模量；为压阻
系数，与材质有关。
第三章 常用传感器
3.1 传感器概述 传感器定义
直接作用于被测量，并能按一定规律将其转换成同种或 别种量值输出的器件，称为传感器。
目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义 上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。
物理量
电量
传感器的构成
传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是 传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信 号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号 进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。
线性度：由于电阻丝本身的不均匀性或间隔 的不均匀导致阶梯特性，增加了传感器的非线 性性。
➢ 测量电路、负载误差
测量电路
对于后接电阻分压
电路的变阻器式传 u0
xp
感器：
uy
R0 RL
Rx RL RxR0
ห้องสมุดไป่ตู้
Rx2
u0
其中：
R0：变阻器总电阻 Rx：x段的电阻。
x
RL
uy
令 r x ， m R0
例如:水银温度计,压电测力计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.
例如:电容式和电感式传感器.
B 能量转换型和能量控制型传感器 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.
例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.
例如:电阻应变片.
110~150
14.0
Cr 20%
镍铬铝 Ni 73%
合金
Cr 20% 2.4~2.6 1.33 -10~10 13.3
(卡玛合金)
Al Fe
3~4% 余量
常用金属电阻应变片有丝式和箔式两种。
丝式应变片 金属丝式应变片 的典型结构：将 一根高电阻率金 属丝（康铜、镍 铬、卡玛合金等， 直径 0.025mm左 右）绕成栅形， 粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线 接于电路中。
1 2
constant
通常sg =1.7~3.6。
常用金属电阻丝材料物理性能
材料名称
成 元素
分 灵敏度 电阻率 温度系数 线胀系数
含量
sg
·mm2/m
×10-6 /°C
×10-6 /°C
康
铜
Cu
57% 1.7~2.1
0.49
-20~20
14.9
Ni 43%
镍铬合金
Ni
80% 2.1~2.5 0.9~1.1
电阻应变片阻值的计算公式为：
R l
A
变形时，、l、A将同时发生变化，从而导致
R改变。
若已知、l、A的变化量为d、dl、dA，则：
dR
R l
dl
R
d
R A
dA
R
dl l
d
dA A
即： dR dl d dA
RlA
➢ 金属电阻应变片
对半径为r的金属电阻丝有： A r2， dA 2rdr
从而：dR dl d 2dr
当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位
移）成线性关系。
➢ 角位移型
R k
： 角位移； k：单位弧度对应
的电阻值。
传感器灵敏度：
s dR
d
k
（/rad）
➢ 非线性型
R kx2
使用时应注意的特性参数：
分辨率（力）：电位器总匝数的倒数。 如：1000匝直线型线绕电位器，分辨率为 0.1%，即该电位器仅能检测到它的总量程 1/1000以上的位移量。
因此：dR 1 2 E
R
其中，1 2 由电阻丝几何尺寸随应变改变
所引起，对于同一电阻材料，1 2 为常数。 E 由电阻率随应变的改变引起，对金属电
阻丝，E 很小。从而：
dR 1 2
R
即电阻相对变化与应变成正比。比值sg称为金属 电阻应变片的应变系数或灵敏度。
sg
dR / R dl / l
60 50
程内误差不超过 40
1~3%，必须有： 30
RL >(10~20)R0
20 10
m=5
m=2 m=1 m = 0.5 m = 0.1
0
m=0
1r
➢ 特点与应用
特点 优点：结构简单，性能稳定，使用方便，输 出信号大，受外界条件影响小。 缺点：因触点与绕线间存在摩擦，动态响应
较差。分辨力低，一般小于20m，噪声大。
应用 主要应用于线位移、角位移测量。
案例： 重量的自动检测--配料设备
原材料
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
比较 重量设定
案例：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
电阻应变式传感器 ➢ 工作原理 导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值 随所受机械变形（应变）的变化而发生变化的 现象，称为导体的电阻应变效应。
d V
传感器的分类
(1)按被测物理量分类: 位移,力,温度等.
(2)按工作的物理基础分类: 机械式,电气式,光学式,流体式等.
(3)按信号变换特征: 物性型,结构型.
(4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系: 能量转换型和能量控制型.
A 物性型与结构型传感器 物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.
导体电阻公式：R Al （）
其中，：电阻率； l ：导体长度； A：导体横截面积。
显然，若导体材质和截面积A一定，其阻值随 导线长度l而线性变化。
➢ 直线位移型
R
如图，当改变触点
C的位置时，AC间
电阻值：
x C x
A
R kl x
C B
kl：单位长度内的电阻值。
传感器灵敏度：S
dR dx
kl
（/m）
3.2 电阻式传感器
概述 电阻式传感器是将被测量转换成电阻变化量，再 通过中间变换电路将电阻变化变换为电压或电流 进行测量的装置。 电阻式传感器按工作原理可分为：滑动变阻器（ 电位器）式、电阻应变片式（弹性电阻式）、热 敏电阻式、磁敏电阻式、气敏电阻式等。
滑动变阻器式传感器 ➢ 工作原理 变阻器式传感器实际是精密线绕电位器，通过 改变电位器触头位置将位移转换为电阻变化。