电阻式传感器是以电阻应变计为转换元件,主要由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成,可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形,并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化,从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。图1-13所示为电阻应变式位移传感器。
图1-13 电阻应变式位移传感器
1—壳体 2—拉簧 3—悬臂架 4—测杆 5—应变片
电阻应变式传感器的优点是精度高、测量范围广、寿命长、结构简单、频响特性好,能在恶劣条件下工作,易于实现小型化、整体化和品种多样化等。它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱,但可采取一定的补偿措施。因此,它广泛应用于自动测试和控制技术中。
传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应,即在外力作用下产生机械形变,从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类,金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高(通常是丝式、箔式的几十偌)、横向效应小等优点。
图1-14为金属丝应变效应示意。
图1-14 金属丝应变效应
电阻丝的电阻公式为
式中, ρ 是电阻率,是比例常数,它与导体的材料有关,是一个反映材料导电性能的物理量; L 为长度; S 为截面积。
求 R 的全微分得
式中, 是长度相对变化,即应变ε。
金属丝的变形公式为
式中, μ 为泊松比,对于钢, μ =0.285。
故应变效应数学表达式为
灵敏度系数为
因此应变片的应变效应原理可以用公式表达为
式中, K 为电阻应变片的灵敏系数。
单臂、半桥、全桥是指在电桥组成工作时,有1个桥臂、2个桥臂、全部4个桥臂(用应变片)阻值都随被测物理量而变化。如图1-15所示是直流电桥转换电路,它的4个桥臂由电阻 R 1 、 R 2 、 R 3 、 R 4 组成, E 是供桥电压,当 R L =∞时,输出电压为
1.电桥平衡条件
直流电桥平衡的条件为
图1-15 直流电桥转换电路
2.电压灵敏度
电桥的输出电压(或输出电流)与被测应变在电桥的一个桥臂上引起的电阻变化率之间的比值,称为电桥的灵敏度。
(1)单臂电桥
当 R 1 为应变片时组成了单臂电桥,其电压输出为
当 R 2 = R 3 = R 4 时,巨考虑到△ R 1 << R 1 ,则可以进一步化简为
根据式(1-5)传感器的灵敏度公式可以推导出单臂电桥的灵敏度为
式中,C为常数。
(2)半桥
当 R 1 和 R 2 为应变片时,则组成了半桥电路。令Δ R 1 =Δ R 2 , R 1 = R 2 = R 3 = R 4 ,其电压输出为
同样根据式(1-5)传感器的灵敏度公式可以推导出半桥的灵敏度为
式中,C为常数。
(3)全桥
全桥电路为 R 1 、 R 2 、 R 3 和 R 4 都为应变片,则当4个电阻相等时,其电压输出为
其灵敏度为
K U = EC (1-23)
式中,C为常数。