电阻式传感器

1、物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 物联网系列教材物联网系列教材荣荣获获陕西省高等教育教学成果陕西省高等教育教学成果二等二等奖奖 点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用第第3章章 电阻式传感器电阻式传感器点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 电阻式传感器的基本原理是：将被测非电量的变电阻式传感器的基本原理是：将被测非电量的变化转换成电阻值的变化，再利用一定的电路测量电阻值化转换成电阻值的变化，再利用一定的电路测量电阻值的变化，从而实

2、现对非电量的测量。的变化，从而实现对非电量的测量。点击此处结束放映点击此处结束放映 弹性敏感元件弹性敏感元件3.1电位器式传感器电位器式传感器3.2金属电阻应变式传感器金属电阻应变式传感器3.3压阻式传感器压阻式传感器3.4物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映 弹性敏感元件弹性敏感元件3.1物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 具有弹性变形特性的物体称为弹性元件或弹性体。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件或弹性体。在传感器中，通常利用弹性元件直接感受被测量，这样在传感器中

3、，通常利用弹性元件直接感受被测量，这样的弹性元件称为弹性敏感元件。的弹性元件称为弹性敏感元件。 点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用3.1.1 弹性敏感元件的材料弹性敏感元件的材料 1. 弹性敏感元件材料的一般要求弹性敏感元件材料的一般要求 弹性敏感元件的机械性能弹性敏感元件的机械性能、弹性性能弹性性能、温度特性温度特性、化学化学性能性能等等。 2. 弹性敏感元件材料的种类弹性敏感元件材料的种类 种类繁多，一般使用精密合金材料，近年来也出现了性种类繁多，一般使用精密合金材料，近年来也出现了性能优良的非金属材料。能优良的非金属材料。 点击此处结束放映点击此

4、处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用3.1.2 弹性敏感元件的结构弹性敏感元件的结构1. 变换力的弹性敏感元件变换力的弹性敏感元件 （1）实心圆柱）实心圆柱 （2）空心圆柱）空心圆柱 （3）等截面圆环）等截面圆环 （4）变形圆环）变形圆环 （5）等截面悬臂梁）等截面悬臂梁 （6）等强度悬臂梁）等强度悬臂梁 （7）扭转轴）扭转轴点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 2. 变换变换压力压力的弹性敏感元件的弹性敏感元件 （1）平膜片）平膜片 （2）波纹膜片）波纹膜片

5、 （3）弹簧管）弹簧管 （4）波纹管）波纹管 （5）薄壁圆筒）薄壁圆筒 （6）薄壁半球）薄壁半球点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用3.1.3 弹性敏感元件的基本特性弹性敏感元件的基本特性 1. 刚度刚度 刚度是弹性敏感元件在外力做用下变形大小的量度刚度是弹性敏感元件在外力做用下变形大小的量度。 2. 灵敏度灵敏度 灵敏度是刚度的倒数灵敏度是刚度的倒数。 3. 弹性滞后弹性滞后 4. 弹性后效弹性后效

6、 5. 固有振荡频率固有振荡频率点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 电位器式传感器电位器式传感器3.2点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用3.2.1 电位器的工作原理电位器的工作原理 电位器是一种将机械位移转换为电阻阻值变化的转换元件。电位器是一种将机械位移转换为电阻阻值变化的转换元件。当电位器的输出端接有负载电阻时，其特性称为负载特性。当电位器的输出端接有负载电阻时，其特性称为负载特性。点击此处结束放映点击此处结束放映UlxUo物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用3.2.2电位器的基本结构电位器的基本结

7、构电位器的基本结构非常简单，主要由电阻元件和电刷电位器的基本结构非常简单，主要由电阻元件和电刷（滑动触点）构成。线性电位器分为直线位移电位器和角位移（滑动触点）构成。线性电位器分为直线位移电位器和角位移电位器电位器2种种。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用3.2.3电位器式传感器应用实例电位器式传感器应用实例电位器式传感器可以用于测量压力。电位器式压力传感电位器式传感器可以用于测量压力。电位器式压力传感器把被测的压力变换为弹性敏感元件的位移，如图器把被测的压力变换为弹性敏感元件的位移，如图3.8所示。所示。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技

8、术与应用物联网传感器技术与应用金属电阻应变式传感器金属电阻应变式传感器3.3点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 金属电阻应变式传感器的核心元件是金属应变片。应用时，金属电阻应变式传感器的核心元件是金属应变片。应用时，将金属应变片粘贴在各种弹性敏感元件上，当弹性敏感元件在外将金属应变片粘贴在各种弹性敏感元件上，当弹性敏感元件在外界载荷的作用下变形时，金属应变片的电阻值将发生变化界载荷的作用下变形时，金属应变片的电阻值将发生变化。可用可用于能转化成变形的各种非电物理量（如位移、力、力矩、压力、于能转化成变形的各种非电物理量（如位移、力、力矩、压力、加速度、

9、质量等）的检测。加速度、质量等）的检测。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用3.3.1 应变效应应变效应 1.金属丝的应变效应金属丝的应变效应 （1）金属丝的应变）金属丝的应变 当金属丝受到拉力的作用时，长度将伸长当金属丝受到拉力的作用时，长度将伸长 ，半径将减，半径将减小小 ，横截面积将减小，横截面积将减小 ，电阻率因晶格发生变形等因素而，电阻率因晶格发生变形等因素而改变改变 。点击此处结束放映点击此处结束放映SlRSlr物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映rrllSSllRRddddddd2物联网传感器技术与应

10、用物联网传感器技术与应用（2）泊松比）泊松比 金属丝在弹性范围内沿长度伸长时，径向尺寸缩短金属丝在弹性范围内沿长度伸长时，径向尺寸缩短。 轴向应变轴向应变 与径向应变与径向应变 存在如下关系存在如下关系 称为金属材料的泊松比称为金属材料的泊松比。点击此处结束放映点击此处结束放映rr物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用2. 应变灵敏系数应变灵敏系数 应变灵敏系数应变灵敏系数 定义为：金属丝发生单位轴向应变引起的定义为：金属丝发生单位轴向应变引起的电阻相对变化电阻相对变化。 在应变极限内，金属材料电阻的相对变化与应变成正比在应变极限内，金属材料电阻的相对变化与应变成正比。点击此处结束放映点

11、击此处结束放映/)21 (/llRRKSdd物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用3.3.2 金属电阻应变片金属电阻应变片 1.金属应变片的结构金属应变片的结构 金属应变片主要由敏感栅、基片、覆盖层和引线构成，如金属应变片主要由敏感栅、基片、覆盖层和引线构成，如图图3.10所示。所示。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用2.金属应变片的类型金属应变片的类型 敏感栅是金属应变片最重要的组成部分。根据敏感栅材料敏感栅是金属应变片最重要的组成部分。根据敏感栅材料形状和制造工艺的不同，金属应变片有形状和制造工艺的不同，金属应变片有3种类型，分别为丝式、种类

12、型，分别为丝式、箔式和薄膜式。箔式和薄膜式。 （1）金属丝式应变片）金属丝式应变片 （2）金属箔式应变片）金属箔式应变片 （3）金属薄膜式应变片）金属薄膜式应变片点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用3. 金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性 （1）应变片电阻）应变片电阻 （2）绝缘电阻）绝缘电阻 （3）允许电流）允许电流 （4）灵敏系数）灵敏系数 （5）横向效应）横向效应 （6）机械滞后）机械滞后 （7）零点漂移和蠕变）零点漂移和蠕变点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传

13、感器技术与应用物联网传感器技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用3.3.3 测量测量电路电路 要把应变片的微小应变引起的微小电阻值变化测量出来，要把应变片的微小应变引起的微小电阻值变化测量出来，还要把电阻的相对变化转换为电压或电流，就需要设计专门的测还要把电阻的相对变化转换为电压或电流，就需要设计专门的测量电路。量电路。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用1. 直流电桥直流电桥 直流电桥电路如图直流电桥电路如图3.14所示所示，电桥中的电阻可以采用应变片，电桥中的电阻可以采用应变片。点击此处结束放映点击此处

14、结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用（1） 电桥平衡条件电桥平衡条件（2）等臂电桥输出电压）等臂电桥输出电压 对于等臂电桥，略去高阶微量，输出电压可写为对于等臂电桥，略去高阶微量，输出电压可写为 点击此处结束放映点击此处结束放映3241RRRRRRRRRRRRUUio43214物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用（3）等臂电桥工作方式）等臂电桥工作方式点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用2. 交流电桥交流电桥 实际应用中也常采用交流电桥。交流电桥的电路结构

15、与实际应用中也常采用交流电桥。交流电桥的电路结构与直流电桥相似，具体实现上有直流电桥相似，具体实现上有2点不同：一是激励电源是交流电点不同：一是激励电源是交流电压源或电流源；二是电桥的桥臂可以是纯电阻，也可以包含电容压源或电流源；二是电桥的桥臂可以是纯电阻，也可以包含电容和电感。和电感。3.传感器的测量电路传感器的测量电路 由应变片构成的全桥电桥的输出信号一般较小，还需要由应变片构成的全桥电桥的输出信号一般较小，还需要将信号进行放大。将信号进行放大。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用3.3.4 金属电阻应变式传感器应用实例金属电阻应变式传感器应用实例

16、1.柱式测力和载荷传感器柱式测力和载荷传感器 柱体测力和载荷传感器的弹性元件可以采用实心柱体或空心柱体测力和载荷传感器的弹性元件可以采用实心柱体或空心柱体，结构简单、紧凑，可以承受很大的载荷。柱体，结构简单、紧凑，可以承受很大的载荷。 点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用2.梁式称重传感器梁式称重传感器 梁式称重传感器一般载荷量较小，适于测量梁式称重传感器一般载荷量较小，适于测量5kg以下的以下的载荷载荷。在悬臂梁上，有上下对称粘贴的在悬臂梁上，有上下对称粘贴的4片应变片，片应变

17、片，2片应变片受片应变片受拉、拉、2片应变片受压，分别得到大小相等、方向相反的应变，形片应变片受压，分别得到大小相等、方向相反的应变，形成了等臂的全桥电桥测量电路。成了等臂的全桥电桥测量电路。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映应变片应变片图图2-17 应变式力传感器制成的电子秤应变式力传感器制成的电子秤物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用3.平膜片式压力传感器平膜片式压力传感器 压力传感器主要用于测量气体或液体的压力。在压力的作压力传感器主要用于测量气体或液体的压力。在压力的作用下，平膜片将弯曲变形。粘贴在平膜片

18、另一侧的应变片随之变用下，平膜片将弯曲变形。粘贴在平膜片另一侧的应变片随之变形，并改变电阻值，这时测量电路中电桥的平衡被破坏，产生输形，并改变电阻值，这时测量电路中电桥的平衡被破坏，产生输出电压出电压。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用4.梁式加速度传感器梁式加速度传感器 梁式加速度传感器由应变片、弹性悬臂梁和基座组成，质梁式加速度传感器由应变片、弹性悬臂梁和基座组成，质量块置于弹性悬臂梁上量块置于弹性悬臂梁上。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用压阻式传感器压阻式传感器3.4点击此处结束放映点击此处结束放映物联

19、网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用3.4.1 压阻效应压阻效应 早期的压阻式传感器是利用半导体应变片制成的粘贴型压早期的压阻式传感器是利用半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器。阻传感器。 利用硅的压阻效应和微电子技术可以制成压阻式传感器。利用硅的压阻效应和微电子技术可以制成压阻式传感器。半导体应变片具有体积小、灵敏度高的优点，但其温度系数大，半导体应变片具有体积小、灵敏度高的优点，但其温度系数大，应变时非线性严重。应变时非线性严重。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 对半导体材料施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率对半导体材料施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称为半导体的压阻效应。会发生变化，这种物理现象称为半导体的压阻效应。 由于半导体材料的压阻效应显著，半导体应变