传感器技术第3讲电阻式传感器ppt课件

1、第第3讲讲 电阻式传感器电阻式传感器目的：目的：1、了解电阻式传感器丈量原理；、了解电阻式传感器丈量原理； 2、掌握丈量方法。、掌握丈量方法。内容：内容：1、电位器式传感器；、电位器式传感器； 2、应变式传器；、应变式传器； 重点重点 3、压阻式传感器。、压阻式传感器。 难点难点学时：学时：2小时小时什么是电阻式传感器？什么是电阻式传感器？ 将位移、应变、振动等非电量的变化转换成导电资料的电阻变化的安装，称为电阻式传感器。电阻式传感器分类：电阻式传感器分类： 1 1、变阻器式；、变阻器式； 2 2、电阻应变式；、电阻应变式； 3 3、固态压阻式传感器。、固态压阻式传感器。第一节第一节 电位器式

2、传感器电位器式传感器1、什么是电位器传感器？、什么是电位器传感器？ 基于在匀质导体中，电阻基于在匀质导体中，电阻R与其长度与其长度L成正比成正比的关系制造的一种位移量的电阻式传感器。的关系制造的一种位移量的电阻式传感器。ALR式中式中:R电阻电阻; 电阻率；电阻率；L导体长度；导体长度；A横面积横面积第一节第一节 电位器式传感器电位器式传感器2、电位器传感器的类型、电位器传感器的类型1角位移电阻式传感器角位移电阻式传感器2线位移的电阻式传感器。线位移的电阻式传感器。角位移传感器角位移传感器线位移传感器线位移传感器第一节第一节 电位器式传感器电位器式传感器3、电位器传感器的原理、电位器传感器的原

3、理输出电压输出电压UL与与位移位移X呈非线性呈非线性关系。只需关系。只需RL无限大时输出电无限大时输出电压压UL与位移与位移X间间才是线性关系。才是线性关系。a角位移电阻式角位移电阻式 b线位移电阻式传感线位移电阻式传感)1 (1xxRRxUULL第一节第一节 电位器式传感器电位器式传感器2、电位器传感器的类型、电位器传感器的类型1角位移电阻式传感器角位移电阻式传感器2线位移的电阻式传感器。线位移的电阻式传感器。高精度位移传感器高精度位移传感器第二节第二节 应变式传感器应变式传感器第二节第二节 应变式传感器应变式传感器一、丝栅式应变片一、丝栅式应变片标距：标距：0.2mm 200mm短接式应变

4、片短接式应变片二、箔式应变片二、箔式应变片m80m3的金属箔片的金属箔片光刻腐蚀工艺光刻腐蚀工艺箔式应变片的优点：箔式应变片的优点：1、尺寸准确，线条均匀，灵敏系数、电阻值离散小。、尺寸准确，线条均匀，灵敏系数、电阻值离散小。2、横向效应小，粘结面积大，粘贴结实，散热性好。、横向效应小，粘结面积大，粘贴结实，散热性好。3、光刻腐蚀可制成各种应变花及小标距应变片。、光刻腐蚀可制成各种应变花及小标距应变片。4、耐潮湿，绝缘性好，蠕变及机械滞后小。、耐潮湿，绝缘性好，蠕变及机械滞后小。5、便于成批消费，质量好，废品率高。、便于成批消费，质量好，废品率高。第二节第二节 应变式传感器应变式传感器 金属导

5、体或半导体在遭到外力作用时，会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化，这种物理景象称为“应变效应，用来产生应变效应的细导体称为“应变丝敏感栅第二节第二节 应变式传感器应变式传感器 设有圆形截面导线,长度为 L ,截面积为 A ,资料的电阻率为，这段导线的电阻值 R 为：2rLALR当导体受力时，其长度当导体受力时，其长度L L，截面积，截面积 A A ，电阻率，电阻率 相应发生相应发生变化为变化为dLdL、d(r2)d(r2)、d,d,因此引起电阻变化因此引起电阻变化dRdR第二节第二节 应变式传感器应变式传感器2rLALR对上式全微分，那么：对上式全微分，那么：drdrLdLRdR2式中：式

6、中：LdLrdryrdrxLdL电阻丝轴向应变电阻丝轴向应变电阻丝径向应变电阻丝径向应变轴向应变与径向轴向应变与径向应变的关系是：应变的关系是：y= -x第二节第二节 应变式传感器应变式传感器电阻变效率为几何项和压阻效应项综合的结果电阻变效率为几何项和压阻效应项综合的结果dRdRx)21 (三、应变片的型号及类型三、应变片的型号及类型三、应变片的型号及类型三、应变片的型号及类型三、应变片的型号及类型三、应变片的型号及类型一应变片的挑选一应变片的挑选1、外观检查、外观检查2、丈量应变片的初始电阻值、丈量应变片的初始电阻值二构件外表处置二构件外表处置三贴片三贴片四固化四固化五导线焊接与固定五导线焊

7、接与固定接线端子接线端子六粘贴质量检查六粘贴质量检查七应变片的防潮维护七应变片的防潮维护四、应变片的粘贴技术和防四、应变片的粘贴技术和防护护四、应变片的粘贴技术和防四、应变片的粘贴技术和防护护第二节第二节 应变式传感器应变式传感器 应变片直接感受应变或应力。应变片直接感受应变或应力。 丈量时，将应变片粘贴在弹性元件试件上，当外力丈量时，将应变片粘贴在弹性元件试件上，当外力作用到弹性元件试件上时，弹性元件被紧缩或拉伸，作用到弹性元件试件上时，弹性元件被紧缩或拉伸，即产生微小的机械变形，粘贴在弹性元件上的应变片感遭到即产生微小的机械变形，粘贴在弹性元件上的应变片感遭到应力应力的作用，根据虎克定律，

8、应变的作用，根据虎克定律，应变与应力与应力成正比，成正比，=E 又由应变效应可知，应变片的应变又由应变效应可知，应变片的应变与电阻值的相对变化与电阻值的相对变化dR/R成正比，所以，实现了对微小机械变量的丈量。成正比，所以，实现了对微小机械变量的丈量。五、应变式传感器丈量电路五、应变式传感器丈量电路一单臂义务一单臂义务 U E K/ 4 二半桥义务二半桥义务 U E K/ 2 三全桥义务三全桥义务 U E k 六、应变片的温度误差与补偿六、应变片的温度误差与补偿1 1应变片的电阻丝具有一定温度系数；应变片的电阻丝具有一定温度系数； 1、温度误差、温度误差 应变片的阻值受环境温度应变片的阻值受环

9、境温度(包括被测试件的温包括被测试件的温度度)影响很大。主要要素有两点：影响很大。主要要素有两点： 设环境引起的构件温度变化为t时，粘贴在试件外表的应变片敏感栅资料的电阻温度系数为t,那么应变片产生的电阻相对变化为:ttRR 12 2电阻丝资料与测试资料的线膨胀系数不同。电阻丝资料与测试资料的线膨胀系数不同。1、温度误差、温度误差由于敏感栅资料和被测构件资料两者线膨胀系数不同，当由于敏感栅资料和被测构件资料两者线膨胀系数不同，当t t 存在时，引起应变片的附加应变，其值为存在时，引起应变片的附加应变，其值为tget)(2式中e 试件资料的线性膨胀系数； g为敏感栅资料的线膨胀系数。tgeKRR

10、 )(2相应的电阻相对变化为：相应的电阻相对变化为：六、应变片的温度误差与补偿六、应变片的温度误差与补偿六、应变片的温度误差与补偿六、应变片的温度误差与补偿1、温度误差、温度误差tgetttKRRRRRR)(21温度变化构成的总电阻相对变化为：六、应变片的温度误差与补偿六、应变片的温度误差与补偿1 1单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片选择与膨胀使应选择与膨胀使应变片产生电阻变化相反的敏感栅资料。变片产生电阻变化相反的敏感栅资料。 2、温度补偿、温度补偿常见的温度补偿措施有主要有以下三方面：常见的温度补偿措施有主要有以下三方面：tgetttKRRRRRR)(21由温度变化构成的总电阻相对变化表达式

11、得知：0)(tgettKtgetK)(只需只需六、应变片的温度误差与补偿六、应变片的温度误差与补偿1 1单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片2、温度补偿、温度补偿常见的温度补偿措施主要有以下三方面：常见的温度补偿措施主要有以下三方面：2 2双丝组合式自补偿应变片双丝组合式自补偿应变片由两种不同电阻温度系数由两种不同电阻温度系数( (一种为正值，一种为负值一种为正值，一种为负值) )的的资料串联组成敏感栅资料串联组成敏感栅 六、应变片的温度误差与补偿六、应变片的温度误差与补偿1 1单丝自实偿应变片单丝自实偿应变片 2、温度补偿、温度补偿常见的温度补偿措施有主要有以下三方面：常见的温度补偿措施有主要有

12、以下三方面：2 2双丝组合式自补偿应变片双丝组合式自补偿应变片3 3电路补偿法电路补偿法利用利用电桥相邻相等二臂同时产生电桥相邻相等二臂同时产生太小相等、符号一样的电阻太小相等、符号一样的电阻量不会破坏电桥平衡的特性量不会破坏电桥平衡的特性来到达补偿的目的。来到达补偿的目的。 六、应变片的温度误差与补偿六、应变片的温度误差与补偿要到达完全补偿，需满足以下三个条件要到达完全补偿，需满足以下三个条件 Rl和R2须属于同一批号，即它们的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏系数都应一样，两片的初始电阻值也要求一样； 用于粘补助偿片的构件和粘贴义务片的试件两者资料必需一样，即要求两者线膨胀系数相等； 两应

13、变片处于同一温度环境中。 七、应变式传感器的运用七、应变式传感器的运用应变式传感器广泛运用于称重和测力领域。应变式传感器广泛运用于称重和测力领域。 一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变丈量；二是作为转换元件，经过弹性元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作间接丈量。 应变式传感器有两种类型：应变式传感器有两种类型：1 1、柱式力传感器、柱式力传感器2 2、梁式力传感器、梁式力传感器七、应变式传感器的运用七、应变式传感器的运用 ( (一一) )柱式力传感器原理柱式力传感器原理外形图内部图七、应变式传感器的运用七、应变式传感器的运用 ( (一一) )柱式力传感器原理柱式力传

14、感器原理外形图展开图七、应变式传感器的运用七、应变式传感器的运用 ( (一一) )柱式力传感器运用柱式力传感器运用1 1、称重式料位计、称重式料位计七、应变式传感器的运用七、应变式传感器的运用 ( (一一) )柱式力传感器运用柱式力传感器运用2 2、电子皮带秤、电子皮带秤电子皮带称的称重框架表示图电子皮带称的称重框架表示图七、应变式传感器的运用七、应变式传感器的运用 ( (一一) )柱式力传感器运用柱式力传感器运用2 2、电子吊车秤、电子吊车秤荷重传感器安装在吊车上的方式荷重传感器安装在吊车上的方式传感器传感器防改动臂防改动臂信号电缆信号电缆荷重传感器安装在钢丝绳固定端方式荷重传感器安装在钢丝

15、绳固定端方式传感器传感器动滑轮动滑轮卷扬筒卷扬筒定滑轮定滑轮七、应变式传感器的运用七、应变式传感器的运用 ( (二二) )梁式力传感器原理梁式力传感器原理 梁的固定端宽度为梁的固定端宽度为b0b0，自在端宽度，自在端宽度为为b b，梁长为，梁长为L L，梁厚为，梁厚为h h。这种弹性元。这种弹性元件的特点是，其截面沿粱长方向按一定件的特点是，其截面沿粱长方向按一定规律变化，当囊中力规律变化，当囊中力F F作用在自在端时，作用在自在端时，距作用力任何间隔距作用力任何间隔z z的截面上应力的截面上应力a a相等。相等。因此，沿着这种梁的长度方向上的截面因此，沿着这种梁的长度方向上的截面抗弯模量抗弯

16、模量的变化与弯矩的变化与弯矩M M的变化成正的变化成正比即：比即：EhbFxx26七、应变式传感器的运用七、应变式传感器的运用 ( (二二) )梁式力传感器运用梁式力传感器运用 1 1、手提电子称、手提电子称 手提式电子秤，本钱低，称重手提式电子秤，本钱低，称重精度高，携带方便，适于购物时用。精度高，携带方便，适于购物时用。 它采用准s型的双孔弹性体作为称重传感器的测力元件，重力P作用在中心线上。四片箔式电阻应变片粘贴在弹性体双孔的外侧位置处。双孔弹性体可简化为在一端遭到力偶M的作用，其大小与重力P及双孔弹性体长度有关。 七、应变式传感器的运用七、应变式传感器的运用 ( (二二) )梁式力传感

17、器运用梁式力传感器运用 2 2、应变式加速度传感器、应变式加速度传感器 它由端部固定并带有惯性质量块它由端部固定并带有惯性质量块m m的的悬臂梁及贴在粱根部的应变片、基座及悬臂梁及贴在粱根部的应变片、基座及外壳等组成，是一种惯性式传感器。外壳等组成，是一种惯性式传感器。 丈量时，根据所测振动体加速度的丈量时，根据所测振动体加速度的方向，把传感器固定在被测部位。当被方向，把传感器固定在被测部位。当被测点的加速度沿图中箭头测点的加速度沿图中箭头n n所示方向时，所示方向时，悬臂粱自在端受惯性力悬臂粱自在端受惯性力F F硼的作用，质量硼的作用，质量块向箭头。相反的方向相对于基座运动，块向箭头。相反的

18、方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻发生变使梁发生弯曲变形，应变片电阻发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。速度成正比。 质量块质量块M第三节第三节 压阻式传感器压阻式传感器 什么叫压阻式传感器？什么叫压阻式传感器？ 利用硅的压阻效应和微电子技术制成的传感器利用硅的压阻效应和微电子技术制成的传感器 特点：特点： 灵敏度高、动态呼应好、精度高、易于微灵敏度高、动态呼应好、精度高、易于微型化和集成化等型化和集成化等构造：构造： 1 1、固定环、固定环 2 2、力敏电阻、力敏电阻 3 3、硅膜片、硅膜片第三节第三节 压阻式传感器压阻式传感器

19、 一、压阻效应与压阻系数一、压阻效应与压阻系数 在半导体资料上施加一作用力时，在半导体资料上施加一作用力时，其电阻率将发生显著的变化，这种景象其电阻率将发生显著的变化，这种景象称为压阻效应。称为压阻效应。 什么叫压阻效应？什么叫压阻效应？第三节第三节 压阻式传感器压阻式传感器 二、义务原理二、义务原理 经过分散杂质使其构经过分散杂质使其构成四个成四个P P型力敏电阻，型力敏电阻，与硅膜片组成一体，并组与硅膜片组成一体，并组成电桥。当膜片受力后，成电桥。当膜片受力后，由于半导体的压阻效应，由于半导体的压阻效应，电阻阻值发生变化，使电电阻阻值发生变化，使电桥有相应的输出。桥有相应的输出。 ERR

20、EERR半导体的应变效应半导体的应变效应 弹性元件的虎克定律弹性元件的虎克定律 得得第三节第三节 压阻式传感器压阻式传感器 二、义务原理二、义务原理 对分散硅压力传感器，敏感元件通常都是周边固定的圆膜片。对分散硅压力传感器，敏感元件通常都是周边固定的圆膜片。假设膜片下部受均匀分布的压力作用时，由图假设膜片下部受均匀分布的压力作用时，由图216216所示膜片的所示膜片的应力分布曲线可知以下结论。应力分布曲线可知以下结论。 纵向应力横向应力0.635r0.812r第三节第三节 压阻式传感器压阻式传感器 二、义务原理二、义务原理(1)(1)在膜片的中心处，在膜片的中心处，r=0r=0，具有最大的正应力，具有最