同济大学苏永清_传感器与检测技术第2章电阻式传感器

1、1传感器与检测技术 同济大学电子与信息工程学院控制科学与工程系同济大学电子与信息工程学院控制科学与工程系主讲教师：苏永清 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系作业？n第1章 1-5，1-6，1-7，1-8n第2章 2-3，2-4，2-6，2-7，n2-8，2-9，2-11 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系例题：有一压力传感器校准数据如下。要求根据这些数据求最小二乘法线性度的拟合直线方程。并求其线性度 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系n第一章内容回顾n静态特性n线性度，描述函数、拟合方法（最小

2、二乘法）n灵敏度 定义n迟滞n零漂 温漂n精确度，函数，定义n动态特性n时域法n频域法 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系电阻式：电阻式：（电位计）（电位计）应变式：应变式：物理量变化物理量变化电阻变化电阻变化传感元件传感元件属于大电阻变化型，属于大电阻变化型，R：0R传传物理量变化物理量变化变形变形（应力、应变）（应力、应变）敏感元件敏感元件属于微电阻变化型，属于微电阻变化型，R：020%R传传传感元件传感元件电阻变化电阻变化第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器补充补充 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系电位计式传感器的优

3、、缺点：电位计式传感器的优、缺点：优点：优点： 结构简单、尺寸小、重量轻、精度高结构简单、尺寸小、重量轻、精度高(0.1% 0.05%)、性能稳定、受环境因素影响小，可实现输出性能稳定、受环境因素影响小，可实现输出-输入任意函数输入任意函数关系，输出信号较大，一般不用放大。关系，输出信号较大，一般不用放大。缺点：缺点： 存在滑动触头与线圈等之间的摩擦，输入能量要求较存在滑动触头与线圈等之间的摩擦，输入能量要求较大，且磨损降低寿命和可靠性，也会降低测量精度。大，且磨损降低寿命和可靠性，也会降低测量精度。 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系电位计分类电位计分类按输

4、出按输出-输入特性输入特性线性电位计线性电位计非线性电位计非线性电位计按结构形式按结构形式线绕式线绕式在传感器中应用较多在传感器中应用较多薄膜式薄膜式具有较高的精度和线性特性具有较高的精度和线性特性光电式光电式无摩擦和磨损，分辨率高无摩擦和磨损，分辨率高 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系线绕电位计的工作原理线绕电位计的工作原理根据欧姆定律：根据欧姆定律： lRA以线位移型为例：以线位移型为例： 若变阻器式：若变阻器式： xRxRRSxL SR 电阻灵敏度：表示电刷单位位移能引起的电阻灵敏度：表示电刷单位位移能引起的输出电阻的变化量输出电阻的变化量 若分压器式

5、：若分压器式： cVxUUSxL SV 电压灵敏度：表示电刷单位位移能引起的输电压灵敏度：表示电刷单位位移能引起的输出电压的变化量出电压的变化量 SR、SV均是常数均是常数 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系线绕电位计的输出特性（一）线绕电位计的输出特性（一） 阶梯特性和阶梯误差阶梯特性和阶梯误差 阶梯特性阶梯特性 电位计输出电压电位计输出电压随随x的变化是不连续的，而的变化是不连续的，而是一条阶梯形的折线。是一条阶梯形的折线。阶梯误差阶梯误差 理论特性曲线理论特性曲线 通过每通过每个阶梯中点的曲线。个阶梯中点的曲线。 阶梯误差阶梯误差 阶特梯形曲阶特梯形曲线

6、围绕理论特性曲线上下波线围绕理论特性曲线上下波动产生的偏差。动产生的偏差。 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系输出特性二输出特性二n负载特性和负载误差负载特性和负载误差 n负载特性负载特性 电位计有负载的情况下得到的特性。电位计有负载的情况下得到的特性。一般表达式：一般表达式： 21LLrYrrKKcxLLUYURrRRKR相对输出电压电刷的相对变化负载系数的倒数 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系输出特性三输出特性三负载误差 由于负载电阻不是无限大，而是可与电位计电阻值相比的有限值，造成负载特性为一下垂曲线，产生误差，也称非

7、线性误差。电刷在起始和最终位置时，负载误差 eL=0 电刷在相对行程X=1/2时，负载误差 eL max，且m，eL 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系变阻器式传感器产品变阻器式传感器产品 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系案例：案例：重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备 比较比较重量设定原材料原材料原理：弹簧原理：弹簧-力力-位移位移 -电位器电位器-电阻电阻 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系案例：案例：煤气包储量检测煤气包储量检测煤气包煤气包钢丝钢丝原理：钢丝原理：钢丝-收线圈

8、数收线圈数 -电位器电位器 -电阻电阻 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系案例：案例：玩具机器人（广州中鸣数码玩具机器人（广州中鸣数码 ）原理：电机原理：电机-转角转角 -电位器电位器 -电阻电阻 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系一、金属丝式应变片二、金属箔式应变片三、测量电路四、应变式传感器2.2 金属应变片式传感器应变效应 结构与材料 主要特性 温度误差及系数 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系工作原理及分类工作原理及分类n电阻应变式传感器的工作原理是将电阻应变片电阻应变式传感器的工作原

9、理是将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，使物理量的变化粘贴到各种弹性敏感元件上，使物理量的变化变成应变片的应力、应变变化，从而变成电阻变成应变片的应力、应变变化，从而变成电阻值变化。值变化。 n根据应变片的材料不同，可分为两种根据应变片的材料不同，可分为两种金属电阻应变片金属电阻应变片半导体应变片半导体应变片 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系一、金属丝应变片（一）应变效应（一）应变效应 根据欧姆定律： AlRdRdAARdLLRdRdALdAARdLAdRdLdLLdLAdAdAdALdLRdR)1 ( 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院

10、控制科学与工程系xydLLdrr金属丝轴向应变金属丝横向应变drrdLL 称为泊松比称为泊松比 2dAdrAr(12 )(12 )xxdRdR 且且 对金属材料，导电率不变对金属材料，导电率不变 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系（二）应变片结构与材料n1.敏感珊n2.基底和盖片n3.粘合剂n4.引线 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系（三）主要特性-灵敏度系数(12 )xdRdR (12 )sxxddRRK令令K Ks s越大，越灵敏越大，越灵敏 K Ks s 金属丝的灵敏系数：表示金属丝产生单位变金属丝的灵敏系数：表示金属

11、丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。形时，电阻相对变化的大小。 K Ks s只能靠实验求得，而只能靠实验求得，而 xdRRsxRKRxRRK一般一般 KKsKKs，K K是通过抽样测定的是通过抽样测定的 ，故称标称灵敏系数，故称标称灵敏系数 电阻应变片的灵敏系数 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系（四）温度误差及其补偿1、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化t 时，敏感栅材料电阻温度系数为，则引起的电阻相对变化为2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变

12、化 温度误差 2()egRKtR1tRtR2()tegt 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系相应的虚假应变输出/()tttegRRttKK可得由于温度变化而引起的总电阻相对变化为12()tegtRRRtKtRRR 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系温度补偿 单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻温度补偿 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系（1）单丝自补偿应变片优点：容易加工，成本低，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。由式由式(2.1.16)可知，实现

13、温度补偿的条件为可知，实现温度补偿的条件为 当被测试件的线膨胀系数当被测试件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料，已知时，通过选择敏感栅材料， 使下式成立使下式成立 即可达到温度自补偿的目的。即可达到温度自补偿的目的。()tgeK /()0tttegRRttKK 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系R1R2组合自补偿法（2） 双金属敏感栅自补偿应变片双金属敏感栅自补偿应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成 选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足 t2t1)()(RR通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片

14、的温度自补偿，可达0.45m/的高精度 )()(/111222112221ggttKKRRRRRR 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系二、金属箔式应变片 在绝缘基底上，将厚度为在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系三、测量电路142301234()()R RR RUERRRRR1R2R4R3EIgRgU0gR 312404RRRREURRRR012344E

15、KU3241RRRR平衡条件平衡条件当当R1=R2=R3=R4=R，电桥，电桥输出：输出： 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系 时，电桥的输出电压与应变成线性关系。时，电桥的输出电压与应变成线性关系。 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。出电压为两者之和。 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。

16、则为两者之差。iRR重要结论： 电桥供电电压电桥供电电压 越高，输出电压越高，输出电压 越大。但是，当越大。但是，当 大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。 增大电阻应变片的灵敏系数增大电阻应变片的灵敏系数 ，可提高电桥的输出电压。，可提高电桥的输出电压。iUoUiUK 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系练习！习题2-10 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系半桥和全桥

17、半桥和全桥14BDRUUR12BDRUURBDRUURBDRUSUR桥 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系复习巩固 312404RRRREURRRRn什么是金属丝的应变效应？n什么是金属应变片的灵敏度系数？它与金属丝灵敏度函数有何不同？n根据下式，用自己的话描述桥臂极性的计算的结论 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系 应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类： 第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器

18、。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路； 第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。四、应变式传感器四、应变式传感器 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系柱力式传感器柱力式传感器 圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。柱式力传感器-2+1截面积SFFF面积S-1+2b）a）在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，从而构成了差动对。由于应变片沿圆周方向分布，所以非轴向载荷分量被补偿，在与轴线任意夹角的方向，其应变为

19、： 2cos11211沿轴向的应变；弹性元件的泊松比。当=0时SEF1当=90时SEF12E：弹性元件的杨氏模量 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系各种悬臂梁各种悬臂梁 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系FF固定点固定点固定点固定点电缆电缆各种悬臂梁各种悬臂梁 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系 应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置应变式荷重传感器的外形及应变片的粘

20、贴位置FR1R2 R4 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。向变短，径向变长。 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系人体秤人体秤 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学

21、与工程系应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程量程2500N.m，耗电量，耗电量10mA，有公制，有公制/英制单位转英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。换、峰值保持、自动断电等功能。 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系材料应变的测量材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试斜拉桥上的斜拉绳应变测试 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系案例：机器人握力测

22、量案例：机器人握力测量 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系讨论，设计一个地音入侵探测器讨论，设计一个地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。洞、爆破等破坏行为均可及时发现。 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系应变式加速度传感器应变式加速度传感器 在低频（在低频（1060Hz）振动测量中得到广泛的应用，）振动测量中得到广泛的应用，但不适用于频率较高的振动和冲击。但不适用于频率较高的振动和冲击。 应变式加速度传感器结构示意图1等强度梁 2质量块

23、3壳体 4电阻应变片 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系2.2 压阻式传感器压阻式传感器 （一）（一） 压阻效应压阻效应 单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为压阻效应。，这种现象被称为压阻效应。21dRdR21RdREd2121ERdR对半导体材料对金属材料电阻相对变化量 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系ERdR由于E一般都比（1+2）大几十倍甚至上百倍，因此引起半导体材料电阻相对变化的主要原因是压阻效应，所以上式可近似写成 式中 压阻系数；E弹性模

24、量； 应力； 应变。 上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应。 扩散硅压阻式传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是各向异性材料，取向不同其特性不一样。而取向是用晶向表示的，所谓晶向就是晶面的法线方向。 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系优点：灵敏度高，比金属丝式高优点：灵敏度高，比金属丝式高5080倍、尺寸倍、尺寸小，横向效应小，动态响应好、精度高、小，横向效应小，动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。易于微型化和集成化等。缺点：温度系数大，应变时非线性比较严重，稳缺点：温度系数大，应变时非线性比较严重，稳定性和可重复性不如金属应变片。定性和可重复性不如金属应变片。 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系（二）（二） 固态压阻器件固态压阻器件1 1、固态压阻器件的结构原理、固态压阻器件的结构原理 利用固体扩散技术，将P型杂质扩散到一片N型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。若在圆形硅膜片上扩散出四个P型电阻，构成惠斯登电桥的四个臂，这样的敏感器件通常称为固态压阻器件，如图所示。1 N-Si膜片 2 P-Si导电层 3 粘贴剂 4 硅底座 5 引压管 6 Si 保护膜 7 引线 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学