第2章电阻式传感器新ppt课件

1、 第一节第一节 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器 第二节第二节 应变式电阻传感器应变式电阻传感器 第三节第三节 电阻式传感器应用举例电阻式传感器应用举例 第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器1 2 3 132直线型直线型旋转型旋转型1 电位器式传感器工作原理电位器式传感器工作原理 电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。第一节第一节 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器 等效电路分析等效电路分析: Rp-总电阻总电阻;xp-变阻总长变阻总长;RL负载电阻负载电阻;x-电刷移动量电刷移动量.132xxpEinEoutRxRLRp-

2、Rx)1)(1pxxLRpRxpxinLRxRxRpRLRpRinLRxRLRxRxRpRinEEEoutE0 x 100%100%Output0负载效应负载效应2.变阻器式传感器的分类变阻器式传感器的分类电位器按电阻元件分单圈电位器直线滑动式电位器多圈电位器混合式电位器导电塑料电位器金属陶瓷电位器线绕电位器3.电位器式传感器的特点电位器式传感器的特点电阻器电阻器 制作制作 特点特点 绕线式绕线式 直径 0.012-0.1mm 的镍铬合金的精密电阻丝绕在绝缘的薄膜铜丝或绝缘胶木板等卷芯上而制作 电阻温度系数非常好， 为5-20*10-6/0C;精度 ,稳定性 ,重复性比薄模式好,分辨力低于薄模

3、式 . 金属陶瓷式金属陶瓷式 电阻胶印在陶瓷基板上,并用高温烧制而成 . 分辨力高 ,环境适应性强前 , 电阻温度系数,为200*10-6/0C 左右. 导电导电-塑料式塑料式 将基板的树脂与电阻墨制成一体 ,获将电阻胶涂于薄膜基片上 . 分辨力 ,寿命,高速现响应特性好 ,电阻温度系数为400*10-6/0C 混合式混合式 导电性树脂涂于限绕式电阻元件上 兼有绕线式和导电-塑料式的优点 ,电阻温度系数为150*10-6/0C 4. 应用案例：案例： 重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备重量设定原材料 比较原理用弹簧将力转换为位移;再用电阻器将位移转换为电阻的变化案例：煤气包储量检测

4、案例：煤气包储量检测原理直接将代表煤气包储量的高度变化转换为钢丝的电阻变化煤气包钢丝特点：特点：（1测量量程大；测量量程大；（2防爆；防爆；（3可靠；可靠；（4成本低。成本低。案例：玩具机器人案例：玩具机器人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一、应变效应一、应变效应 金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发生变的变化而发生变化的现象。化的现象。 第二节第

5、二节 应变式电阻传感器应变式电阻传感器二、电阻应变片种类、结构和工作原理二、电阻应变片种类、结构和工作原理金属电阻应变片金属电阻应变片半导体电阻应变片半导体电阻应变片1.电阻应变片的结构及其工作原理应变计引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅lb金属电阻丝应变效应示意图 FlrrlF 当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长l，横截面积相应减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了d，从而引起电阻值相对变化量为 dAdAldlRdR式中：dl/l长度相对变化量，用应变表示为 ldl dA/A圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2r dr，那么 rdrAdA2 由材料力学可

6、知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长， 沿径向缩短， 令dl/l=为金属电阻丝的轴向应变，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为 ldlrdr 式中, 为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。 或 通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。 其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达式为 dRdRK21dRdR)21 ( 灵敏系数K受两个因素影响：一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2；另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即d/）/。对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2的值要比(d/)/大得多，而半导体材料的(d/)/项的值比1+2

7、大得多。大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。 半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时， 其电阻率发生变化的现象。 当半导体应变片受轴向力作用时， 其电阻相对变化为 dRdR)21 (式中d/为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为 Ed半导体应变片半导体应变片将式3-10代入式3-9中得 )21 (ERdR实验证明，E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为 ERdRK 半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高

8、5080倍， 但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重， 使它的应用范围受到一定的限制。 用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化， 同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为R时，便可得到被测对象的应变值， 根据应力与应变的关系，得到应力值为 =E 应变片的主要参数应变片的主要参数 1几何参数：表距几何参数：表距L和丝栅宽度和丝栅宽度b，制造厂常用，制造厂常用bL 表示。表示。 2电阻值：应变计的原始电阻值。电阻值：应变计的原始电阻值。 3灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。灵敏系数：表示应变计变换性能

9、的重要参数。 4其它表示应变计性能的参数工作温度、滞后、其它表示应变计性能的参数工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。 金属电阻应变片的材料金属电阻应变片的材料 对电阻丝材料应有如下要求：对电阻丝材料应有如下要求： 灵敏系数大，灵敏系数大， 且在相当大的应变范围内保持常数；且在相当大的应变范围内保持常数； 值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；大的电阻值； 电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值； 与铜线的

10、焊接性能好，与铜线的焊接性能好， 与其它金属的接触电势小；与其它金属的接触电势小； 机械强度高，机械强度高， 具有优良的机械加工性能。具有优良的机械加工性能。 金属电阻应变片的粘贴金属电阻应变片的粘贴 应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。粘结剂形成的胶应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。粘结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测件应变传递到敏感栅上。选择粘结层必须准确迅速地将被测件应变传递到敏感栅上。选择粘结剂时必须考虑应变片材料和被测件材料性能，不仅要求粘接剂时必须考虑应变片材料和被测件材料性能，不仅要求粘接力强，粘结后机械性能可靠，而且粘合层要有足够大的剪切力强，粘结后机械性能可靠，而且粘合层要有足

11、够大的剪切弹性模量，弹性模量， 良好的电绝缘性，蠕变和滞后小，耐湿，耐油，良好的电绝缘性，蠕变和滞后小，耐湿，耐油，耐老化，动态应力测量时耐疲劳等。耐老化，动态应力测量时耐疲劳等。 还要考虑到应变片的工还要考虑到应变片的工作条件，如温度、相对湿度、稳定性要求以及贴片固化时加作条件，如温度、相对湿度、稳定性要求以及贴片固化时加热加压的可能性等。热加压的可能性等。 应变片的粘贴：应变片的粘贴： 1. 去污：采用手持砂去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力加粘贴力 ，用浸有酒精或，用

12、浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。擦洗。 2.贴片：在应贴片：在应变片的表面和处理变片的表面和处理过的粘贴表面上，过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘各涂一层均匀的粘贴胶贴胶 ，用镊子将应，用镊子将应变片放上去，并调变片放上去，并调好位置，然后盖上好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下揉和滚压，排出下面的气泡面的气泡 。 3.丈量丈量 ：从分开的端子从分开的端子处，预先用万处，预先用万用表测量应变用表测量应变片的电阻，发片的电阻，发现端子折断和现端子折断和坏的应变片。坏的应变片。 4.焊接：焊接： 将引将引线和端子用烙铁焊接线和端子用烙铁焊接起来

13、，注意不要把端起来，注意不要把端子扯断。子扯断。 5.固定：固定： 焊接后用胶布焊接后用胶布将引线和被测将引线和被测对象固定在一对象固定在一起，防止损坏起，防止损坏引线和应变片。引线和应变片。 三、三、 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 R1R2R4R3ACBEDIoRLUo1 1、直流电桥、直流电桥图中E为电源电压，R1、R2、R3及R4为桥臂电阻，RL为负载电阻。 （1 1） 直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件433211RRRRRREUo当RL时，R1R2R4R3ACBEDIoRLUo电桥输出电压为：当电桥平衡时，Uo=0，则有 R1R4=R2R3或 4321RRRR 上式为电桥平

14、衡条件。这说明欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。 应变片工作时，其电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。当受应变时，若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡，输出电压为 （2电压灵敏度341211113443211414332111111)(RRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRREUo 设桥臂比n=R2/R1，由于R1R1，分母中R1/R1可忽略， 并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3， 则上式可写为 ERRnn

15、Uo112)1 (电桥电压灵敏度定义为电桥电压灵敏度定义为 EnnRRUKoU211)1 ( 413112411311oRRRRUERRRRRR 从上式分析发现： 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压， 供电电压越高， 电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择； 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。 当E值确定后，n取何值时才能使KU最高。 EnnRRUKoU211)1 ( 由dKU/dn = 0求KU的最大值，得 0)1 (132nndndKU求得n=1时，KU为最大值。这就是说，在供桥电压确定后，当R

16、1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有 4411EKRREUUo 当电源电压E和电阻相对变化量R1/R1一定时， 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。 是略去分母中的R1/R1项，电桥输出电压与电阻相对变化成正比的理想情况下得到的，实际情况则应按下式计算， 即 )1 (11111nRRnRRnEUo（3-42） 与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为 oU11111RRnRRUUUoooL（3-43） （3非线性误差及其补偿方法ERRnnUo112)1 (如果是四等臂电桥，R1=R2=R3=R4，即n=1， 那么 1111212RRRRL 对于一般应变

17、片来说，所受应变通常在5000以下，若取KU=2，则R1/R1=KU=0.01，计算得非线性误差为0.5%；若KU=130，=1000时，R1/R1=0.130，则得到非线性误差为6%，故当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。 图3-10 差动电桥 R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b)R3 R3R4 R4 为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥如图3-10所示， 在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变， 接入电桥相邻桥臂，称为半桥差动电路， 如图3-10(a) 所示。该电桥输出电压为 433221111RRRRRRR

18、RREUo若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得 112 RREUo Uo与R1/R1成线性关系，差动电桥无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍，同时还具有温度补偿作用。 若将电桥四臂接入四片应变片，如图3-10b所示，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，那么 EKRREUUo11 此时全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍，同时仍具有温度补偿作用。 图图3-11 交流电桥交流电桥 Z1UoU(a)Z2Z3Z4R1R2R4R3oUC1C2U

19、(b)交流电桥交流电桥 根据直流电桥分析可知，由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。 应变式力传感器应变式力传感器 FFFF第三节电阻式传感器应用举例第三节电阻式传感器应用举例各种悬臂梁各种悬臂梁 各种悬臂梁各种悬臂梁 FF固定点固定点固定点固定点电缆应变式荷重传感器的外形及应变片应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置的粘贴位置FR1R2 R4应变式荷重传感器外形及受力位置续）应变式荷重传感器外形及受力位置续）FF荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 荷重传荷重传感器上的应感器上的应变片在重力变片在重力作用下产生作用下产生变形。轴向

20、变形。轴向变短，径向变短，径向变长。变长。 汽车衡汽车衡汽车衡以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资汽车衡以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料料 ）汽车衡称重系统汽车衡称重系统电子秤电子秤 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天平电子天平电子天平的精度电子天平的精度可达十万分之一可达十万分之一人体秤人体秤 吊钩秤吊钩秤 便携式便携式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制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程装配扭矩。量程2500N.m，耗电量，耗电量1

21、0mA，有公制有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。等功能。案例：桥梁固有频率测量案例：桥梁固有频率测量原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。案例：电子称案例：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。 被测物理量为荷重或力的应变式传感器时，统称为应变式力传感器。其主要用途是作为各种电子称与材料试验机的测力元件、 发动机的推力测试、 水坝坝体承载状况监测等。 应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性，当传感器在受到侧向作用力或力的作用点少量变化时，不应

22、对输出有明显的影响。 应变式力传感器图3-13 圆柱筒式力传感器（a） 柱式；（b） 筒式；（c） 圆柱面展开图；（d） 桥路连线图 (a)(b)(c)R1R5R2R6R3R7R4R8R1R3R5R7R6R8R2R4(d)UoU1. 柱筒式力传感器柱筒式力传感器 2. 环式力传感器 如图3-14(a)所示为环式力传感器结构图。 与柱式相比，应力分布变化较大，且有正有负。 图3-14 环式力传感器(a) 环式传感器结构图； (b) 应力分布 (a)AR1R2Bh(b)MBAFR39.5应变式压力传感器应变式压力传感器 图图3-15为膜片式压力传感器，应变片贴在膜片内壁，在压为膜片式压力传感器，应

23、变片贴在膜片内壁，在压力力p作用下，膜片产生径向应变作用下，膜片产生径向应变r和切向应变和切向应变t，表达式分别为，表达式分别为 图3-15 膜片式压力传感器（a） 应变变化图; （b） 应变片粘贴 trxhRpR2R1R4R3rt(a)(b)应变式容器内液体重量传感器应变式容器内液体重量传感器 图图3-16 是插入式测量容器内液体重量的传感器示意图。是插入式测量容器内液体重量的传感器示意图。 该该传感器有一根传压杆，上端安装微压传感器，为了提高灵敏度，传感器有一根传压杆，上端安装微压传感器，为了提高灵敏度， 共安装了两只。下端安装感压膜，感压膜感受上面液体的压力。共安装了两只。下端安装感压膜

24、，感压膜感受上面液体的压力。 当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。将其上两个当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为的电桥接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为 Uo=U1-U2=(K1-K2)hg 式中, K1，K2为传感器传输系数。图3-16 应变片容器内液体重量传感器 微压传感器电阻应变敏感元件传压杆感压膜hRLU1R2R4R0R1R3RtUoLRU22R1R4R0RtR3R 应变式加速度传感器应变式加速度传感器 应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。其基本应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测

25、量。其基本工作原理是：物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，工作原理是：物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比， 与物体的质量成反比，即与物体的质量成反比，即a=F/m。 图图3-17是应变片式加速度传感器的结构示意图，是应变片式加速度传感器的结构示意图， 图中图中1是等是等强度梁，自由端安装质量块强度梁，自由端安装质量块2，另一端固定在壳体，另一端固定在壳体3上。等强度上。等强度梁上粘贴四个电阻应变敏感元件梁上粘贴四个电阻应变敏感元件4 。为了调节振动系统阻尼系数，。为了调节振动系统阻尼系数， 在壳体内充满硅油。在壳体内充满硅油。 图3-17 电阻应变式加速度传感器结构图 32141等 强 度 梁 ；2质 量 块 ；3壳 体 ；4电 阻 应 变 敏 感 元 体 利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。 压阻式固态压力传感器压阻式固态压力传感器压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片 隔离、承压膜片隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片体、液体与硅膜片 隔离开来。