第二章 电阻式传感器

1、 第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器 主讲人：姚主讲人：姚 兰兰电阻式传感器电阻式传感器测量频率测量频率电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示掌握重点：掌握重点：u 工作原理工作原理u 电阻应变片的特性电阻应变片的特性u 测量电路测量电路u 典型应用典型应用内容安排内容安排金属金属: :半导体半导体: :按材料分按材料分应变式传感器应变式传感器压阻式传感器压阻式传感器外力作用外力作用被测对象表面产生微小机械变形被测对象表面产生微小机械变形应变片敏感栅随同变形应变片敏感栅随同变形电阻值发生相应变化电阻值发生相应变化 lRSFlRSRlSRlSRlSRlS材料力学可知，

2、在弹性范围内：材料力学可知，在弹性范围内：2.2.应变片的结构与种类应变片的结构与种类丝式应变片丝式应变片常用材料有：铜镍合金（康铜）、镍铬合金、铁铬铝合金、常用材料有：铜镍合金（康铜）、镍铬合金、铁铬铝合金、镍铬铁合金、铂和铂合金等，灵敏系数为镍铬铁合金、铂和铂合金等，灵敏系数为26。 箔式应变片结构箔式应变片结构 随着工艺制作技术的提高随着工艺制作技术的提高电阻厚度仅为电阻厚度仅为1 110um10um(1)ToRRT T00TTRRRRT 1.1.产生温度误差的因素产生温度误差的因素应变片：应变片：试件：试件：附加形变：附加形变：据材料力学：据材料力学：附加电阻：附加电阻：)1 (0tL

3、Lss)1 (0tLLggtLLLLsgsg0)(tLLsg)(0tKRKRRsgT)(00总附加电阻：总附加电阻：00()TTTBogsRRRRTR KT 总附加应变量：总附加应变量：()ToTgsooRRTTKK即：即：()0ToTgsooRRTTKK()ogsK 选择合适的敏感栅材料，满足上式，选择合适的敏感栅材料，满足上式， 即可达到温度自补偿的目的。即可达到温度自补偿的目的。U0R1R4R3UR20oU 1234RRRR设 3112341432123412341432()()()()()()oabooRRUUUURRRRR RR RUURRRRUARRRRUA R RR R令 ba电

4、桥平衡：电桥平衡：等臂等臂电桥电桥U0R1R4R3UR2FFR1T11423()oUARR RR R111423411()()oTTUARRR RR RARRR0F 11RR K14oUAR R K温度误差温度误差R1R1为应变片电阻，为应变片电阻，R2R2，R3R3，R4R4为普通电阻为普通电阻电桥补偿成功须满足两个条件：电桥补偿成功须满足两个条件：1.1.施加力之前：施加力之前： 即使温度发生变化，电桥的输出必须等于？即使温度发生变化，电桥的输出必须等于？2.2.施加力之后：施加力之后： 即使温度发生变化，电桥的输出必须与温度影即使温度发生变化，电桥的输出必须与温度影响？响？零零无关无关U

5、0R1R4R3UR2R20F 时T12TTRR 114223()()oTTUA RRRRRR00U 电桥依然电桥依然平衡平衡补偿的目的？补偿的目的？FFR1U0R1R4R3UR20F 1114223()()oTTUARRRRRRR12 TTRR11RR KT14oUAR R KR2FFR1 R1R4=R2R3平衡条件：平衡条件：142301234()()R RR RUURRRR00U 四个电阻都作为应变片工作时，电阻变化四个电阻都作为应变片工作时，电阻变化RR 11442233011223344()()()()()()RRRRRRRRUURRRRRRRR采用等臂电桥，即采用等臂电桥，即R R1

6、 1= =R R2 2= =R R3 3= =R R4 4= =R R ，得到：，得到：1234142301234()(2)(2)RRRRRR RRRUURRRRRR312404RRRRUURRRR012344UKU当当R Ri i R R ( ( i i=1,2,3,4) =1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，则时，略去上式中的高阶微量，则 上式表明上式表明： R Ri i R R时，电桥输出电压与应变成时，电桥输出电压与应变成线性线性关系。关系。 若若相邻相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉或两桥臂的应变极性一致，即同为拉或压应变，输出电压为压应变，输出电压为两者之差两者之差；反之，

7、则为两；反之，则为两者之和。者之和。 若若相对相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和两者之和；反之则为两者之差。；反之则为两者之差。012344UKU 考虑考虑：单臂电桥单臂电桥，即，即R R1 1桥臂变化桥臂变化R R，假设假设R R1 1 R R1 1不成立时：不成立时：nRRRRUUUL11110001等臂电桥，等臂电桥，n=1n=1，则：，则：11112RRRRL（1 1）采用半桥差动电桥）采用半桥差动电桥 3110112234RRRUURRRRRRR1R2R3R4=R，R1R2=R 02URUR严格的线性关系严格的线性关系电桥灵敏度比单臂时提高一

8、倍电桥灵敏度比单臂时提高一倍温度补偿温度补偿不需要再进行假不需要再进行假设设Ri R输出电压为：输出电压为：0RUUR（2 2）采用全桥差动电桥）采用全桥差动电桥 应变式力传感器应变式力传感器（a a）实心圆柱；（）实心圆柱；（b b）空心圆筒；）空心圆筒； 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。轴向变形。轴向变短，径向变短，径向变长。变长。 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贴位置FR5R2 R4R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF(2)(

9、2)梁式力传感器梁式力传感器 机床液压系统的压力（机床液压系统的压力（10106 610107 7PaPa），），枪炮的膛内压力（枪炮的膛内压力（10108 8PaPa），），动态特性和灵敏度主要由材料的动态特性和灵敏度主要由材料的E E值和尺寸决定值和尺寸决定 应变式压力传感器应变式压力传感器应变片不直接粘贴在压力感受元件上应变片不直接粘贴在压力感受元件上压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等 通常用于测量小压力。通常用于测量小压力。其缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程。其缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程。容器内液体重量（液位）传感器容器内液体重量（液位）传感器在低频（在低频（1060Hz1060Hz）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应变式加速度传感器结构示意图1 1等强度梁等强度梁 2 2质量块质量块 3 3壳体壳体 4 4电阻应变片电阻应变片应变式加速度传感器应变式加速度传感器Fma应变片传感器的特点应变片传感器的特点o 精度高，测