传感器第二章 电阻式传感器

1、第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器& 第一节第一节 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器& 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 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路第四节第四节 电阻传感器应用电阻传感器应用内容提要内容提要学习目标学习目标理解电位器式传感器形式；了解线绕式电位理解电位器式传感器形式；了解线绕式电位器原理；掌握应变效应、压阻效应定义及意器原理；掌握应变效应、压阻效应定义及意义；掌握应变电阻传感器工作原理及测量电义；掌握应变电阻传感器工作原理及测量电路；熟悉电阻传感器应用。路；熟悉电阻传感器应用。第二章第二章 电阻式传感器

2、电阻式传感器| 电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各种电器和电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各种电器和电子设备中。它主要是一种把机械的线位移或角位移输电子设备中。它主要是一种把机械的线位移或角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传入量转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件来使用。它们主要用于测量压力、高度、加速度、感元件来使用。它们主要用于测量压力、高度、加速度、航面角等各种参数。航面角等各种参数。 | 电位器式传感器具有一系列优点，如结构简单、尺寸小、电位器式传感器具有一系列优点，如结构简单、尺寸小、重量轻、精度高、输出信号大、性能稳定并容易实现任重量轻

3、、精度高、输出信号大、性能稳定并容易实现任意函数。其缺点是要求输入能量大，电刷与电阻元件之意函数。其缺点是要求输入能量大，电刷与电阻元件之间容易磨损。间容易磨损。| 电位器的种类很多，按其结构形式不同，可分为线绕式、电位器的种类很多，按其结构形式不同，可分为线绕式、薄膜式、光电式等；按特性不同，可分为线性电位器和薄膜式、光电式等；按特性不同，可分为线性电位器和非线性电位器。目前常用的以单圈线绕电位器居多。非线性电位器。目前常用的以单圈线绕电位器居多。第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器u一、一、 电位器式电阻传感器常用形式电位器式电阻传感器常用形式u1、 滑线式位移传感器滑线式位移传感器u2

4、、 角位移传感器角位移传感器u3、 分段电阻角位移传感器分段电阻角位移传感器u4、 分段电阻直线位移传感器分段电阻直线位移传感器u二、二、 线绕式电位器结构和工作原理线绕式电位器结构和工作原理第一节第一节 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器一、一、 电位器式电阻传感器常用形式电位器式电阻传感器常用形式1 1、 滑线式位移传感器滑线式位移传感器第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器2 2、 角位移传感器角位移传感器3 3、 分段电阻角位移传感器分段电阻角位移传感器第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器4 4、 分段电阻直线位移传感器分段电阻直线位移传感器第

5、二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器二、二、 线绕式电位器结构和工作原理线绕式电位器结构和工作原理LR ,0UxRxiU若电位器为空载时，根据分压原理得：若电位器为空载时，根据分压原理得：工作电压：工作电压iU：负载电阻两端的输出电压：负载电阻两端的输出电压0U：线绕电位器电刷移动的长度：线绕电位器电刷移动的长度：总长度：总长度：总电阻：总电阻xLRxR：对应于电刷移动量：对应于电刷移动量x的电阻值的电阻值RRUUxi0第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器而对应的电阻变化为：而对应的电阻变化为：xSLxRRLxRRRxx,表明改变测量电阻值所引起输出电压的变化为线性变化。表明改变测量电阻值所

6、引起输出电压的变化为线性变化。xSLxUUVi0其中其中LUSLRSiVR,分别为电阻和电压灵敏度。分别为电阻和电压灵敏度。他们分别表明了他们分别表明了电刷单位位移所能引起的输出电阻和输电刷单位位移所能引起的输出电阻和输出电压的变化量，均为常数。出电压的变化量，均为常数。第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器若电位器的负载电阻若电位器的负载电阻 ，则输出电压为：，则输出电压为：0LR20 xxLLxixLxLxLxLxixLxLRRRRRRRURRRRRRRRRRURRRRIU代入上式得：，设iRLLxUUYLxXRRKRRr0,LRLRRLLKXKXXKrKrr2211Y：电刷的相对行程电阻

7、的相对变化RX:r数：电位器负载系数的倒LK：电位计相对输出电压Y表明当负载电阻不为零时，表明当负载电阻不为零时，Y与与r为非线性关系，则线绕电位器为非线性关系，则线绕电位器式传感器的负载特性为非线性。当负载电阻为空载时，式传感器的负载特性为非线性。当负载电阻为空载时，U0与与x才满足线性关系，则线绕电位器式传感器的负载特性为线性。才满足线性关系，则线绕电位器式传感器的负载特性为线性。第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器uYHD型电位器式位移传感器型电位器式位移传感器1测杆；2滑线电阻；3电刷；4弹簧；5滑快；6导轨；7外壳；8无感电阻。第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 膜盒电位器式压

8、力传感器原理图第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器测小位移传感器示意图第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电位器式加速度传感器示意图第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器& 第一节第一节 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器& 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 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路第四节第四节 电阻传感器应用电阻传感器应用内容提要内容提要第二章第二章 电阻式传感器电阻式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一、工一、工 作原理作原理1、应变效应、应变效应2、金属电阻丝应变原理、金属电阻丝应变原理3、半导

9、体应变原理半导体应变原理二、应变片的结构、材料和粘贴二、应变片的结构、材料和粘贴1、应变片的结构、应变片的结构2、金属电阻应变片的材料、金属电阻应变片的材料3、金属电阻应变片的粘贴、金属电阻应变片的粘贴4、金属箔式应变片、金属箔式应变片第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻应变效应演示电阻应变效应演示第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器一、工作原理一、工作原理 1 1、应变效应、应变效应 导体或半导体材料在外（拉力或压力）力的作用时，导体或半导体材料在外（拉力或压力）力的作用时，产生机械变形，导致其电阻值相应发生变化，产生机械变形，导致其电阻值相应发生变化， 这种因这种因形变而使其阻值发

10、生变化的现象称为形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应应变效应”。2 2、金属电阻丝应变原理、金属电阻丝应变原理第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器AlR做全微分求得：做全微分求得：dAALdALdLAdR2dAdAldlRdRd A=2r d r2rArdrrrdrAdA222ldlxyrdrxydRdRx)21 (xxdRdR)21(第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻丝的灵敏系数：单位应变所引起的电阻相对变化量电阻丝的灵敏系数：单位应变所引起的电阻相对变化量xxsdRdRK21xsKRdR或xsRdRK表示金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比。表示金属电阻丝的电阻相对变化

11、与轴向应变成正比。 实验证明在应变极限内实验证明在应变极限内Ks为常数为常数第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器根据应力与应变的关系，得到应力值根据应力与应变的关系，得到应力值为为 =E 测量原理测量原理dR/RxsKRdREKRdRs第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器3 3、半导体应变原理、半导体应变原理 压阻效应：压阻效应：沿一块半导体的某一轴向施加压力沿一块半导体的某一轴向施加压力使其变形时，它的电阻率会发生显著变化，这种现使其变形时，它的电阻率会发生显著变化，这种现象称为半导体的压阻效应。象称为半导体的压阻效应。 利用压阻效应制成的传利用压阻效应制成的传感器称为压阻传感器或半导体

12、应变片。感器称为压阻传感器或半导体应变片。当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为xxdRdR)21 (第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器xEd半导体材料的压阻系数;半导体材料的所受应变力; E半导体材料的弹性模量; 半导体材料的应变。xERdR)21 (实验证明，实验证明，E E比比1+21+2大上百倍，所以大上百倍，所以1+21+2可以忽略，因而半可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为导体应变片的灵敏系数为 ERdRKxs第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 半导体应变片特点半导体应变片特点优点：优点：灵敏系数比金属丝式高灵敏系数比

13、金属丝式高50508080倍倍缺点：缺点：材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，材料的温度系数大，应变时非线性比较严重， 应用范围受到限制。应用范围受到限制。利用应变片测量的基本原理：利用应变片测量的基本原理： 应力值正比于应变，而应变又正比于电阻值的应力值正比于应变，而应变又正比于电阻值的变化，所以应力正比于电阻值的变化。变化，所以应力正比于电阻值的变化。=Ex 第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器应变片测量演示应变片测量演示第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器二、应变片的结构、材料和粘贴二、应变片的结构、材料和粘贴丝式丝式箔式箔式回线式应变片回线

14、式应变片短接式应变片短接式应变片体形体形薄膜型薄膜型应变片类型应变片类型第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器实物实物第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器1 1、应变片的结构、应变片的结构 2341bl栅长栅长栅宽栅宽1 -1 -敏感栅，敏感栅， 2-2-基底，基底， 3-3-覆盖片，覆盖片， 4-4-引线引线应变片测得的应变大小是应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。积内的平均轴向应变量。第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器( a )( b )( c )丝式应变片丝式应变片( a )( b )( c )( a )( b )( c )第二章

15、第二章 电阻式传感器电阻式传感器（1 1） 敏感栅敏感栅 对敏感栅的材料的要求：应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻温度系数要小；电阻温度系数要小；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；加工性能良好加工性能良好, ,易于拉制成丝或轧压成箔材；易于拉制成丝或轧压成箔材；易于焊接，对引线材料的热电势小。易于焊接，对引线材料的热电势小。由直径为由直径为0.010.0

16、5mm的具有高电的具有高电阻率的电阻丝排列成栅网状阻率的电阻丝排列成栅网状第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。可保护敏感栅。 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。多为是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。多为镀锡铜线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电镀锡铜线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。（3） 引线：引线：（2） 基底和覆

17、盖片：基底和覆盖片：第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 2 2、金属电阻应变片的电阻丝材料、金属电阻应变片的电阻丝材料第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 康铜康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于它有很多是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于它有很多优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数，数， 进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；当采用合适进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；当采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在的热处理工艺时，可使电阻温度系数在5010-6/的范围内；的范围内；康铜的加工性能好，

18、易于焊接，康铜的加工性能好，易于焊接， 因而国内外多以康铜作为应变因而国内外多以康铜作为应变丝材料。丝材料。 第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 3 3、金属箔式应变片、金属箔式应变片 箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻光刻、腐蚀腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图。等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图。金属箔的金属箔的厚度厚度般为般为(0.003(0.0030.010)mm0.010)mm，它的基片和盖，它的基片和盖片多为胶

19、质膜，片多为胶质膜，基片厚度一般为基片厚度一般为(0.03(0.030.05)mm0.05)mm。 金属箔式应变片金属箔式应变片箔的材料多为电阻率箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的的高、热稳定性好的的铜镍合金（锰白铜）铜镍合金（锰白铜）第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器箔式应变片箔式应变片(a)(b)(c)(d)(e)(f)厚约厚约0.0030.01mm第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 金属箔式应变片和丝式应变片相比较金属箔式应变片和丝式应变片相比较: : 金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的应力状态更为接近。试件表面的应力状态更为接

20、近。 其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工作。试件共同工作。 第三，箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而第三，箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度。提高了应变测量的精度。 第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大 电流，因而可以输出较大信号，提高测量灵敏度。电流，因而可以输出较大信号，提高测量灵敏度。 箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，箔栅的尺寸准确、均

21、匀，且能制成任意形状，特别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件，从特别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变片的使用范围。而扩大了应变片的使用范围。 便于成批生产。便于成批生产。 缺点：电阻值分散性大，有的相差几十缺点：电阻值分散性大，有的相差几十，故，故需要作阻值调整；生产工序较为复杂，因引出线的焊需要作阻值调整；生产工序较为复杂，因引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量；此外价格点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量；此外价格较贵。较贵。第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器4、金属薄膜应变片、金属薄膜应变片厚度厚度0.1m以下以下敏感栅是用蒸镀敏感栅是用蒸镀或溅射

22、法沉积的或溅射法沉积的金属、合金薄膜金属、合金薄膜制成的。在薄的制成的。在薄的绝缘基片上蒸镀绝缘基片上蒸镀上金属材料薄膜，上金属材料薄膜，最后加保护层形最后加保护层形成。成。也可以直接蒸镀在弹性元件的绝缘层表面，不也可以直接蒸镀在弹性元件的绝缘层表面，不易产生蠕变。易产生蠕变。第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器5、半导体应变片、半导体应变片第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 6、金属电阻应变片的粘贴、金属电阻应变片的粘贴选择粘结剂时必须考虑的问题：选择粘结剂时必须考虑的问题： 1.1.要求粘接力强，粘结后机械性能可靠；要求粘接力强，粘结后机械性能可靠； 2.2.粘合层要有足够大的剪切弹

23、性模量；粘合层要有足够大的剪切弹性模量； 3.3.良好的电绝缘性，滞后小；良好的电绝缘性，滞后小； 4.4.耐湿，耐油，耐老化，动态应力测量时耐疲劳等；耐湿，耐油，耐老化，动态应力测量时耐疲劳等； 5.5.应变片的工作条件，如温度、相对湿度、稳定性应变片的工作条件，如温度、相对湿度、稳定性要要 求以及贴片固化时加热加压的可能性等。求以及贴片固化时加热加压的可能性等。 应变片是用粘结剂粘贴应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。粘结剂到被测件上的。粘结剂形成的胶层必须准确迅形成的胶层必须准确迅速地将被测件应变传递速地将被测件应变传递到敏感栅上。到敏感栅上。第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 粘结剂

24、分为有机和无机：粘结剂分为有机和无机： 有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。 无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。硼酸盐等。粘结剂：粘结剂： 常用的粘结剂类型有常用的粘结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙稀酸硝化纤维素型、氰基丙稀酸型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等。等。 第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器粘贴工艺：粘贴工艺：1.被测件粘贴表面处理；被测件粘贴表

25、面处理；2.贴片位置确定；贴片位置确定；3.涂底胶；涂底胶；4.贴片；贴片；5.干燥固化；干燥固化；6.贴片质量检查；贴片质量检查；7.引线的焊接与固定以及防护与屏蔽等。引线的焊接与固定以及防护与屏蔽等。第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器机戒应变指示应变加载卸载RR/mm（2）机械滞后）机械滞后第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器（3 3） 零漂和蠕变零漂和蠕变第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器（4 4）应变极限和疲劳寿命）应变极限和疲劳寿命第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器（5）最大工作电流和绝缘电阻）

26、最大工作电流和绝缘电阻（6）应变片的电阻值）应变片的电阻值R第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器（7）动态特性）动态特性0201101lvf2%时，应变片的时，应变片的响应频率响应频率对应变对应变波幅值波幅值 0，应变片，应变片响应的应变响应的应变（平均应变）（平均应变） p1/sin0000llp相对误差相对误差第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器& 第一节第一节 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器& 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 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路第四节第四节 电阻传感器应用电阻传感器应用内容提要内容提要

27、第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器第三节第三节 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路一、直流电桥测量电路一、直流电桥测量电路 1 1、电桥平衡、电桥平衡 2 2、动态时电阻变化与输出关系、动态时电阻变化与输出关系 3 3、电压灵敏度、电压灵敏度 4 4、非线性误差及其补偿方法、非线性误差及其补偿方法二、交流电桥测量电路二、交流电桥测量电路三、电阻应变片的温度误差及其补偿三、电阻应变片的温度误差及其补偿 1 1、 温度误差及其产生原因温度误差及其产生原因 2 2、 温度误差补偿方法温度误差补偿方法第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 R2R4R1R3EILACDU0BRL目的：目的：将

28、微小应变引起的微将微小应变引起的微小电阻值的变化测量出来，小电阻值的变化测量出来，同时，要把电阻相对变化同时，要把电阻相对变化 转换为电压或电流的变化。转换为电压或电流的变化。RRE E：为电源电压：为电源电压R R1 1、R R2 2、R R3 3及及R R4 4：桥臂电阻：桥臂电阻R RL L：为负载电阻为负载电阻一、直流电桥测量电路一、直流电桥测量电路第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器当电桥平衡时，当电桥平衡时，Uo=0，则有，则有 R1R4=R2R3或 4321RRRR电桥平衡条件电桥平衡条件: :其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应

29、相等。两臂电阻的乘积应相等。1、电桥平衡、电桥平衡43213241433211RRRRRRRRERRRRRREUo第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器2、动态时电阻变化与输出关系、动态时电阻变化与输出关系 432143214321432132233232411441414433221133224411RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRRREUo忽略分母中 项、分子中忽略 的二次交叉项 ：RR3322441122121432123321441RRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRREUo第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器

30、3 3、电压灵敏度、电压灵敏度43321111RRRRRRRREUo)(4321141RRRRRRR341211113411RRRRRRRRRRE固定电阻、工作片4321RRRR第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 设桥臂比设桥臂比n=R2/R1112)1 (RRnnEUo电桥电压灵敏度定义为电桥电压灵敏度定义为 211)1 (nnERRUSoV3412111134011RRRRRRRRRREU第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压， 供供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压

31、的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择；择； 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n n的函数，的函数，恰当地选择桥臂比恰当地选择桥臂比n n的值，保证电桥具有较高的电的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。压灵敏度。211(1)oVUnSERnR第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器求得求得n=1时，电桥电压灵敏度最高时，电桥电压灵敏度最高,所以实际使用中取所以实际使用中取 RRRRR4321输出为：输出为：结论：结论：当电源电压当电源电压E和电阻相对变化量和电阻相对变化量R1/R1一定时，一定时， 电桥的电桥的输出电压及

32、其灵敏度也是定值，与各桥臂电阻阻值大小无关。输出电压及其灵敏度也是定值，与各桥臂电阻阻值大小无关。 当当E E 值确定后，值确定后，n n 取何值时才能使取何值时才能使 S SV V 最高？最高？使用单一应变片时使用单一应变片时 4ESV01142nndndSV2(1)4onRERUEnRR第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器4 4、非线性误差及其补偿方法、非线性误差及其补偿方法)1 (11111nRRnRRnEUoU0与与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为的关系是非线性的，非线性误差为 11111RRnRRUUUoooL112)1 (RRnnEUo理想情况理想情况（略去分母中的（略去

33、分母中的R1/R1项）：项）：实际情况实际情况（保留分母中的（保留分母中的R1/R1项）：项）：第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器4321RRRR若若，即，即n=1111111112121RRRRRRnRRL例题：一应变片，所受应变例题：一应变片，所受应变为为5 510-3，若取，若取KsKs=2=2，计算非线性误差，计算非线性误差. .第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器R1/R1=Ks 解：解：%5 . 02121111RRRRL若Ks=130,= 110-3,%6L 对灵敏度较高的应变传感器，受到较小的应变，对灵敏度较高的应变传感器，受到较小的应变，非线性误差也会很大。非线性误差也

34、会很大。当非线性误差不能满足测量要当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。求时，必须予以消除。 第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器差动电桥减小和消除非线性误差的方法减小和消除非线性误差的方法差动电桥差动电桥 R1R1R4R3ACBEDR2R2Uo(a)R1R1ACBEDR2R2Uo(b)R3R3R4R4第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器差动电桥补偿差动电桥补偿(半桥差动电路半桥差动电路) )+-固定电阻、受压应变受拉应变；4321RRRR13412RRRR为提高电桥电压灵敏度为提高电桥电压灵敏度 n=1第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器若若R1=R2，则得，则得 112 RR

35、EUo半桥的电压灵敏度半桥的电压灵敏度该电桥输出电压为该电桥输出电压为433221111RRRRRRRRREUo2ESV与单臂相比与单臂相比:Uo与与R1/R1成线性关系，无非线性误差成线性关系，无非线性误差;电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度SV=E/2，是单臂工作时的两倍是单臂工作时的两倍;同时具有温度补偿作用。同时具有温度补偿作用。第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器全桥差动电路全桥差动电路+-受压应变、受拉应变、3241RRRR13412RRRR为提高电桥电压灵敏度为提高电桥电压灵敏度 n=1第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器R1=R2=R3=R4则则ESRREUVo11Uo与与R1/

36、R1成线性关系，无非线性误差，成线性关系，无非线性误差，电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度SV=E，是单臂工作时的四倍。，是单臂工作时的四倍。同时还具有温度补偿作用。同时还具有温度补偿作用。 全桥输出：全桥输出：第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器ESRREUVo11112 RREUo2ESV单桥测量时单桥测量时 4ESV半桥测量时半桥测量时 全桥测量时全桥测量时 总结总结4oERUR第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器二、二、 交流电桥测量电路交流电桥测量电路第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器)(43213241ZZZZZZZZUUio电桥平衡条件：电桥平衡条件：Uo=0，即：，即： 交流

37、电桥输出：交流电桥输出： ZZ 34123241ZZZZZZ或，第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器13241423zzzz电桥平衡条件电桥平衡条件12341111222233334444jjjjZrjXz eZrjXz eZrjXz eZrjXz e设各桥臂阻抗为：设各桥臂阻抗为： 第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器考虑单臂测量情况，考虑单臂测量情况，R1工作片工作片, 41110ZZUUi交流电桥输出电压交流电桥输出电压 1ZZ 3412ZZ第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器交流电桥输出电压交流电桥输出电压 41110RRUUi 21110RRUUi 110RRUUi第二章第二章

38、 电阻式传感器电阻式传感器三、电阻应变片的温度误差及其补偿三、电阻应变片的温度误差及其补偿 1、 温度误差及其产生原因温度误差及其产生原因 因环境温度改变而引起应变的电阻变化。因环境温度改变而引起应变的电阻变化。应变片的电阻丝应变片的电阻丝(敏感栅敏感栅)具有一定温度系数；具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。 第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 设环境引起的构件温度变化为设环境引起的构件温度变化为t t（）时，粘贴在试）时，粘贴在试 件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t t ，则，则 应

39、变片产生的电阻相对变化为应变片产生的电阻相对变化为 由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当由于敏感栅材料和被测构件材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 e e试件材料线膨胀系数；试件材料线膨胀系数；g g敏感栅材料线膨胀系数敏感栅材料线膨胀系数。 tRRt 1tget2线膨胀系数不同电阻相对变化线膨胀系数不同电阻相对变化tKRRge 2第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 温度变化形成的总电阻相对变化：温度变化形成的总电阻相对变化： 相应的总虚假应变为相应的总虚假应变为tKtRRRRRRgett 21ttKKR

40、Rgettt 第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器2、温度误差补偿方法、温度误差补偿方法 单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片0getK使应变片在温度变化使应变片在温度变化t t时的热输出值为零，必须使时的热输出值为零，必须使egtK即即tKtRRRRRRgett 21第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 双丝组合式自补偿应变片双丝组合式自补偿应变片 两段敏感栅，随温度变化而两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号产生的电阻增量大小相等，符号相反，相反，即即(Ra) t= (Rb) t焊点焊点RaRbaeaabebbtaatbbbaKKRRRRRR由两种不同电阻温度系数（一由两种不

41、同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围内在一定材料的定的温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿。试件上实现温度补偿。第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 桥路补偿法桥路补偿法 32410RRRRAUR1 工作片工作片RB补偿片补偿片 R 平衡电平衡电阻阻电桥输出电压为电桥输出电压为 A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由桥臂电阻和电源电压决定的常数。补偿块不承补偿块不承受应变，仅受应变，仅随温度发生随温度发生变形变形第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 当被测试件不承受应变时，当被测试件不承受应

42、变时，R1和和R2处于同一温度处于同一温度 场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即上式中可以选择上式中可以选择R1=R2=R及及R3=R4=R。 当温度升高或降低时，若当温度升高或降低时，若R1t=R2t，即两个应变，即两个应变片的热输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零，片的热输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零，即即03241RRRRAUo322411RRRRRRAUttoRRRRRRAtt21RRRRRRRRAtt21021ttRRRA=第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 若此时有应变作用，只会引起电阻若此时有应变作用，只会引起电阻R1

43、发生变发生变化，化，R2不承受应变。故由前式可得输出电压为不承受应变。故由前式可得输出电压为由上式可知，电桥输出电压只与应变由上式可知，电桥输出电压只与应变x x有关，与温度有关，与温度无关。无关。为达到完全补偿，需满足下列三个条件：为达到完全补偿，需满足下列三个条件： R1和和R2须属于同一批号的，即它们的电阻温度系须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数数、线膨胀系数、线膨胀系数、应变灵敏系数、应变灵敏系数K都相同，两片的初都相同，两片的初始电阻值也要求相同；始电阻值也要求相同； 用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨

44、胀系数相等；材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等； 两应变片处于同一温度环境中。两应变片处于同一温度环境中。 xstxstoRKRARRRRKRRRAU3224111第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器R1与与RB特性相同特性相同接入相邻臂接入相邻臂 输出电压增加输出电压增加2倍倍 R1t=RBt 应变状态相反应变状态相反 在某些情况下，可以比较巧妙地安装应变片而不在某些情况下，可以比较巧妙地安装应变片而不需补偿件并兼得灵敏度的提高。需补偿件并兼得灵敏度的提高。 第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器FFR1R2（b）R1R2（a）F构件受弯构件受弯曲应力曲应力构件受单构件受单向应力向应力

45、第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器热敏电阻进行补偿热敏电阻进行补偿USCR2R4R1R3ERtR5TUR5 Rt第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器& 第一节第一节 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器& 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 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路第四节第四节 电阻传感器应用电阻传感器应用内容提要内容提要第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器第四节第四节 电阻传感器应用电阻传感器应用一、一、 应变式力传感器应变式力传感器1、柱式力传感器、柱式力传感器2、梁式力传感器、梁式力传感器 3、应变力传感器应用场

46、合、应变力传感器应用场合二、应变式压力传感器二、应变式压力传感器1、板式压力传感器、板式压力传感器2、筒式压力传感器、筒式压力传感器三、应变式加速度传感器三、应变式加速度传感器第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器VmV /几十0.1%0.01%s1171010几十几十上百上百KHz2710 10 N力 ：Pa811010压力：23/10sm加速度：第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器KRRRRE应力应力施力施力弹性弹性模量模量面积面积动画演示：应变式压力传感器动画演示：应变式压力传感器FS第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器测定试件测定试件应力或应变时应力或应变时，直接将应变片粘贴在，直

47、接将应变片粘贴在试件上；试件上；其他物理量（力、压力、加速度等），需先将其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应变弹性元件。这些量转换成应变弹性元件。第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器被测量被测量：荷重或力；：荷重或力；用途：用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元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件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等；测等； 要求：要求：应变式力传感器要求有较高的灵敏度和应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性稳定性, 当传感器在受到侧向作用力或力的作用当传感器在受到侧向作用力或力的作用点发生轻微变化时点发生轻

48、微变化时, 不应对输出有明显的影响；不应对输出有明显的影响； 弹性元件：弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等。柱式、筒式、环式、悬臂式等。一、一、 应变式力传感器应变式力传感器第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器1 1、柱式力传感器、柱式力传感器(a)(a)实心圆柱实心圆柱(b)(b)空心圆柱空心圆柱第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器UiR1R3R5R7R6R8R2R4R6R7R8R2R3R4R5R1第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器FF第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器2022-5-994汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料北京远亚

49、兴业商贸有限公司资料 ）第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器当力当力F F作用在弹性悬臂梁自由端时，悬臂梁产生变作用在弹性悬臂梁自由端时，悬臂梁产生变形，在梁的上、下表面形，在梁的上、下表面对称位置对称位置上上应变大小相等，应变大小相等，极 性 相 反极 性 相 反 ， 若 分 别 粘 贴 应 变 片， 若 分 别 粘 贴 应 变 片 R R1 1、 R R4 4和和 R R2 2、R R3 3 ，并接成差动电桥，则电桥输出电压，并接成差动电桥，则电桥输出电压U Uo o与力与力F F成成正比。正比。2 2、梁式力传感器、梁式力传感器 R1R4l0lFb

50、hblR4R1Fh(a)(b)第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器(1) (1) 等截面梁等截面梁EbhFlE206上、下表面上、下表面对称位置对称位置分别分别粘有粘有4 4只应变片，只应变片，R1R1、R4R4同同侧；侧；R3 R3 、R2R2同侧，可构成同侧，可构成全差动电桥。全差动电桥。2一端固定，一端自由，厚一端固定，一端自由，厚度为度为h，宽度，宽度为为b，悬臂外，悬臂外端到应变片中心的距离端到应变片中心的距离l。第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器(2) (2) 等强度梁等强度梁 力力F F作用于梁端三角形顶作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应点上，梁内各断面产生的应力相

51、等。力相等。上、下表面上、下表面对称位对称位置置分别粘有分别粘有4 4只应变片，构成只应变片，构成全差动电桥。全差动电桥。 620EhbFlELR1R3R2R4xFhbb0R4第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器(3) (3) 其它特殊悬臂梁力传感器其它特殊悬臂梁力传感器（a）双孔粱；（）双孔粱；（b）单孔粱；（）单孔粱；（c）S形粱形粱第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器2022-5-9101 FF固定点固定点固定点固定点电缆第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器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第二章第二章 电阻式传感器电阻

52、式传感器2022-5-9103应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2 R4第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器汽车衡汽车衡超市打印秤超市打印秤电子天平电子天平人体秤人体秤 3 3、应变力传感器应用场合、应变力传感器应用场合第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 当气体或液体当气体或液体压力作用在薄板承压力作用在薄板承压面上时，薄板变压面上时，薄板变形，粘贴在另一面形，粘贴在另一面的电阻应变片随之的电阻应变片随之变形，并改变阻值。变形，并改变阻值。这时测量电路中电这时测量电路中电桥平衡被破坏，产桥平衡被破坏，产生输出电压。生输出电压。 P P 应变片应变片二、应变式压力传感器二、应变式压力传感器