ch2电阻式传感器

1、天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSORCh2 Ch2 电阻式传感器电阻式传感器天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSORCH2 CH2 电阻式传感器电阻式传感器DCIR环境温度环境温度TTRI温度传感温度传感器器天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSORu基本原理基本原理 将被测的非电量转换成电阻值的变化，再由转换电路变成将被测的非电量转换成电阻值的变化，再由转换电路变成电量输出。电量输出。 u主要类型主要类型u 应变式应变式u 压阻式压阻式CH2 CH2 电阻式传感器电阻式传

2、感器天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR应力与应变应力与应变横截面积横截面积A外力外力F内力内力F一、应力一、应力 = ( (pa pa 或者或者N/mN/m2 2) )FAF=F应力：由外力引起的内力集度应力：由外力引起的内力集度天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR应力与应变应力与应变二、应变二、应变F FF F轴向应变轴向应变 l /l (1)径向应变径向应变 r /r (2)- (泊松比泊松比) (3)天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR应力与应变应力与应变

3、二、应力与应变的关系二、应力与应变的关系E:E:杨氏弹性模量杨氏弹性模量 E E天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR应力与应变应力与应变二、应力与应变的关系二、应力与应变的关系A=1cm1cmF=10kN(1)(2)=485 u (3)天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR一、工作原理一、工作原理横截面：横截面：A A长长 度：度：l l半半 径：径：r r电阻率：电阻率： 横截面：横截面：A+A+A A 长长 度：度：l+l+l l 半半 径：径：r+r+r r 电阻率：电阻率：+ F FF F1 1 应变

4、式传感器应变式传感器天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR 机械变形机械变形满足关系式：满足关系式： - ( (泊松比泊松比) )轴向应变轴向应变 l / /l 径向应变径向应变 r / /r一、工作原理一、工作原理1 1 应变式传感器应变式传感器天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR 电阻变化电阻变化AlR初始阻值初始阻值(1)(1)AdAdldlRdRrdrdldlRdR2相对变化相对变化(2)(2)(3)(3)AdAdldlRdRAdAdldlRdR(1+2)(4)(4)1 1 应变式传感器应变式传感器天

5、津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSORAdAdldlRdRAdAdldlRdR(1+2)(1+2)阻值变化阻值变化金属导体金属导体AdAdldlRdR 0AdAdldlRdR(1+2) KAdAdldlRdR(5)一、工作原理一、工作原理1 1 应变式传感器应变式传感器几何变形几何变形电阻率变电阻率变化化天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSORAdAdldlRdR(1+2)(1+2) K KAdAdldlRdR电阻应变效应：电阻应变效应： 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻当金属丝在外力作用下发生机械变形时

6、，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应电阻应变效应。 应变式传感器是利用应变式传感器是利用电阻应变效应电阻应变效应，将被测物体变，将被测物体变形转换成电阻变化的传感器。形转换成电阻变化的传感器。一、工作原理一、工作原理1 1 应变式传感器应变式传感器天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSORAdAdldlRdRAdAdldlRdR(1+2)(1+2)阻值变化阻值变化几何变形几何变形电阻率变电阻率变化化一、工作原理一、工作原理1 1 应变式传感器应变式传感器天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RES

7、ISTOR SENSOR如何应用应变式传感器进行测量？如何应用应变式传感器进行测量？敏感栅敏感栅一、工作原理一、工作原理1 1 应变式传感器应变式传感器天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR应变片应变片一、工作原理一、工作原理1 1 应变式传感器应变式传感器如何应用应变式传感器进行测量？如何应用应变式传感器进行测量？天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR E一、工作原理一、工作原理1 1 应变式传感器应变式传感器如何应用应变式传感器进行测量？如何应用应变式传感器进行测量？天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电

8、阻式传感器RESISTOR SENSORu 金属丝式金属丝式u 金属箔式金属箔式u 金属薄膜式金属薄膜式根据敏感栅分：根据敏感栅分：二、类型与结构二、类型与结构1 1 应变式传感器应变式传感器天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSORu 金属丝式金属丝式特点：制作简单、成本低廉、使用方便、性能特点：制作简单、成本低廉、使用方便、性能稳稳 定、存在横向效应。定、存在横向效应。二、类型与结构二、类型与结构1 1 应变式传感器应变式传感器天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR特点：特点：（1）可制成复杂形状的敏感栅；）可

9、制成复杂形状的敏感栅； （2）与试件接触面积大，粘结与散热性好；）与试件接触面积大，粘结与散热性好； （3）横向效应小；）横向效应小； （4）电阻值分散性大。）电阻值分散性大。 金属箔式金属箔式二、类型与结构二、类型与结构-1 1 应变式传感器应变式传感器天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR（1）机械性能发生极大的改变；）机械性能发生极大的改变；（2）无需与基体粘贴，消除滞后；）无需与基体粘贴，消除滞后；（3）适于批量生产；）适于批量生产； （4）允许电流密度大，灵敏系数大，温度影响小；）允许电流密度大，灵敏系数大，温度影响小； 利用薄膜技术制成厚度

10、小于利用薄膜技术制成厚度小于0.1um的薄膜敏感栅。的薄膜敏感栅。特点：特点：u 金属薄膜式金属薄膜式二、类型与结构二、类型与结构1 1 应变式传感器应变式传感器天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR1 1、灵敏系数、灵敏系数（1 1）与金属材料有关，常选用）与金属材料有关，常选用K K较大的合金材料；较大的合金材料；AdAdldlRdR(1+2) KAdAdldlRdR K K 称为称为灵敏系数灵敏系数，k k (1+2) (1+2)，一般为一般为2 2左右左右（2 2）实际的金属应变片比金属丝的）实际的金属应变片比金属丝的K K值小值小. .三、特

11、性指标三、特性指标1 1 应变式传感器应变式传感器天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR2、机械滞后、机械滞后 原因原因：主要是敏感栅、基底和粘合层在承受机：主要是敏感栅、基底和粘合层在承受机械械应变后所留下的残余变形所造成的。应变后所留下的残余变形所造成的。 应变片安装在试件上，在一定温度下，其加载特应变片安装在试件上，在一定温度下，其加载特性与卸载特性不重合，它们的最大差值称为应变片性与卸载特性不重合，它们的最大差值称为应变片的的机械滞后机械滞后。三、特性指标三、特性指标1 1 应变式传感器应变式传感器天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传

12、感器RESISTOR SENSOR3 3、零漂和蠕变、零漂和蠕变 粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性，承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的称为应变片的零漂零漂。三、特性指标三、特性指标1 1 应变式传感器应变式传感器天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR 如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的变，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的蠕变蠕变。蠕变中包含零

13、漂，零漂是蠕变的特例。蠕变中包含零漂，零漂是蠕变的特例。3 3、零漂和蠕变、零漂和蠕变三、特性指标三、特性指标1 1 应变式传感器应变式传感器天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR4 4、横向效应、横向效应R1R1R2R2 弯成敏感栅以后，长度不变，但由于弧段的存在，弯成敏感栅以后，长度不变，但由于弧段的存在， R1 R1 R2, R2,所以灵敏系数所以灵敏系数k k减小，这种现象就是减小，这种现象就是横横向效应向效应。三、特性指标三、特性指标1 1 应变式传感器应变式传感器天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSO

14、R5 5、其他特性、其他特性（1 1）最大工作电流；）最大工作电流；（2 2）绝缘电阻；）绝缘电阻；（3 3）电阻值）电阻值R.R. 三、特性指标三、特性指标1 1 应变式传感器应变式传感器天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR三、特性指标三、特性指标1 1 应变式传感器应变式传感器A=1cm1cmF=10kN应变片：应变片：标称电阻标称电阻R R120120灵敏度系数灵敏度系数K K2 212024851060.120.1%天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR（1 1）金属导体）金属导体AdAdldlRdR

15、 0 0(1+2)(1+2)AdAdldlRdR（2 2）半导体）半导体AdAdldlRdRAdAdldlRdRAdAdldlRdR(1+2)(1+2)阻值变化阻值变化几何变形几何变形电阻率变电阻率变化化一、工作原理一、工作原理2 2 压阻式传感器压阻式传感器天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSORAdAdldlRdRAdAdldlRdR半导体半导体 这个式子表达的现象称为这个式子表达的现象称为压阻效应压阻效应，即半导体材料受，即半导体材料受力作用时，电阻率发生变化。压阻式传感器就是利用压力作用时，电阻率发生变化。压阻式传感器就是利用压阻效应工作的。阻效

16、应工作的。一、工作原理一、工作原理2 2 压阻式传感器压阻式传感器llbllEeKll 天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSORu 灵敏系数灵敏系数KbKb6060150150，灵敏系数特别大，这是压阻，灵敏系数特别大，这是压阻 式传感器的突出特点；式传感器的突出特点；u 不存在横向效应不存在横向效应u 半导体材料的导电特性对温度非常敏感。半导体材料的导电特性对温度非常敏感。阻值变化：阻值变化：AdAdldlRdRK Kb bAdAdldlRdRAdAdldlRdR一、工作原理一、工作原理2 2 压阻式传感器压阻式传感器天津商业大学天津商业大学 电阻式传

17、感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR被测量被测量X XR R电流电流 I I电压电压 U U传感器传感器转换电路转换电路直流电桥直流电桥转换电路转换电路交流电桥交流电桥3 3 转换电路转换电路天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSORUoR2R3R4R1CBDA一、直流电桥一、直流电桥3 3 转换电路转换电路天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR平衡时：平衡时：UB=UDUAB=UADUBC=UDCI1=IAB =IBCI2=IAD =IDCI1 R1 = I2 R3 I1 R2 = I2 R4 条件条件

18、：R4 /R3 = R2 /R1UoR2R3R4R1CBDAI I1 1I I2 2一、直流电桥一、直流电桥3 3 转换电路转换电路天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSORR1 R4 = R2 R3R1 R4 = R2 R3R4 /R3 = R2 /R1=nR4 /R3 = R2 /R1=nn n桥臂比桥臂比平衡条件：平衡条件：一、直流电桥一、直流电桥3 3 转换电路转换电路天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSORUo UB UDUUoR2R3R4+ +R RR1CBDAURRnnUo112)1 (111RR时时一

19、、直流电桥一、直流电桥3 3 转换电路转换电路天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSORK Ku u U Un n(1+n)(1+n)2 2电桥灵敏度：电桥灵敏度：（1 1）KuKu与输入电压有关；与输入电压有关；U U0 0= =U U4 4 R R R R（2 2）KuKu与与n n有关。（何时有关。（何时KuKu最大）？最大）？一、直流电桥一、直流电桥3 3 转换电路转换电路天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR如何克服直流单臂电桥的非线性问题？如何克服直流单臂电桥的非线性问题？差动技术：差动技术： f(x)

20、=a0 +a1x +a2x2 + anxn f(-x)=a0 -a1x +a2x2 + an(-x)nf(x)=2a1x +2a3x3 +二、差动电桥二、差动电桥3 3 转换电路转换电路天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSORU0=U2 R RUUoR2R4- -R RR3CBDA+ +R RR1二、差动电桥二、差动电桥3 3 转换电路转换电路天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR 用应变片测量时，由于环境温度变化而引起电阻用应变片测量时，由于环境温度变化而引起电阻变化，由此而产生的测量误差，称为应变片的变化，由

21、此而产生的测量误差，称为应变片的温度误差温度误差。三、温度误差与补偿三、温度误差与补偿3 3 转换电路转换电路天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSORu原因原因 敏感栅电阻随温度的变化引起的误差敏感栅电阻随温度的变化引起的误差三、温度误差与补偿三、温度误差与补偿3 3 转换电路转换电路tRRt1)(tt温度增量温度增量电阻温度系数电阻温度系数天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSORu原因原因试件材料的线膨胀引起的误差试件材料的线膨胀引起的误差三、温度误差与补偿三、温度误差与补偿3 3 转换电路转换电路tkRRsg)

22、()(2k灵敏度系数灵敏度系数gs试件膨胀系数试件膨胀系数应变片膨胀系数应变片膨胀系数天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSORu原因原因总总的误差的误差三、温度误差与补偿三、温度误差与补偿3 3 转换电路转换电路tktRRsgtt)()(ttkkRRsgttt)(/)(热输出热输出天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSORu方法方法 （1）自补偿法）自补偿法三、温度误差与补偿三、温度误差与补偿3 3 转换电路转换电路)(sgtk时0t 对于给定的试件，通过对敏感栅材料合适的热处理工艺、改对于给定的试件，通过对敏感栅材

23、料合适的热处理工艺、改变合金成份等措施，使得变合金成份等措施，使得 at 满足上式。满足上式。 或两段不同材质的敏感或两段不同材质的敏感栅串接，使得栅串接，使得R1 R2天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR（2）线路补偿法）线路补偿法 接入消除温度影响的电阻。如差动补偿、热敏电接入消除温度影响的电阻。如差动补偿、热敏电阻、补偿电阻。阻、补偿电阻。 三、温度误差与补偿三、温度误差与补偿3 3 转换电路转换电路R1RcR1Rc天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR1 1、结构简单，使用方便、性能稳定、可靠、适应性

24、强，信号处、结构简单，使用方便、性能稳定、可靠、适应性强，信号处 理简单，能适应较大的振动和冲击，抗辐射能力强；理简单，能适应较大的振动和冲击，抗辐射能力强；2 2、灵敏度、精度高、动态测量，测量范围大；、灵敏度、精度高、动态测量，测量范围大；3 3、便于多点测量、远距离测量和遥测；、便于多点测量、远距离测量和遥测；4 4、压阻式灵敏系数大、分辨率高、频率响应高、体积小、适于、压阻式灵敏系数大、分辨率高、频率响应高、体积小、适于半导体工艺、机械滞后小、横向效应小、但易受温度影响、机半导体工艺、机械滞后小、横向效应小、但易受温度影响、机械强度差。械强度差。一、应用特点与范围一、应用特点与范围4

25、4 应用应用天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR综合误差在综合误差在 1.0%-0.1%1.0%-0.1%，高精度力传感，高精度力传感器已能达到器已能达到0.03%-0.01%0.03%-0.01%。 压力：压力：10104 4-10-109 9PaPa；力：力：0.1-100.1-107 7N N一、应用特点与范围一、应用特点与范围4 4 应用应用天津商业大学天津商业大学 电阻式传感器电阻式传感器RESISTOR SENSOR1 1、应变、应力；、应变、应力；2 2、力，如拉力、压力、压强、扭矩；、力，如拉力、压力、压强、扭矩；3 3、加速度、位移等。、加速度、位移等。一、应用特点与范围一、应用特点与范围4 4 应用应用 广泛用于测应力、应变、力、称重、位移、加速度及扭矩等，广泛用于测应力、应变、力、称重、位移、加速度及扭矩等，并且在力学量传感器中，电阻应变式传感器至今仍占有主导地位。并且在力学量传感器中，电阻应变式传感器至今仍占有主导地