传感器与检测技术课件第二章

2022/11/261第2章电阻式传感器2022/11/261第2章电阻式传感器12022/11/262引言电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。电阻式传感器的结构简单、性能稳定、灵敏度较高，有的还适合于动态测量。2022/11/262引言电阻式传感器的基本原理是将被测量的22022/11/2632.1电位器式电阻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子设备中。它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感元件，主要用于测量压力、高度、加速度、航面角等各种参数的测量2022/11/2632.1电位器式电阻传感器电位器是一种32022/11/2642.1.1电位器式电阻传感器的原理1．线性电位器式传感器2022/11/2642.1.1电位器式电阻传感器的原理142022/11/265非线性电位器对角位移式电位器来说，Uа与滑动臂的旋转角度成正比，即2022/11/265非线性电位器对角位移式电位器来说，Uа52022/11/2662022/11/26662022/11/267

2.1.2电位器式电阻传感器的基本特性及误差电位器输出端接有负载电阻时，其特性称为负载特性。2022/11/2672.1.2电位器式电阻传感器的72022/11/2682.1.2电位器式电阻传感器的基本特性及误差阶梯特性及误差当电刷在多匝导线上移动时，电位器的阻值和输出电压不是连续变化，而是阶跃式地变化。阶梯误差。2022/11/2682.1.2电位器式电阻传感器的基本特82022/11/2692.1.3电位器式电阻传感器结构与材料1.线绕式电位器2.非线绕式电位器 1)合成膜电位器 2）金属膜电位器 3)导电塑料电位器 4)光电电位器2022/11/2692.1.3电位器式电阻传感器结构与材92022/11/26102.1.4电位器式位移传感器YHD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。2022/11/26102.1.4电位器式位移传102022/11/26112.2应变式电阻传感器2.2.1应变效应和应变式电阻传感器的工作原理应变效应是指导体或半导体材料在受到外界力(拉力或压力)作用时，将产生机械变形，进而导致其电阻值的变化。当电阻率ρ、长度

和面积s一定时，物体的电阻与其电阻率、长度和横截面积之间的关系，可用式表示为

2022/11/26112.2应变式电阻传感器2.2.1112022/11/26122.2.2电阻应变片的种类、材料及黏贴电阻丝式应变片基本结构应变片主要有金属应变片和半导体应变片两类。金属片有丝式、箔式、薄膜式3种电阻应变片2022/11/26122.2.2电阻应变片的种类、材料及122022/11/26132022/11/2613132022/11/2614应变片的黏贴技术应变片的检查试件的表面处理确定贴片位置黏贴应变片固化处理粘贴质量检查引出线的固定与保护防潮防蚀处理2022/11/2614应变片的黏贴技术应变片的142022/11/26152022/11/2615152022/11/26162.2.3电阻应变片的主要特性1.横向效应2.机械滞后、零漂和蠕变3.温度效应2022/11/26162.2.3电阻应变片的主要特性1162022/11/2617应变片参数（1）标准电阻值（R0）（2）绝缘电阻（RG）（3）灵敏度系数（K）（4）应变极限（ξmax）（5）允许电流（Ie）允许电流是指应变片允许通过的最大电流。（6）机械滞后2022/11/2617应变片参数（1）标准电172022/11/26182.2.4电阻应变片的温度误差及补偿电阻应变片由于温度效应引起的误差为温度误差。原因有：电阻丝的电阻率随温度发生变化；电阻丝和试件的线膨胀系数不同使其产生附加形变。1.自补偿法2.线路补偿法2022/11/26182.2.4电阻应变片的温度误差及182022/11/26192.2.5测量电路1.直流电路2.交流电桥机械应变一般在10µε～3

000µε之间，而应变灵敏度k值较小，因此电阻相对变化是很小的，用一般测量电阻的仪表是难直接测出来，必须用专门的电路来测量这种微弱的变化。2022/11/26192.2.5测量电路192022/11/26201.直流电桥电路直流电桥电路的4个桥臂是由R1、R2、R3、R4组成，其中a、c两端接直流电压Ui，而b、d两端为输出端，其输出电压为Uo。在测量前，取R1R3=R2R4，输出电压为Uo=0。2022/11/26201.直流电桥电路直流电桥电路的4个202022/11/26211.直流电桥电路当桥臂电阻发生变化，在电桥输出端的负载电阻为无限大时，电桥输出电压可近似表示为2022/11/26211.直流电桥电路当桥臂电阻发生变化，212022/11/26221.直流电桥电路一般采用全等臂形式，即R1=R2=R3=R4=R，2022/11/26221.直流电桥电路一般采用全等臂形式，222022/11/2623电桥工作方式①半桥单臂工作方式②半桥双臂工作方式③全桥4臂工作方式2022/11/2623电桥工作方式①半桥单臂工作方式232022/11/2624①半桥单臂工作方式传感器输出的电阻变化量ΔR只接入电桥的一个桥臂中，在工作时，其余3个电阻的阻值没有变化（即ΔR2=ΔR3=ΔR4=0）。电桥的输出电压为灵敏度为2022/11/2624①半桥单臂工作方式传感器输出的电阻242022/11/2625②半桥双臂工作方式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，电桥的输出电压为

灵敏度为线性关系，温度补偿等优点。2022/11/2625②半桥双臂工作方式安装两个工作应变252022/11/2626③全桥4臂工作方式若将电桥4臂接入4片应变片，即2个受拉应变，2个受压应变，将2个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。电桥的4个桥臂的电阻值都发生变化，电桥的输出电压为

灵敏度为全桥差动电路没有非线性误差，电压灵敏度是单片的4倍，具有温度补偿作用。2022/11/2626③全桥4臂工作方式若将电桥4臂接入262022/11/2627电桥的线路补偿①零点补偿要求电桥的4个桥臂电阻值相同是不可能的，这样就使电桥不能满足初始平衡条件（即U0≠0）。为了解决这一问题，可以在一对桥臂电阻乘积较小的任一桥臂中串联一个可调电阻进行调节补偿。2022/11/2627电桥的线路补偿①零点补偿272022/11/2628

2.交流电桥由于供桥电源为交流电源，引线分布电容（

和

）使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性。2022/11/26282.交流电桥由于供桥电源282022/11/2629

2

.交流电桥交流电桥平衡调节由于分布电容的存在，交流信号的频率会影响电桥的平衡，故在使用之前，要对电桥进行平衡调节。2022/11/26292.交流电桥交流电桥平292022/11/26302.2.6应变式测力传感器应变式传感器由弹性元件、应变片、附件等组成。主要用作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。1.柱(筒)式传感器2.悬臂式传感器2022/11/26302.2.6应变式测力传感器应变式302022/11/2631应变式力传感器

应变式力传感器

FFFF2022/11/2631应变式力传感器应变式力传感器F312022/11/2632各种悬臂梁

2022/11/2632各种悬臂梁322022/11/2633各种悬臂梁

FF固定点固定点电缆2022/11/2633各种悬臂梁FF固定点固定点电缆332022/11/2634应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2R42022/11/2634应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴342022/11/2635应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF2022/11/2635应变式荷重传感器外形及受力位置（续）352022/11/2636汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）2022/11/2636汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限362022/11/2637压力传感器压力传感器主要用于测量流体的压力2022/11/2637压力传感器压力传感器主要用于测量流372022/11/2638位移传感器应变式位移传感器是把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变，然后通过应变计和应变电桥，输出正比于被测位移的电量2022/11/2638位移传感器应变式位移传感器是把被测位382022/11/2639

加速度传感器2022/11/2639加速度传感器392022/11/2640休息一下2022/11/2640休息一下402022/11/2641第2章电阻式传感器2022/11/261第2章电阻式传感器412022/11/2642引言电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。电阻式传感器的结构简单、性能稳定、灵敏度较高，有的还适合于动态测量。2022/11/262引言电阻式传感器的基本原理是将被测量的422022/11/26432.1电位器式电阻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子设备中。它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感元件，主要用于测量压力、高度、加速度、航面角等各种参数的测量2022/11/2632.1电位器式电阻传感器电位器是一种432022/11/26442.1.1电位器式电阻传感器的原理1．线性电位器式传感器2022/11/2642.1.1电位器式电阻传感器的原理1442022/11/2645非线性电位器对角位移式电位器来说，Uа与滑动臂的旋转角度成正比，即2022/11/265非线性电位器对角位移式电位器来说，Uа452022/11/26462022/11/266462022/11/2647

2.1.2电位器式电阻传感器的基本特性及误差电位器输出端接有负载电阻时，其特性称为负载特性。2022/11/2672.1.2电位器式电阻传感器的472022/11/26482.1.2电位器式电阻传感器的基本特性及误差阶梯特性及误差当电刷在多匝导线上移动时，电位器的阻值和输出电压不是连续变化，而是阶跃式地变化。阶梯误差。2022/11/2682.1.2电位器式电阻传感器的基本特482022/11/26492.1.3电位器式电阻传感器结构与材料1.线绕式电位器2.非线绕式电位器 1)合成膜电位器 2）金属膜电位器 3)导电塑料电位器 4)光电电位器2022/11/2692.1.3电位器式电阻传感器结构与材492022/11/26502.1.4电位器式位移传感器YHD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。2022/11/26102.1.4电位器式位移传502022/11/26512.2应变式电阻传感器2.2.1应变效应和应变式电阻传感器的工作原理应变效应是指导体或半导体材料在受到外界力(拉力或压力)作用时，将产生机械变形，进而导致其电阻值的变化。当电阻率ρ、长度

和面积s一定时，物体的电阻与其电阻率、长度和横截面积之间的关系，可用式表示为

2022/11/26112.2应变式电阻传感器2.2.1512022/11/26522.2.2电阻应变片的种类、材料及黏贴电阻丝式应变片基本结构应变片主要有金属应变片和半导体应变片两类。金属片有丝式、箔式、薄膜式3种电阻应变片2022/11/26122.2.2电阻应变片的种类、材料及522022/11/26532022/11/2613532022/11/2654应变片的黏贴技术应变片的检查试件的表面处理确定贴片位置黏贴应变片固化处理粘贴质量检查引出线的固定与保护防潮防蚀处理2022/11/2614应变片的黏贴技术应变片的542022/11/26552022/11/2615552022/11/26562.2.3电阻应变片的主要特性1.横向效应2.机械滞后、零漂和蠕变3.温度效应2022/11/26162.2.3电阻应变片的主要特性1562022/11/2657应变片参数（1）标准电阻值（R0）（2）绝缘电阻（RG）（3）灵敏度系数（K）（4）应变极限（ξmax）（5）允许电流（Ie）允许电流是指应变片允许通过的最大电流。（6）机械滞后2022/11/2617应变片参数（1）标准电572022/11/26582.2.4电阻应变片的温度误差及补偿电阻应变片由于温度效应引起的误差为温度误差。原因有：电阻丝的电阻率随温度发生变化；电阻丝和试件的线膨胀系数不同使其产生附加形变。1.自补偿法2.线路补偿法2022/11/26182.2.4电阻应变片的温度误差及582022/11/26592.2.5测量电路1.直流电路2.交流电桥机械应变一般在10µε～3

000µε之间，而应变灵敏度k值较小，因此电阻相对变化是很小的，用一般测量电阻的仪表是难直接测出来，必须用专门的电路来测量这种微弱的变化。2022/11/26192.2.5测量电路592022/11/26601.直流电桥电路直流电桥电路的4个桥臂是由R1、R2、R3、R4组成，其中a、c两端接直流电压Ui，而b、d两端为输出端，其输出电压为Uo。在测量前，取R1R3=R2R4，输出电压为Uo=0。2022/11/26201.直流电桥电路直流电桥电路的4个602022/11/26611.直流电桥电路当桥臂电阻发生变化，在电桥输出端的负载电阻为无限大时，电桥输出电压可近似表示为2022/11/26211.直流电桥电路当桥臂电阻发生变化，612022/11/26621.直流电桥电路一般采用全等臂形式，即R1=R2=R3=R4=R，2022/11/26221.直流电桥电路一般采用全等臂形式，622022/11/2663电桥工作方式①半桥单臂工作方式②半桥双臂工作方式③全桥4臂工作方式2022/11/2623电桥工作方式①半桥单臂工作方式632022/11/2664①半桥单臂工作方式传感器输出的电阻变化量ΔR只接入电桥的一个桥臂中，在工作时，其余3个电阻的阻值没有变化（即ΔR2=ΔR3=ΔR4=0）。电桥的输出电压为灵敏度为2022/11/2624①半桥单臂工作方式传感器输出的电阻642022/11/2665②半桥双臂工作方式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，电桥的输出电压为

灵敏度为线性关系，温度补偿等优点。2022/11/2625②半桥双臂工作方式安装两个工作应变652022/11/2666③全桥4臂工作方式若将电桥4臂接入4片应变片，即2个受拉应变，2个受压应变，将2个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。电桥的4个桥臂的电阻值都发生变化，电桥的输出电压为

灵敏度为全桥差动电路没有非线性误差，电压灵敏度是单片的4倍，具有温度补偿作用。2022/11/2626③全桥4臂工作方式若将电桥4臂接入662022/11/2667电桥的线路补偿①零点补偿要求电桥的4个桥臂电阻值相同是不可能的，这样就使电桥不能满足初始平衡条件（即U0≠0）。为了解决这一问题，可以在一对桥臂电阻乘积较小的任一桥臂中串联一个可调电阻进行调节补偿。2022/11/2627电桥的线路补偿①零点补偿672022/11/2668

2.交流电桥由于供桥电源为交流电源，引线分布电容（

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）使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性。2022/11/26282.交流电桥由于供桥电源682022/11/2669

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.交流电桥交流电桥平衡调节由于分布电容的存在，交流信号的频率会影响电桥的平衡，故在使用之前，要对电桥进行平衡调节。20