Xie第三章2电阻式传感器解读课件

主讲：谢榕武汉大学国际软件学院Email:xierong2008@传感器原理及其应用主讲：谢榕传感器原理及其应用第三章传感器基本原理（1）

−电阻式传感器内容提要：电阻式传感器概述电位器式传感器应变式传感器压阻式传感器第三章传感器基本原理（1）

−电阻式传感器内容提要：1.电阻式传感器概述基本原理：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。按工作的原理分类：变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式等。用途：测量位移、力、压力、应变、扭矩和加速度等非电量。电位器式传感器应变式传感器压阻式传感器1.电阻式传感器概述基本原理：将被测量的变化转换成传感元件电部分实物部分实物2.电位器式传感器基本原理：电位器是一个机电传感元件，作为传感器可将机械位移或其它能转换为位移的非电量转换为与其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起输出电压的变化。2.电位器式传感器基本原理：电位器是一个机电传感元件，作为传种类基本原理特点缺点线绕电位器由电阻系数很高的极细导线按一定规律绕在绝缘骨架上，用电刷调节阻值大小结构简单，尺寸小，输出特性精度高且稳定，输出信号大，受环境影响小由于电阻元件与电刷间的摩擦，可靠性和寿命易受影响，分辨力也较低合成膜电位器由电阻液（石墨、碳黑、树脂等材料配置而成）喷涂在绝缘骨架表面上形成电阻膜分辨力高、阻值范围宽、耐磨性好、工艺简单、成本低，线性度在1%左右接触电阻大、抗潮性差、噪声较大金属膜电位器在玻璃或陶瓷基体上用真空蒸发或电镀的方法涂覆一层金属复合膜而制成电阻系数小，分辨力高，可工作在高温环境耐磨性差、功率小、阻值较低（1KΩ~2KΩ）导电塑料电位器由塑料粉及导电材料（如金属合金、碳黑、石墨）的粉料经塑压而成耐磨性极高，电刷接触压力要求较大，抗冲击振动性能好，分辨力高，线性度一般2%，阻值范围大，功率大阻值易受温、湿度影响、接触电阻大、精度不高导电玻璃釉电位器以合金（如钯银）、合金氧化物（如二硅化钼）、难溶化合物（如碳化钨）等为电阻材料，以玻璃釉粉为粘合剂烧结在陶瓷或玻璃基体上制成分辨力很高、耐磨、耐高温、抗湿、阻值范围广、电阻温度系数小（约±2.5×10-4/℃）精度不高、接触电阻大电位器式传感器的种类种类基本原理特点缺点线绕电位器由电阻系数很高的极细导线按一定线绕电位器结构图123132直线型旋转型线绕电位器式传感器的结构线绕电位器实物图UiRx0Rx等效电路线绕电位器结构图123132直线型旋转型线绕电位器V0rRVix图中：Vi—电位器输入电压；V0—电位器输出电压；

R—电位器总电阻；L—电位器总行程；

x—电刷行程；r—电刷行程x处对应电阻；

b—骨架宽度；h—骨架高度；

t—线绕节距；RL—负载电阻线性线绕电位器电输出特性RL

IV0rRVix图中：Vi—电位器输入电压；V0—电位

阶跃值为V视在分辨力n

电位器线圈总匝数如Vi＝10V，n＝100匝，则V＝0.1V，输出电压以0.1V的阶跃形式增加，即为输入电压的1％，不能给出小于0.1V的电压变化。视在分辨力阶跃值为V视在分辨力如Vi＝10V，n＝100匝，则在RL≠条件下，输出电压Vo的表达式为

显然RL＝时，由负载电阻为有限值产生的相对负载误差为：负载误差VorRVixRL

I在RL≠条件下，输出电压Vo的表达式为显然RL＝时，若令负载系数m＝R/RL，行程比X＝r/R=x/L，则有对rL求一阶导数取rL的极大值，，亦即相对负载误差在x=1/2L处有极值。（负载误差最大）如何求rL的极大值？若令负载系数m＝R/RL，行程比X＝r/R=x/L，则有对r3.应变式传感器金属的应变效应：根据电阻定律，金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应的变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。工作原理：基于金属的应变效应设计而成的。3.应变式传感器金属的应变效应：根据电阻定律，金属丝的电阻随结论：金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。金属丝受拉时，l、r和R将如何变化？结论：金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。金属丝受拉时应变片的结构应变片由电阻丝（敏感栅）、基底、引线和粘合剂组成。敏感栅由很细的电阻丝（0.010.05mm）或箔式金属片（厚度为310m）组成。敏感栅常用材料康铜（铜镍合金）：最常用；镍鉻合金：多用于动态；镍鉻铝合金：作中、高温应变片；镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片；铂及铂合金：高温动态应变测量。应变片的结构应变片由电阻丝（敏感栅）、基底、引线和粘合剂组成应变片的特性应变片的特性机械应变一般都很小,应该采用什么测量转换电路？把微小应变引起的微小电阻变化测量出来；同时把电阻相对变化ΔR/R转换为电压或电流的变化。通常采用直流电桥和交流电桥。电阻应变片的测量转换电路通常采用直流电桥和交流电桥。电阻应变片的测量转换电路直流电桥电路组成：由四个桥臂R1、R2、R3及R4和一个供桥电源U组成。

其中，RL负载电阻Uo电桥输出电压电路特点：当被测量无变化，四桥臂满足一定关系，输出为零；当被测量发生变化时，测量电桥平衡被破坏，有电压输出。R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋惠斯顿电桥直流电桥电路特点：R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋当电桥平衡时,Uo=0,则有R1R4=R2R3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相等。结论：或电桥平衡条件R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋当电桥平衡时,UR1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋（1）R2,R3,R4为电桥固定电阻构成单臂电桥R1为电阻应变片电压灵敏度R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋（1）R2,R3（2）当R1产生应变时,若应变片电阻变化为ΔR1，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo≠0。R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋电桥不平衡输出电压为:设桥臂比n=R2/R1考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3且ΔR1/R1很小可忽略（2）当R1产生应变时,若应变片电阻变化为ΔR1，其它桥臂电桥电压灵敏度定义为：R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋电桥不平衡输出电压为:分析可知：①电桥电压灵敏度Ku正比于电桥供电电压U但供电电压U的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择;②电桥电压灵敏度Ku=Ku(n)，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。U↑→Ku↑电桥电压灵敏度定义为：R1R2R3R4BDUoUACRLIL理想值实际值非线性误差及其补偿方法非线性误差是否能满足测量要求？理想值实际值非线性误差及其补偿方法非线性误差是否讨论：非线性误差是否能满足测量要求？对一般应变片来说，所受应变ε通常在5×10-3以下。（1）若取K=2,则ΔR1/R1=Kε=0.01,代入上式计算得非线性误差为0.5%;（2）若K=130,ε=1×１0-3时,ΔR1/R1=0.130,则得到非线性误差为6%。利用和两式，有：结论：K较小时，非线性误差能满足测量要求；当K↑到某值时，非线性误差已不能满足测量要求。必须予以减小和克服非线性误差。讨论：非线性误差是否能满足测量要求？对一般应变片来说，所受应差动电桥：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。差动电桥：在试件上安装两个工作应变片,一个受拉应变,一个R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋单臂电桥R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋双臂电桥（半桥式）R1测量R2R4R3abUoU单臂工作R1测量R2R4R3abUoU测量双臂工作R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋单臂电桥R1R2R测量R1R2R4R3abUoU测量半桥式（双臂工作）该电桥输出电压为：若则得结论呈线性关系；无非线性误差；电桥电压灵敏度K=U

/2，比单臂工作时提高一倍。测量R1R2R4R3abUoU测量半桥式（双臂工作）该电桥输存在的不足应变片R1工作时,电阻值变化很小，即△R1很小电桥相应输出电压也很小，即Uo很小放大器R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋放大器输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，即Ri>>Ro，存在零点漂移。一般需要加入放大器放大交流电桥存在的不足放大器R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋放交流电桥：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。电路特点由于供桥电源为交流电源,引线分布电容使得桥臂应变片呈现复阻抗特性。相当于二只应变片各并联了一个电容,则每一桥臂上复阻抗分别为：R1R2R3R4BDACRLIL~C1C2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,由交流电路分析可得要满足电桥平衡条件,即Uo=0,则有·Z1

Z4=Z2

Z3其实部、虚部分别相等,并整理可得:平衡条件电阻平衡条件电容平衡条件交流电桥的平衡条件：即要满足电阻平衡条件，还要满足电容平衡条件。由交流电路分析可得要满足电桥平衡条件,即Uo=0,则有·几何尺寸：敏感栅基长、基宽、应变片的基底长和基底宽；初始电阻：未粘贴前，在室温下测得的电阻(常用120Ω)；绝缘电阻：敏感栅与基底间的电阻值；允许工作电流：最大的工作电流。应变片的主要参数几何尺寸：敏感栅基长、基宽、应变片的基底长和基底宽；应变片的压阻式传感器：利用硅的压阻效应和微电子技术制成。特点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化。半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器力敏电阻与硅膜片一体化扩散型压阻传感器4.压阻式传感器压阻效应：固体受到作用力后，电阻率发生变化的现象。所有材料在某种程度都呈现压阻效应，在半导体材料中，这种效应特别显著。压阻式传感器：利用硅的压阻效应和微电子技术制成。半导体应变片金属应变片发生应变后，使导体的几何尺寸发生改变阻值变化半导体材料的电阻大小取决于有限数目的载流子空穴和电子的迁移。加在一定晶向上的外界应力，引起半导体能带的变化，使载流子的迁移率产生较大的变化，导致半导体电阻率产生相应的变化。金属应变片发生应变后，使导体的几何尺寸发生改变阻值变化Xie第三章2电阻式传感器解读课件温度性能压阻器件的阻值和灵敏度系数受温度影响较大，会产生零位温度漂移和灵敏度温度漂移。对于零位温度漂移一般采用桥臂上串、并联电阻的方法进行补偿。线性度对于扩散型压阻器件，由于表面参杂浓度很高，非线性项很小，因此压阻电桥输出的线性度比较好（在有效测量范围内）。压阻器件的特性温度性能压阻器件的特性5.电阻式传感器应用例1：应变片在悬臂梁上的粘贴及变形原理：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。5.电阻式传感器应用例1：应变片在悬臂梁上的粘贴及变形原理：主讲：谢榕武汉大学国际软件学院Email:xierong2008@传感器原理及其应用主讲：谢榕传感器原理及其应用第三章传感器基本原理（1）

−电阻式传感器内容提要：电阻式传感器概述电位器式传感器应变式传感器压阻式传感器第三章传感器基本原理（1）

−电阻式传感器内容提要：1.电阻式传感器概述基本原理：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。按工作的原理分类：变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式等。用途：测量位移、力、压力、应变、扭矩和加速度等非电量。电位器式传感器应变式传感器压阻式传感器1.电阻式传感器概述基本原理：将被测量的变化转换成传感元件电部分实物部分实物2.电位器式传感器基本原理：电位器是一个机电传感元件，作为传感器可将机械位移或其它能转换为位移的非电量转换为与其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起输出电压的变化。2.电位器式传感器基本原理：电位器是一个机电传感元件，作为传种类基本原理特点缺点线绕电位器由电阻系数很高的极细导线按一定规律绕在绝缘骨架上，用电刷调节阻值大小结构简单，尺寸小，输出特性精度高且稳定，输出信号大，受环境影响小由于电阻元件与电刷间的摩擦，可靠性和寿命易受影响，分辨力也较低合成膜电位器由电阻液（石墨、碳黑、树脂等材料配置而成）喷涂在绝缘骨架表面上形成电阻膜分辨力高、阻值范围宽、耐磨性好、工艺简单、成本低，线性度在1%左右接触电阻大、抗潮性差、噪声较大金属膜电位器在玻璃或陶瓷基体上用真空蒸发或电镀的方法涂覆一层金属复合膜而制成电阻系数小，分辨力高，可工作在高温环境耐磨性差、功率小、阻值较低（1KΩ~2KΩ）导电塑料电位器由塑料粉及导电材料（如金属合金、碳黑、石墨）的粉料经塑压而成耐磨性极高，电刷接触压力要求较大，抗冲击振动性能好，分辨力高，线性度一般2%，阻值范围大，功率大阻值易受温、湿度影响、接触电阻大、精度不高导电玻璃釉电位器以合金（如钯银）、合金氧化物（如二硅化钼）、难溶化合物（如碳化钨）等为电阻材料，以玻璃釉粉为粘合剂烧结在陶瓷或玻璃基体上制成分辨力很高、耐磨、耐高温、抗湿、阻值范围广、电阻温度系数小（约±2.5×10-4/℃）精度不高、接触电阻大电位器式传感器的种类种类基本原理特点缺点线绕电位器由电阻系数很高的极细导线按一定线绕电位器结构图123132直线型旋转型线绕电位器式传感器的结构线绕电位器实物图UiRx0Rx等效电路线绕电位器结构图123132直线型旋转型线绕电位器V0rRVix图中：Vi—电位器输入电压；V0—电位器输出电压；

R—电位器总电阻；L—电位器总行程；

x—电刷行程；r—电刷行程x处对应电阻；

b—骨架宽度；h—骨架高度；

t—线绕节距；RL—负载电阻线性线绕电位器电输出特性RL

IV0rRVix图中：Vi—电位器输入电压；V0—电位

阶跃值为V视在分辨力n

电位器线圈总匝数如Vi＝10V，n＝100匝，则V＝0.1V，输出电压以0.1V的阶跃形式增加，即为输入电压的1％，不能给出小于0.1V的电压变化。视在分辨力阶跃值为V视在分辨力如Vi＝10V，n＝100匝，则在RL≠条件下，输出电压Vo的表达式为

显然RL＝时，由负载电阻为有限值产生的相对负载误差为：负载误差VorRVixRL

I在RL≠条件下，输出电压Vo的表达式为显然RL＝时，若令负载系数m＝R/RL，行程比X＝r/R=x/L，则有对rL求一阶导数取rL的极大值，，亦即相对负载误差在x=1/2L处有极值。（负载误差最大）如何求rL的极大值？若令负载系数m＝R/RL，行程比X＝r/R=x/L，则有对r3.应变式传感器金属的应变效应：根据电阻定律，金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应的变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。工作原理：基于金属的应变效应设计而成的。3.应变式传感器金属的应变效应：根据电阻定律，金属丝的电阻随结论：金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。金属丝受拉时，l、r和R将如何变化？结论：金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。金属丝受拉时应变片的结构应变片由电阻丝（敏感栅）、基底、引线和粘合剂组成。敏感栅由很细的电阻丝（0.010.05mm）或箔式金属片（厚度为310m）组成。敏感栅常用材料康铜（铜镍合金）：最常用；镍鉻合金：多用于动态；镍鉻铝合金：作中、高温应变片；镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片；铂及铂合金：高温动态应变测量。应变片的结构应变片由电阻丝（敏感栅）、基底、引线和粘合剂组成应变片的特性应变片的特性机械应变一般都很小,应该采用什么测量转换电路？把微小应变引起的微小电阻变化测量出来；同时把电阻相对变化ΔR/R转换为电压或电流的变化。通常采用直流电桥和交流电桥。电阻应变片的测量转换电路通常采用直流电桥和交流电桥。电阻应变片的测量转换电路直流电桥电路组成：由四个桥臂R1、R2、R3及R4和一个供桥电源U组成。

其中，RL负载电阻Uo电桥输出电压电路特点：当被测量无变化，四桥臂满足一定关系，输出为零；当被测量发生变化时，测量电桥平衡被破坏，有电压输出。R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋惠斯顿电桥直流电桥电路特点：R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋当电桥平衡时,Uo=0,则有R1R4=R2R3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相等。结论：或电桥平衡条件R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋当电桥平衡时,UR1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋（1）R2,R3,R4为电桥固定电阻构成单臂电桥R1为电阻应变片电压灵敏度R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋（1）R2,R3（2）当R1产生应变时,若应变片电阻变化为ΔR1，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo≠0。R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋电桥不平衡输出电压为:设桥臂比n=R2/R1考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3且ΔR1/R1很小可忽略（2）当R1产生应变时,若应变片电阻变化为ΔR1，其它桥臂电桥电压灵敏度定义为：R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋电桥不平衡输出电压为:分析可知：①电桥电压灵敏度Ku正比于电桥供电电压U但供电电压U的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择;②电桥电压灵敏度Ku=Ku(n)，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。U↑→Ku↑电桥电压灵敏度定义为：R1R2R3R4BDUoUACRLIL理想值实际值非线性误差及其补偿方法非线性误差是否能满足测量要求？理想值实际值非线性误差及其补偿方法非线性误差是否讨论：非线性误差是否能满足测量要求？对一般应变片来说，所受应变ε通常在5×10-3以下。（1）若取K=2,则ΔR1/R1=Kε=0.01,代入上式计算得非线性误差为0.5%;（2）若K=130,ε=1×１0-3时,ΔR1/R1=0.130,则得到非线性误差为6%。利用和两式，有：结论：K较小时，非线性误差能满足测量要求；当K↑到某值时，非线性误差已不能满足测量要求。必须予以减小和克服非线性误差。讨论：非线性误差是否能满足测量要求？对一般应变片来说，所受应差动电桥：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。差动电桥：在试件上安装两个工作应变片,一个受拉应变,一个R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋单臂电桥R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋双臂电桥（半桥式）R1测量R2R4R3abUoU单臂工作R1测量R2R4R3abUoU测量双臂工作R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋单臂电桥R1R2R测量R1R2R4R3abUoU测量半桥式（双臂工作）该电桥输出电压为：若则得结论呈线性关系；无非线性误差；电桥电压灵敏度K=U

/2，比单臂工作时提高一倍。测量R1R2R4R3abUoU测量半桥式（双臂工作）该电桥输存在的不足应变片R1工作时,电阻值变化很小，即△R1很小电桥相应输出电压也很小，即Uo很小放大器R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋放大器输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，即Ri>>Ro，存在零点漂移。一般需要加入放大器放大交流电桥存在的不足放大器R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋放交流电桥：根据直流电桥分析可知,由于应变电桥输