电阻式传感器47904课件

检测与传感技术E-mail：电话：2/6/20231第3章电阻式传感器电阻式传感器是一种把被测参量转换为电阻变化的传感器电位器式传感器电阻应变式传感器压阻式传感器热电阻式传感器2/6/20232一电位器式传感器

电位器主要是把机械位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压的输出。1、基本工作原理 电位器式传感器由电阻器和电刷组成，电刷触点的移动导致输出电阻的变化。2/6/202332、电位器的结构2/6/202353、输出—输入特性

线性电位器：

其中： L——电位器触点行程； x——电位器电刷位移; U——输入电压; Ux——输出电压; Rx——输出电阻;2/6/202364、电位器传感器的应用

电位器式传感器常用来测量位移、压力、加速度等参量。下图是电位器式位移传感器的结构图。被测位移使测量轴沿导轨轴向移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。2/6/20237当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长ΔL,横截面积相应减小ΔA,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ,故引起电阻值变化。导体受拉力后的变化：LrFF2/6/20239LrFFΔrΔL导体受拉力后的变化：当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长ΔL,横截面积相应减小ΔA,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ,故引起电阻值变化。2/6/202310其变化量为：其中：dl/l——长度相对变化量，用轴向应变ε表示：dA/A——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，dA=2πrdr,则

2/6/202311由于（C由材料和加工方式决定）金属导体材料的电阻率相对变化与其体积应变的关系：体积应变2/6/202313由

：对于金属材料:金属材料的应变灵敏系数Km：对于金属材料存在：对于金属材料的应变电阻以结构尺寸变化为主2/6/202314半导体材料受到应力作用时，电阻率会发生变化，这种现象称为“压阻效应”。其电阻率相对变化与材料的轴向应力σ的关系：E:——半导体材料的弹性模量π:——半导体材料在受力方向的压阻系数ε:——轴向线应变※弹性模量E为纵向应力和纵向应变之比，亦称杨式模量。※※压阻系数π为单位应力作用下电阻率的相对变化。※2/6/202315总结:电阻相对变化有两部分引起，一部分是材料受力后的几何尺寸变化（应变）；一部分是材料受力后电阻率发生的改变。

金属材料的应变电阻以结构尺寸变化为主；半导体材料的应变电阻主要基于压阻效应。通常ε很小，在应变测量中也常将之称为微应变(με)。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于1x10-3，即1000μm/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。半导体应变片突出优点是灵敏度高,比金属丝式高50～80倍,尺寸小,横向效应小,动态响应好。但它有温度系数大,应变时非线性比较严重等缺点。2/6/2023171、电阻应变式传感器电阻应变式传感器是基于应变电阻效应的电阻式传感器。其基本组成部件包括：应变片，测量电路，弹性敏感元件等。应变片是由金属或半导体制成的应变-电阻元件。当被测物理量作用在弹性元件上时,弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。2/6/202318A拉力传感器B压力传感器电阻应变式传感器（照片）2/6/202319敏感栅是应变片的核心部分,它粘贴在绝缘的基片上,其上再粘贴起保护作用的覆盖层,两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有三种:金属丝式应变片金属箔式应变片金属薄(厚)膜应变片<0.1μm0.003~0.01mm光刻腐蚀复杂形通流大电阻分散性大0.15~0.30mm简单成本低横向效应大电阻值高更小更精确2/6/2023212/6/2023222/6/2023232/6/2023251.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。

现场应变片的粘贴

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2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。现场应变片的粘贴

2/6/2023274.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。

现场应变片的粘贴

2/6/2023295.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。

现场应变片的粘贴

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当应变片安装于试件表面时，只受轴线方向的单位应力作用，灵敏系数k为：电阻应变片的灵敏系数2/6/202331

敏感栅通常有多条轴向纵栅和圆弧横栅组成，当试件承受单向应力时，其表面处于平面应变状态，即轴向拉伸ex和横向收缩ey，会引起的总电阻的变化。2/6/202332

由轴向拉伸ex和横向收缩ey，引起的总电阻的变化为：

：——纵向灵敏系数；：——横向灵敏系数 ：——泊松比；：——横向效应系数其中即为横向效应引起的误差。为减小横向效应，可采用直角线栅式或箔式应变式传感器。2/6/2023333.测量原理用应变片测量时，将其粘贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，这是用来直接测量应变。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，则可用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。2/6/202334应变片之所以应用得比较广泛，是由于它有如下的优点：测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，可测，误差小于1%。应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可用于动态测量。测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从1%～2%。适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。便于多点测量、远距离测量和遥测。价格便宜，品种多，工艺较成熟。2/6/2023354、温度误差及补偿

a)电阻温度系数的影响

敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表：Rt=R0（1+a0Δt）

式中:Rt——温度为t℃时的电阻值;R0——温度为t0℃时的电阻值;a0——金属丝的电阻温度系数;Δt——温度变化值,Δt=t–t0。当温度变化Δt时,电阻丝电阻的变化值为ΔRt=Rt-R0=R0a0Δt

2/6/202336b)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时,不论环境温度如何变化,电阻丝的变形仍和自由状态一样,不会产生附加变形。当试件和电阻丝线膨胀系数不同时,由于环境温度的变化,电阻丝会产生附加变形,从而产生附加电阻。2/6/202337设电阻丝和试件在温度为0℃时的长度均为L0，它们的线膨胀系数分别为βs和βg，若两者不粘贴,则它们的长度分别为:Ls=L0（1+βsΔt）

Lg=L0（1+βgΔt）2/6/202338 当二者粘贴在一起时,电阻丝产生的附加变形ΔL,附加应变eβ和附加电阻变化ΔRβ分别为：ΔL=Lg-Ls=（βg-βs）L0Δt

eβ=ΔL/L0=（βg-βs）ΔtΔRβ=K0R0eβ=K0R0(βg-βs)Δt2/6/202339

可得温度变化引起的总电阻的变化： 2/6/202340折合成附加应变量或虚假的应变et,有

et是因为温度变化引起的测量误差。 消除这种误差的温度补偿的办法有：2/6/202341（1）线路补偿法：将两个参数相同的应变片贴在试件上，温度没变化之前满足电桥平衡条件R1=R2，R3=R4；温度变化后仍满足电桥平衡条件R1BR2R3R4U0UR1FF补偿块试件2/6/202342

（2）应变片的自补偿法：令

2/6/2023435、电阻应变片的测量电路由于机械应变一般都很小,要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来,需要有专用测量电路,通常采用直流电桥和交流电桥。（1）直流电桥直流电桥开路输出电压2/6/202344当电桥平衡时,Uo=0,则有：设电桥为开路情况，当产生应变时,若应变片电阻变化为ΔR,其它桥臂固定不变,电桥输出电压Uo≠0,则电桥不平衡输出电压为：设桥臂比n=R2/R1,并忽略分母中ΔR1/R1电压灵敏度2/6/202345分析电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压,

供电电压越高,电桥电压灵敏度越高,但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制,所以要作适当选择;电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数,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。电桥电压灵敏度2/6/202346由dKU/dn=0求KU的最大值,得求得n=1时,KU为最大值。这就是说,在电桥电压确定后,当R1=R2=R3=R4时,电桥电压灵敏度最高,此时有2/6/202347非线性误差及其补偿方法输出电压因略去分母中的ΔR1/R1项而得出的是理想值,而实际值计算应为非线性误差为γL=2/6/202348如果是四等臂电桥,R1=R2=R3=R4,则对于一般应变片来说,所受应变ε通常在5×10-3以下,若取KU=2,则ΔR1/R1=KUε=0.01,计算得非线性误差为0.5%;若KU=130,ε=1×１0-3时,ΔR1/R1=0.130,则得到非线性误差为6%,故当非线性误差不能满足测量要求时,必须予以消除。2/6/202349采用差动电桥减小和克服非线性误差拉应变R1+ΔR1

压应变R2-ΔR2半桥2/6/202350特点：线性灵敏度提高一倍具有温度补偿2/6/202351灵敏度是单片的4倍具有温度补偿全桥2/6/202352（2）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。由于供桥电源为交流电源,引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性。2/6/2023532/6/202354要满足电桥平衡条件,则有Z1Z4=Z2Z3可得整理得交流电桥的平衡条件为:当被测应力变化引起Z1=Z0+ΔZ,Z2=Z0-ΔZ变化时,则电桥输出为2/6/202355

对交流电桥,除要满足电阻平衡条件外,还必须满足电容平衡条件。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。2/6/2023566、应用

应变片的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。

电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。

2/6/202357（1）应变片力传感器被测物理量：荷重或力

主要用途：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测等。采用弹性元件：柱式、环式、梁式等。2/6/202358a）柱（筒）式力传感器

弹性元件的高度对传感器的精度和动特性有影响。实心圆柱，一般取空心圆柱，一般取

其中：H为圆柱高度，D为圆柱外径，d为圆柱内径，l为应变片基长。(a)(b)2/6/202359R1R3R5R7R6R8R2R4(d)UoU&¡«(c)R1R5R2R6R3R7R4R8柱式力传感器结构简单，可测量大的拉、压力，最大可达107N。2/6/202360FR1R2R4传感器的外形应变片的粘贴位置2/6/202361FF汽车衡2/6/202362汽车衡2/6/202363汽车衡2/6/202364汽车衡称重系统2/6/202365电子秤

磅秤超市打印秤远距离显示2/6/202366电子天平电子天平的精度可达十万分之一2/6/202367人体秤

2/6/202368吊钩秤

便携式2/6/202369应变式数显扭矩扳手

可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2~500N.m，耗电量≤10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。2/6/202370b）环式力传感器环式力传感器在外力F作用下，各点的应力差别较大。对于R/h>5的曲率圆环，在载荷F作用下，A、B两点间的应变为：

式中h为薄壁厚度，r为外径，b为宽度。2/6/202371c）悬臂梁式力传感器应变片贴在固定端附近表面，顺梁方向上、下各贴两片，两片受压、另两片受拉，将其组成全桥差动电路。既提高输出电压灵敏度，又减小非线性误差。2/6/202372各种悬臂梁

FF固定点固定点电缆2/6/202373（2）应变片压力传感器应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力。如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力变化等。弹性元件多采用膜片式或筒式。膜片式压力传感器应变片粘贴应变变化图2/6/202374应变片贴在膜片内壁,在压力p作用下,膜片产生径向应变εr和切向应变εt,表达式分别为:式中:p——膜片上均匀分布的压力;R,h——膜片的半径和厚度;x——离圆心的径向距离。由应力分布图可知,膜片弹性元件承受压力p时,其应变变化曲线的特点为:当x=0时,εrmax=εtmax；当x=R时,εt=0,εr=-2εrmax；当x=时,εr=0

。由此，在平膜片圆心处切向粘贴R1和R4两应变片，在边沿处径向粘贴R2和R3两应变片，避开x=位置。2/6/202375（3）应变式容器内液体重量传感器

传感器有一根传压杆，上端安装微压传感器，为了提高灵敏度，共安装两只。下端装有感压膜，感压膜感受上面液体的压力。当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。2/6/202376

将其上两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为：

式中，K1、K2为传感器传输系数。由于hpg表示感压膜上面液体重量，对于等截面柱式容器，有：

式中Q为容器内感压膜上面溶液重量，A为柱形容器的截面积。由此可得容器内感压膜上面溶液重量与电桥输出电压之间的关系：

结论：电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系，因此可以测量容器内储存的溶液重量。2/6/202377（4）应变式加速度传感器

适用于物体加速度的测量。依据：将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度a运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压，即可得出加速度a值的大小。适用范围：不适用于频率较高的振动和冲击场合，一般适用频率为10~60Hz范围。

2/6/202378三、固态压阻式传感器根据压阻效应制成的传感器为压阻式传感器。一种粘贴式应变片一种利用工艺在半导体材料上制成扩散电阻其优点：（1）体积小；（2）灵敏度高； （3）分辨力高；（4）频率响应很高；（5）可测量低频加速度和直线加速度。主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。半导体材料对温度非常敏感，压阻式传感器的阻值与灵敏度系数易随温度变化产生零漂和灵敏度飘移。温度误差较大，必须进行温度补偿。

2/6/202379温度补偿方法：1、高掺杂浓度

浓度低－→压阻系数大、温度系数大浓度高－→温度系数很小、压阻灵敏度系数低2、等臂扩散电阻电桥3、串并联电阻补偿电路调零漂：并联电阻R——负温度系数串联电阻Rs——正温度系数调灵敏度温漂：串联负温度特性二极管VD1和VD2——一般不采用——工艺难实现2/6/202380压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片隔离开来。2/6/202381压阻式固态压力传感器内部结构信号处理电路2/6/202382小型压阻式固态压力传感器高压进气口低压进气口绝对压力传感器2/6/202383小型压阻式固态压力传感器表压压力传感器p1进气管2/6/202384投入式液位计

压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。

2/6/202385投入式液位计外形压阻式固态压力传感器

光柱显示器

橡胶背压管

2/6/202386投入式液位传感器

投入式液位传感器安装方便，适应于深度为几米至几十米，且混有大量污物、杂质的水或其他液体的液位测量。

2/6/202387材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试

2/6/202388四、热电阻和热敏电阻利用电阻随温度变化而制成的传感器称为电阻式温度传感器。分为：金属热电阻和半导体热敏电阻2/6/2023891、金属热电阻电阻温度系数大而稳定；电阻率要大；微小的温度传感器

电阻温度系数保持单值,最好为常数；金属的物理、化学性能稳定；电阻材料条件目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。2/6/202390易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻

2/6/202391(a)铂电阻：铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠,所以在温度传感器中得到了广泛应用。按IEC标准,铂热电阻的使用温度范围为-200~+850℃。()[][][][]ooooo850,010,200100120320Î++=-Î-+++=tBtAtRRttCtCBtAtRRtt2/6/2023922/6/202393（b）铜电阻精度要求不高，温度较低的场合易氧化，体积大，但便宜2/6/202394小型铂热电阻

2/6/202395它由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等部分组成。电阻体由电阻丝和电阻支架组成。电阻丝采用双线无感绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上,支架起支撑和绝缘作用,引出线通常采用直径1mm的银丝或镀银铜丝,它与接线盒柱相接,以便与外接线路相连而测量显示温度。工业用热电阻结构2/6/2023962/6/202397防爆型铂热电阻

2/6/202398用热电阻传感器进行测温时,测量电路经常采用电桥电路。而热电阻与检测仪表相隔一段距离,因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。热电阻引线方式有两线制、三线制和四线制三种。二线制中引线电阻对测量影响大,用于测温精度不高场合。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响,用于高精度温度检测2/6/2023992/6/2023100汽车用水温传感器及水温表

铜热电阻2/6/2023101铂电阻温度显示、变送器2/6/2023102可设定温度的温度控制箱

旋转式机械设定开关拨码式设定开关2/6/20231032、热敏电阻 a)温度特性 （1）负温度系数电阻（NTC） （2）正温度系数电阻（PTC） （3）临界温度系数电阻（CTC