电阻式传感器课件

电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，其基本原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而最后显示被测量值的变化。电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等测试系统。目前已成为生产过程检测以及实现生产自动化不可缺少的手段之一。电阻式传感器电阻式传感器电位计式电阻式传感器应变式电阻式传感器线绕式非线绕式金属应变片半导体应变片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、航面角等各种参数。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非线性电位器。目前常用的以单圈线绕电位器居多。第一节电位器式电阻传感器1、工作原理（1）空载时RL→∞

对应电阻的变化即一、线绕式电位器传感器其中为线绕电位器的电阻灵敏度。它表示电刷单位位移所能引起的输出电阻的变化量。其中为线绕电位器的电压灵敏度。它表示电刷单位位移所能引起的输出电压的变化量。SR、SV均为常数。改变测量电阻值Rx所引起输出电压U0的变化为线性变化。（2）有载时RL≠∞RL≠0且设电阻的相对变化电位器负载系数的倒数电刷的相对行程电位器相对输出电压分子分母同除以R2得：负载电阻

RL≠0

，Y与r为非线性。

电位器式传感器输出与输入的关系是非线性的，这是由于负载不是无穷大引起的，叫做有负载引起的非线性误差Ef。其中由在输出电压，为空载输出电压。当r=1/2时，有极大值：实际上，r=2/3时非线性误差才达最大值。KL=RL/R251010.1Efmax1%2.4%20%71.4%（1）阶梯特性电刷每移动一匝线圈输出电压产生一次跳动，其阶跃值为：

当电刷丛m-1匝移动到匝m时，电刷瞬间使两相邻匝线短路，在每一个电压阶跃中产生一次小阶跃，这个小阶跃电压为：2、线绕式电位器传感器输出特性将阶梯特性曲线理想化为下列曲线：（2）电压分辨率

线绕式电位器的电压分辨率是指在电刷行程内电位器输出电压阶梯的最大值与最大输出电压之比的百分数：行程分辨率：（3）阶梯误差阶梯特性曲线围绕理论特型直线上下波动，从而产生偏差，这种偏差成为阶梯误差。用理想阶梯特性曲线对理论特性曲线的最大偏差于最大输出电压值之比的百分数表示：例：线绕式电位计：b=20mm，h=15mm，l=20mm。导线直径为d=0.2mm，电阻率为ρ=13.5×10-7Ωm，电流为I=50mA，求：R,SV,SR,ei,Re。解：n=l/d=20/0.2=100匝

L=2(b+h)n=7mR=ρL/S=300ΩSR=R/l=300/20=15Ω/mmSV=ISR=750mV/mm

hbl3、非线性线绕电位器

为了控制过程需要，输入量位移x和输出电压U0之间要求呈现某种特殊函数规律变化。非线性电位器是指在空载时其输出电压(或电阻)与电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器，也称函数电位器。常用的非线性线绕电位器有变骨架式(用曲线骨架绕制的非线性变阻器)、变节距式(三角函数变阻器)、分路电阻式(用分段法制成的非线性变阻器)及电位给定式四种。用曲线骨架绕制的非线性变阻器三角函数变阻器用分段法制成的非线性变阻器二、非线绕式电位器

线绕式电位器具有精度高、性能稳定、易于实现线性变化等优点，缺点为分辨率低、耐磨性差、寿命较短等。采用特种功能材料代替电阻丝而制成非线绕式电位器。1、膜式电位器（1）碳膜电位器：在绝缘架上喷涂一层均匀的电阻液，经烘干聚合后而制成电阻膜。优点是分辨率高、耐磨性好、工艺简单、成本较低、线性度较好，缺点是接触电阻大、噪声大。（2）金属膜电位器：在基体上用高温蒸镀或电镀的方法，涂敷一层金属膜而制成。金属膜一般用锗铑、铂铜、铂铑等合金。优点是温度系数小，可工作在高温下，缺点是耐磨性差、功率小、阻值不高。2、导电塑料电位器有塑料粉和导电材料粉压制而成，称为实心电位器。优点是耐磨性较好、寿命较长、电刷允许的接触压力较大，缺点是温度影响较大、接触电阻大、精度不高。3、光电电位器在基体上沉积一条金属导电条作导电电极和一条薄膜电阻带，两者之间有一定间隙，在其上再沉积一层光电导层，电刷用窄光束代替，亮电阻在零点几个欧姆，暗电阻为106~107Ω，有的可达108Ω。优点：耐磨性好，精度、分辨率高，寿命长。缺点：结构较复杂，工作范围窄。第二节应变式电阻传感器

电阻应变片是利用电阻应变效应原理制成的、应用最为广泛的电阻式传感器，主要用于机械量的检测中，如力、力矩、压力、加速度、质量等物理量的检测。一、应变效应

当金属丝（或半导体）在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属（或半导体）的电阻应变效应。二、电阻应变片种类、结构和工作原理1、种类与结构按构成的材料分为：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。

a、金属应变片：电阻丝应变片由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。电阻应变片结构示意图34

21bl栅长栅宽（1）

敏感栅由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。（2）

基底和盖片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，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。（3）

引线

是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。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。大多数敏感栅材料都可制作引线。（4）

粘结剂

用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。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。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。金属箔式应变片

金属箔式应变片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，而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图。金属箔的厚度—般为(0.003～0.010)mm，它的基片和盖片多为胶质膜，基片厚度一般为(0.03～0.05)mm。b、半导体电阻应变片112233体型半导体应变片

半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称为半导体的压阻效应。

半导体应变片有以下几种类型：（1）体型半导体应变片这是一种将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片，其结构如图所示。

2）薄膜型半导体应变片这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成，其结构示意图见图1。

3）扩散型半导体应变片将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。图2为扩散型半导体应变片示意图。这是一种应用很广的半导体应变片。1234图1薄膜型半导体应变片1–锗膜2--绝缘层3–金属箔基底4--引线21345图2扩散型半导体应变片1--N型硅2--P型硅扩散层3--二氧化硅绝缘层4–铝电极5--引线型号的编排规则电阻应变计型号的编排规则如下：类别、基底材料种类、标准电阻---敏感栅长度、敏感栅结构形式、极限工作温度、自补偿代号（温度和蠕变补偿）及接线方式。如BF350--3AA80（23）N6–X的含义是：

I.

B:表示应变计类别(B:箔式;T:特殊用途;Z:专用(特指卡玛箔))；

II.

F:表示基底材料种类(B:玻璃纤维增强合成树脂;F:改性酚醛;A:聚酰亚胺;E:酚醛-缩醛;Q:纸浸胶;J:聚氨酯)；

III.

350:表示应变计标准电阻；

IV.

3表示敏感栅长度（mm）；

V.

AA表示敏感栅结构形式；

VI.

80表示极限工作温度（℃）；

VII.

23表示温度自补偿或弹性模量自补偿代号(9:用于钛合金;M23:用于铝合金;11:用于合金钢、马氏体不锈钢和沉淀硬化型不锈钢;16:用于奥氏体不锈钢和铜基材料;23:用于铝合金;27:用于镁合金;)；

VIII.

N6表示蠕变自补偿标号(蠕变标号:T8，T6，T4，T2，T0，T1,T3,T5,N2，N4，N6，N8，N0，N1，N3，N5，N7，N9)；

Ⅸ.X表示接线方式(X:标准引线焊接方式;D:点焊点;C:焊端敞开式;U:完全敞开式，焊引线;F:完全敞开式，不焊引线；X**:特殊要求焊圆引线，**表示引线长度；BX**：特殊要求焊扁引线，**表示引线长度；Q**:焊接漆包线，**表示引线长度；G**:焊接高温引线，**表示引线长度)。

设有一根长度为l、截面积为A、电阻率为ρ的金属丝，其电阻R为

两边取对数，得等式两边取微分，得

——电阻的相对变化；——电阻率的相对变化；

——金属丝长度相对变化，用εx表示，εx

=称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；——截面积的相对变化。2、工作原理

(1)金属丝式应变片的工作原理dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εy。A=πr2εy=–μεx由材料力学知

金属丝电阻的相对变化与金属丝的轴向应变之间存在比例关系。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。dA

/A=2·dr/rμ为材料的泊松系数KS物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。

KS由两部分组成：前一部分是（1+2μ），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；后一部分为，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。对金属材料，以前者为主，则KS≈1+2μ；对半导体，KS值主要由电阻率相对变化所决定。实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。其它金属或合金，KS在1.8～4.8范围内。(2)半导体应变片的工作原理

半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指材料的某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。其中Δρ/ρ与半导体敏感条在轴向所受的应力σ之比为一常数。π——材料的压阻系数E——材料的弹性模量半导体πE＞＞1+2μ所以半导体应变片的灵敏度为半导体应变片的优点：体积小、灵敏度高、频率响应范围宽，输出幅度大，可直接与记录仪连接。半导体应变片的缺点：温度系数大，非线性严重。应变片测应力的原理：被测对象的形变引起应变片的形变，同时应变片阻值也发生变化，根据阻值的变化可得出应力的大小。即应力正比与应变，应变又正比于电阻值的变化量，所以应力正比于阻值的变化。三、电阻应变片的测量电路

应变片将应变的变化转换成电阻相对变化△R/R，还要把电阻的变化再转换为电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。通常采用电桥电路实现微小阻值变化的转换。

（一）直流电桥1、平衡条件R1R4=R2R3

或R1/R2=R3/R4电桥平衡,IL=0,UO=0,则

若将应变片接入电桥一臂，应变片的阻值变化量可以用检流计转换为电流IL的大小表示（称偏转法），也可以用改变相邻桥臂阻值的方法，使IL恢复到零（称零读法）然后根据相邻桥臂阻值的变化来确定应变片的阻值变化。

2、电压灵敏度

当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高，比电桥输出电阻大很多，可以把电桥输出端看成开路。

设R1为应变片的阻值，工作时R1有一增量ΔR1，当为拉伸应变时，ΔR1为正；压缩应变时，ΔR1为负。在上式中以R1+ΔR1代替R1，则考虑电桥起始平衡条件R1R4=R2R3设，忽略电桥电压灵敏度：

电压灵敏度正比于电桥供电电压，电压越高，电桥灵敏度越高，但受应变片功耗限制。电压灵敏度还是桥臂电阻比值n的函数，下面分析n取何值SV最高。n=1时，SV有最大值。n=1，SV有最大值，把这个结论代入前面的式子3、非线性误差及其补偿的方法忽略是一种理想情况，实际情况,是输出电压Uo与的关系是非线性的非线性误差：例：一应变片，应变ε=5000μ，灵敏系数KS=2，非线性误差一半导体应变片，应变ε=1000μ，灵敏系数KS=130非线性误差其中，取

由一片半导体应变片组成的电桥测量电路，其非线性误差较大，对其作特殊处理：（1）提高桥臂比提高桥臂比，非线性误差可以减少，但是电压灵敏度将降低，这是一对矛盾，为了减少非线性误差又不降低灵敏度，必须提高供电电压，电源电压又受应变片功耗限制。（2）采用差动电桥a)在试件上安装两个工作片，一个受拉、一个受压，接在电桥的相邻两个臂，称半桥差动电路。设初始时为R1＝R2，R3＝R4，ΔR1＝ΔR2，则

这时输出电压U0与ΔR1/R1成严格的线性关系，而且电桥灵敏度，比单臂时提高一倍，此外还具有温度补偿作用。

Sv=E/2b)将四臂按对臂同性接四个工作片，称全桥差动电路。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4,