电阻式传感器

电阻式传感器第1页/共100页电阻式传感器的分类

电位计式：应变式：物理量变化电阻变化传感元件属于大电阻变化型，R：0—R传物理量变化变形（应力、应变）敏感元件属于微电阻变化型，R：0—20%R传传感元件电阻变化第2页/共100页§2-1电位计式传感器第3页/共100页电位计式传感器分类将机械的线位移或角位移的变化电阻或电压的变化一定函数关系变阻器式变压器式第4页/共100页电位计式传感器的优、缺点：优点：结构简单、尺寸小、重量轻、精度高(0.1%0.05%)、性能稳定、受环境因素影响小，可实现输出-输入任意函数关系，输出信号较大，一般不用放大。缺点：存在滑动触头与线圈等之间的摩擦，输入能量要求较大，且磨损降低寿命和可靠性，也会降低测量精度。第5页/共100页电位计分类电位计分类按输出-输入特性线性电位计非线性电位计按结构形式线绕式—在传感器中应用较多薄膜式—具有较高的精度和线性特性光电式—无摩擦和磨损，分辨率高第6页/共100页一、线绕电位计的结构

第7页/共100页二、线绕电位计的工作原理

根据欧姆定律：以线位移型为例：

若变阻器式：

SR

电阻灵敏度：表示电刷单位位移能引起的输出电阻的变化量若分压器式：

SV

电压灵敏度：表示电刷单位位移能引起的输出电压的变化量SR、SV均是常数第8页/共100页三、线绕电位计的输出特性

阶梯特性和阶梯误差

阶梯特性

电位计输出电压随x的变化是不连续的，而是一条阶梯形的折线。阶梯误差

理论特性曲线通过每个阶梯中点的曲线。阶梯误差阶特梯形曲线围绕理论特性曲线上下波动产生的偏差。第9页/共100页输出特性二负载特性和负载误差

负载特性电位计有负载的情况下得到的特性。一般表达式：

第10页/共100页对负载特性的讨论：

当时，特性曲线变成直线，它实为空载特性当带有负载时，曲线下垂，负载越小，下垂越多，产生的负载误差越大。第11页/共100页输出特性三负载误差

由于负载电阻不是无限大，而是可与电位计电阻值相比的有限值，造成负载特性为一下垂曲线，产生误差，也称非线性误差。电刷在起始和最终位置时，负载误差eL=0

电刷在相对行程X=1/2时，负载误差eL

max，且m，eL

第12页/共100页四、电位计式传感器的应用

电位计式压力传感器

第13页/共100页弹簧管放大图

当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。第14页/共100页被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量

在右图中，电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量-----电阻的变化（ΔR）第15页/共100页

360度圆盘形电位器

右图所示的360度圆盘形电位器的中间焊片为滑动片，右边焊片接地，左边焊片接电源。

接地第16页/共100页第17页/共100页第18页/共100页电位计式加速度计第19页/共100页总结原始输入量

变换原理

物理现象

能量关系

输出量

位移

欧姆定律结构型

控制型

电阻或电压

第20页/共100页§2-2电阻应变式传感器第21页/共100页电阻应变式传感器

电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由弹性元件和其上粘贴的电阻应变敏感元件构成。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。第22页/共100页第23页/共100页第24页/共100页优点：结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；易于实现测试过程自动化和多点同步测量，以及远距测量和遥测；灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；可测多种物理量，如：位移、加速度、力、力矩、压力等。第25页/共100页缺点：单点测量

一片电阻应变片只能测定构件表面上一点的某个方向的应变;并且只代表栅长范围内的平均应变。应变片一般只能测量构件表面的应力应变,对结构内部的三维应力测量很难进行。尽管应变片很小,但对应力集中的测量,仍无法精确。

第26页/共100页工作原理及分类电阻应变式传感器的工作原理是将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，使物理量的变化变成应变片的应力、应变变化，从而变成电阻值变化。根据应变片的材料不同，可分为两种金属电阻应变片半导体应变片第27页/共100页§2-2-1电阻应变片第28页/共100页一、金属电阻应变片

金属的应变效应

根据欧姆定律：

第29页/共100页金属的应变效应

金属丝的电阻应变效应金属丝的电阻值随着金属丝的几何尺寸变化（伸长或缩短）而发生相应的变化的现象。称为泊松比第30页/共100页结构和形式

第31页/共100页种类第32页/共100页电阻-应变特性令Ks越大，越灵敏Ks

金属丝的灵敏系数：表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。Ks只能靠实验求得，而

一般K<Ks，K是通过抽样测定的，故称标称灵敏系数。1.灵敏系数第33页/共100页2.横向效应

我们先看关于横向效应的示意图：

（a）应变片及轴向受力图(b)应变片的横向受力图第34页/共100页

当实际使用应变片的条件与其灵敏系数K的标定条件不同时，如μ≠0.285或受非单向应力状态，由于横向效应的影响，实际K值要改变，如仍按标称灵敏系数来进行计算，可能造成较大误差。当不能满足测量精度要求时，应进行必要的修正，为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片。第35页/共100页3.机械滞后

应变片安装在试件上以后，在一定温度下，其（ΔR/R）—ε的加载特性与卸载特性不重合，在同一机械应变值下，其对应的值ΔR/R(相对应的指示应变)不一致。加载特性曲线与卸载特性曲线的最大差值称应变片的滞后。

产生机械滞后的原因，主要是敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的，为了减小滞后，除选用合适的粘合剂外，最好在新安装应变片后，做三次以上的加卸载循环后再正式测量。第36页/共100页4.零漂和蠕变

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，称为应变片的零漂。

如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的蠕变。一般蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。

这两项指标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性，在长时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中即包含零漂，因为零漂是不加载的情况，它是加载特性的特例。

第37页/共100页5.应变极限和疲劳寿命

应变片的应变极限是指在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围时的最大真实应变值。为提高真实应变值，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料，基底和粘结剂的厚度不宜太大，并经适当的固化处理。

对于已安装好的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数

N称为应变片的疲劳寿命。当出现以下三种情况之一时，都认为是疲劳损坏：①应变片的敏感栅或引线发生断路

②应变片输出指示应变的幅值变化10%③应变片输出信号波形上出现穗状尖峰。疲劳寿命反映了应变片对动态应变测量的适应性。第38页/共100页6.最大工作电流和绝缘电阻

(1)最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值。工作电流大,应变片输出信号大,灵敏度高。但过大的工作电流会使应变片本身过热,使灵敏系数变化,零漂、蠕变增加，甚至把应变片烧毁。

(2)绝缘电阻是指应变片的引线与被测试件之间的电阻值。通常要求50-100MΩ左右。绝缘电阻过低,会造成应变片与试件之间漏电而产生测量误差。应变片绝缘电阻取决于粘合剂及基底材料的种类以及它们的固化工艺。第39页/共100页7.应变片的电阻值R

应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值，是使用应变片时需知道的一个特性参数。

目前常用的电阻系列，习惯上为

60、120、200、350、500、1000Ω，其中以120Ω最常用。取电阻值大，可以加大应变片承受电压，因此输出信号大，但敏感栅尺寸也增大。第40页/共100页二、半导体应变片

半导体材料有明显的压阻效应，即半导体材料的电阻率随作用应力而变化。

π

压阻效应系数

E

弹性模数

实验表明：πE>>1+2

半导体应变片的灵敏系数

第41页/共100页晶向的表示方法晶向就是晶面的法线方向。截距表示法截距r、s、t─→密勒指数a、b、c─→晶向<abc>或<bc>、晶面(abc)、晶面族{abc}

第42页/共100页晶向的表示方法法线表示法法线的方向余弦l、m、n

第43页/共100页影响压阻系数的因素扩散电阻表面杂质浓度增加时，压阻系数就会减小。表面杂质浓度低时，温度增加，压阻系数下降得快；表面杂质浓度高时，温度增加，压阻系数下降得慢。第44页/共100页§2-2-2测量电路第45页/共100页测量过程力、压力应变变化电阻变化电压或电流的变化并显示和记录敏感元件应变片电阻应变仪按激励电压性质直流电桥交流电桥第46页/共100页一、直流电桥工作原理R0假设电源电压E=0，A，C两点短接与输出端为开路时，B，D两点之间的电阻，即

得到电桥负载电阻为RL时，其输出电流与电压一般表达式：

第47页/共100页当R1R3=R2R4时，电桥处于平衡状态。

第48页/共100页1、不平衡桥式

直流不平衡式电桥形式电桥平衡条件为：

R1R4=R2R3一般取

R1=R2=R3=R4=R当RRR时，U0相应变化第49页/共100页桥臂比n=R2/R1第50页/共100页非线性误差为电桥的非线性误差第51页/共100页对于对称电桥，n＝1时

可见非线性误差γL与ΔR1/R1成正比。对金属应变片，因为ΔR非常小，电桥非线性误差可以忽略，对半导体应变片，因为灵敏度比金属丝式大得多，受应变时ΔR很大，非线性误差将不可忽略。为了减小非线性误差，常采用以下措施第52页/共100页半桥和全桥假设R1=R2=R3=R4

根据参与工作的桥臂数半桥半桥单臂半桥双臂全桥第53页/共100页讨论电桥接法与电桥灵敏度的关系：

S半桥单臂：S半桥双臂：S全桥=1：2：4电桥联接的规律

电阻变化符号相反的联入相邻臂中电阻变化符号相同的联入相对臂中桥臂电阻数与输出之关系单纯的增加桥臂电阻数不会增加输出，但可以起平均作用及消除干扰的作用。

第54页/共100页采用恒流源电桥

产生非线性的原因之一是在工作过程中，由于产生ΔR变化，使通过桥臂的电流不恒定，若用恒流源供电，如图：

供电电流为I，通过各臂的电流为I1和I2，ΔR1=0时：

R1+ΔR1R2U0R3R4I1I2I第55页/共100页

若电桥初始处于平衡状态，而且R1=R2=R3=R4=R，当第一臂电阻R1变为R+ΔR时，电桥输出电压为：

由此可见，分母中的ΔR被4R除，与恒压源相比，非线性误差减小1/2。所以半导体应变电桥一般采用恒流源供电。第56页/共100页2、平衡桥路原理H的读数桥臂电阻变化R

特点：电表G始终指零，与输入电压U无关，故测量误差仅取决于可变电位器的精度及刻线精度，而与电源无关，这种方法称为“零位法”。第57页/共100页二、交流电桥输出电压

平衡条件设各臂阻抗为Z—复阻抗的模则根据复数相等条件可得交流电桥平衡条件为在测量前对电桥应分别进行电阻、电容平衡，即R1R4=R2R3

R1C1=R2C2

第58页/共100页交、直流电桥的优、缺点直流电桥的优缺点

优点：高稳定直流电源易于获得；电桥调节平衡电路简单。

缺点：容易产生零点漂移；线路复杂。交流电桥的优缺点

优点：零漂小

缺点：电路调节繁杂。第59页/共100页§2-2-3温度误差及其补偿第60页/共100页一、温度误差敏感栅电阻随温度的变化引起的误差

试件材料的线膨胀引起的误差第61页/共100页二、温度补偿自补偿法1）单丝自补偿法2）组合式自补偿法

a.选用两者具有不同符号的电阻温度系数

b.两种串接的电阻丝具有相同符号的温度系数第62页/共100页2.线路补偿法1）电桥补偿法2）采用差动电桥补偿法3）热敏电阻补偿法第63页/共100页压阻式传感器——零位漂移因为扩散电阻随温度的变化导致阻值发生变化而引起一般用串、并联电阻的方法补偿第64页/共100页§2-2-4应变式传感器的应用第65页/共100页测量原理演示第66页/共100页一、测结构的应变或应力第67页/共100页二、与弹性元件结合构成各种应变式传感器第68页/共100页应变式加速度传感器第69页/共100页应变式液体重量传感器第70页/共100页应变式传感器实例应变式压力传感器第71页/共100页FFFF应变式压力传感器第72页/共100页各种悬臂梁

第73页/共100页

FF固定点固定点电缆各种悬臂梁第74页/共100页应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2R4第75页/共100页应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF第76页/共100页汽车衡第77页/共100页汽车衡第78页/共100页汽车衡称重系统第79页/共100页电子秤

磅秤超市打印秤远距离显示第80页/共100页电子天平电子天平的精度可达十万分之一第81页/共100页人体秤

第82页/共100页基于柱（筒）式结构的力传感器第83页/共100页吊钩秤

便携式第84页/共100页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。第85页/共100页三、压阻式压力传感器第86页/共100页压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片

隔离、承压