电阻式传感器-课件

2023/6/61第2章电阻式传感器概述教学任务和经典应用案例第一节电位器式传感器第二节应变式传感器第三节压阻式传感器电阻式传感器的应用2023/6/61.概述

电阻式传感器是一种能被被测量(如位移、力、压力、扭矩、加速度等)的变化转换成敏感元件电阻的变化，再通过变换电路转换为相应电压或电流信号输出的一种传感器。它的种类较多，有电位器式。应变式。压阻式、热阻、热敏、气敏、湿敏等多种。一般来说，电阻式传感器的结构简单，性能稳定，灵敏度较高，有的还使用于动态测量。教材的本章内容包括：第一节电位器式传感器第二节应变式电阻传感器（重点）（原理、结构、特性、转换电路、应用等）2.3压阻式传感器（简单介绍，与应变式比较）2023/6/63各种常用的电阻式传感器2.教学任务和经典应用案例：任务1：直滑式电位器控制气缸活塞行程2023/6/65任务2：电子台秤的重量检测日常生活中常用的电子秤根据电子台秤的称重范围及使用要求，选用悬臂梁式电阻应变传感器作为测力传感器。结构示意图内部结构第一节电位器式传感器1.常见电位器式传感器2023/6/682.电位器式传感器工作原理导体的电阻R可表示为：由上式可见：在均质导体中，电阻与其长度成正比。2023/6/69(1)、直线式（滑线式）电阻器1—电阻丝；2—骨架；3—滑臂图

电位器式传感器原理图

如果把它作为变阻器使用，假定全长为xmax的电位器其总电阻为Rmax，电阻沿长度均匀分布，则当滑臂由A向C移动x后，A点到电刷间的阻值为：若把它当作分压器使用，假定加在电位器A、C之间的电压为Umax，则空载输出电压为：

右图所示为电位器式角度传感器。其中1为电阻丝；2为滑臂；3为骨架。作变阻器使用时，电阻Rα与角度α的关系为：图

电位器式角度传感器原理图(2)、角度式（旋转式）电阻器

作分压器使用时，空载输出电压Uα与角度α的关系为

:

一般情况下电位器接有负载，并且负载电阻和电位器电阻的比值为有限值，带负载的电位器电路如下图所示。负载电阻为RL，此时电位器输出电压UL为：

可见，输出电压UL与位移X呈非线性关系。只有当RL=∞时，输出电压UL与位移X间才是线性关系。3.电位器式传感器应用任务1：直滑式电位器控制气缸活塞行程应用2：机器人原理：电机->转角

->电位器

->电阻应用3：机器人第二节应变式传感器应变式电阻传感器是目前用于测量力、压力、力矩、位移、应变、加速度、质量等参数最为广泛的传感器之一。它是基于电阻应变效应制造的一种测量微小机械变量的传感器。应变式电阻传感器有金属丝、金属箔式、薄膜式和半导体式等几种。应变式电阻传感器性能稳定、精度较高。可作为高精度测量传感器，前三种应变式电阻传感器的灵敏度较低。金属丝式金属箔式半导体式S形拉压式柱式悬臂梁式桥式轮辐式31-敏感元件；2-保护层；3-引线；4-基底。电阻应变片的结构：应变式电阻传感器的核心元件是电阻应变片。金属电阻应变片由敏感栅（电阻丝）、基片（底）、覆盖层和引线等部分组成。①敏感栅是转换元件，由金属丝或金属箔制成，它被粘贴在基体上，通过基体把应变传递给它。②基底起绝缘及保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置的作用，厚度一般为0.02~0.05mm。③覆盖片（保护层）起保护敏感栅作用。④引出线焊接于敏感栅两端，作连接测量导线之用。粘结剂将敏感栅、基底、覆盖片粘接在一起。常用的粘结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙稀酸型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等。一、应变式传感器工作原理应变效应金属导体或半导体材料在受到外力的作用时，会产生相应的机械变形（又称应变），其电阻值也将随之发生变化，这种现象称为应变效应。用具有应变效应的细导体做成的电阻称为电阻应变片。电阻应变式传感器主要由电阻应变片和测量转换电路等组成。1.电阻应变片工作原理1.电阻应变片工作原理设有一长度为L、截面积为A、半径为r、电阻率为的金属单丝，它的电阻值R可表示为：当导体受轴向力F拉伸（或压缩）时，其l,A和ρ均发生变化。因而电阻随之变化。由上式可得电阻的相对变化dR为：

上式中称为轴向线应变（纵向应变），常用单位为微应变。1=10-6mm/mm。2023/6/621根据上式，电阻丝的应变效应为：上式，说明应变片电阻变化率是几何效应（1+2μ）项和压阻效应dρ/ρ项综合的结果。由A=r2

，根据材料力学中的泊松效应，对于弹性材料在弹性范围内的横向应变(dr/r)与纵向应变(dl/l)之比为常数，；泊松比。2023/6/6222.灵敏度系数灵敏度系数的物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。当金属材料确定后，应变片的电阻变化率取决于材料的几何形状变化，其灵敏度系数为：①对于金属材料，由于压阻效应极小，即dρ/ρ﹤﹤1因此有：金属材料的电阻相对变化与电阻丝轴向应变成正比。2023/6/623②对于半导体，由于dρ/ρ项的数值远比（1+2μ）ε项大，即半导体电阻变化率取决于材料的电阻率变化，因此：依半导体材料的压电电阻效应可知：由此可得半导体应变片电阻变化率的表达式为：灵敏度系数为：③常用的应变片灵敏度系数大致是：金属导体应变片约为2左右，半导体应变片约为100~200.2023/6/6243.测量原理在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量R时，便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系，得到应力值为：式中，为试件的应力；为试件的应变；E为试件材料的弹性模量。二、测量电路

1.直流电桥电路

直流桥式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，同时要把电阻相对变化ΔR/R转换为电压或电流的变化。因此，需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路，通常采用直流电桥和交流电桥。当电桥各桥臂满足如下条件时：电桥输出电压为0，电桥处于平衡状态。应变片测量电桥时，在工作前应使电桥平衡，初始条件为：2.电桥工作方式

常见的桥路构成包括单臂、双臂和全桥几种形式。(1)单臂半桥

桥路中只有一个桥臂参与构件的机械变形。R1为电阻应变片，R2、R3、R4为固定电阻（即R2=R3=R4=0）。起始时，应变片R，未承受应变，电桥平衡：R1R4=R2R3，此时U0=0。当应变片R1承受应变时，若R1增大为R1+R1，此时，电桥的输出电压为:通常情况下，R＜＜R所以：由电阻-应变效应，则上式可以写成：(2)双臂半桥

双臂电桥电路将两个应变片接入电桥相邻桥臂上。半桥测量时，桥路中相邻的两个桥臂参与构件的机械变形。电阻R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。当应变片承受应变时，R1增大为R1+R，同时R2减小为R2-R，输出的桥压为：(3)四臂全桥电阻R1、R2、R3、R4均为应变片。桥路中四个桥臂全部参与构件机械变形。当应变片承受应变时，则R1和R3增大R，R2和R4减小R，构成全桥差动电路。此时输出电压为单臂电桥输出电压的四倍:上述三种工作方式中，四臂全桥工作方式的灵敏度最高，半桥次之，单臂电桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度变化的自动补偿，因此，一般采用四臂全桥电路。3.温度误差

用应变片测量时，由于环境温度变化所引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，这种误差称为应变片的温度误差，又称热输出。

1)

敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化Δt时，敏感栅材料电阻温度系数为αt，则引起的电阻相对变化为：

2)

试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化Δt时，因试件材料和敏感栅材料的线性膨胀系数不同，应变片产生附加拉长或缩短，引起的电阻相对变化：因此，由于温度变化形成的总的电阻相对变化为：4.温度补偿1）

单丝自补偿法结构简单，制造方便。2）组合式自补偿法应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成。一种类型是选用两者具有不同符号的电阻温度系数。3）电路补偿法电路相临两臂增加相同电阻，对电桥输出无影响。这种方法简便，但补偿块的设置受到现场环境条件的限制。31电阻应变片可广泛应用于应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量测量，分为两大类：第一类是将应变片贴于弹性体上，将其接至测量转换电路，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，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。

三、电阻应变式传感器

321.准备：①试件——在粘贴部位的表面，用砂布或砂轮在与轴向成45°的方向交叉打磨→清洗净打磨面→划线，确定贴片坐标线→均匀涂一薄层粘结剂作底；②应变材料——外表和阻值检查→刻划轴向标记→清洗。

③涂胶：在准备好的试件表面和应变计基底上均匀涂一薄层粘结剂。

2.贴片：将涂好胶的应变计与试件，按坐标线对准贴上→用手指顺轴向滚压，去除气泡和多余胶液→按固化条件固化处理。3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。1.应变片的粘贴334.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。5.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。6.防护：在安装好的应变计和引线上涂以中性凡士林油、石蜡(短期防潮)；或石蜡—松香—黄油的混合剂(长期防潮)；或环氧树脂、氯丁橡胶、清漆等(防机械划伤)作防护用，以保证应变计工作性能稳定可靠。2.电阻应变式传感器的应用：测力FR1R4R22023/6/635任务2：电子台秤的重量检测日常生活中常用的电子秤案例1：电子台秤的重量检测根据电子台秤的称重范围及使用要求，选用悬臂梁式电阻应变传感器作为测力传感器。结构示意图内部结构案例2：冲床生产记数和生产过程监测38案例3：汽车衡（参考无锡市奥拓自动化有限公司）

系统由摄像机、栏杆机、地感线圈、红绿信号灯、射频读卡器、图象采集卡、照明系统、电脑、打印机等组成。汽车在过磅过程中无须人员看管，自动进行。工作流程：1、系统管理员将射频卡发给司机，上面已录入汽车车号等内容，到离秤台几米远时，读卡器检测到车辆到来，在判定秤台上无车辆过磅时，进口栏杆机打开，让车辆通过，开上秤台；2、在车辆停稳后，摄像机自动拍下车辆车号的照片，保存在电脑里；3、电脑读取仪表的称重数据并保存；

4、称重完毕，出口栏杆机抬起，让汽车驶出秤台；5、出口处磅单打印机，司机撕下打印好的磅单离开；6、系统可以联网运行，远距离传送数据和图像资料。参考运行价格RMB25000元/套39案例4：称重式料位计

41案例5：梁式应变式加速度传感器

第三节压阻式传感器压阻式传感器:指利用单晶硅材料的压阻效应制成的传感器(单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出)。应用：压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。半导体应变片外形44一、压阻效应的原理应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为：因此，对半导体材料而言，电阻变化更多的取决于电阻率的变化为：其中，式中π为