第2章 电阻式传感器与力的检测

第2章电阻式传感器与力的检测【教学目标】掌握电位器式传感器的基本工作原理熟悉电阻应变效应的基本概念掌握电阻应变式传感器的工作原理和测量电路了解电阻式传感器的结构和特性【教学重点】电位器式传感器的工作原理应变式传感器的测量电路【教学难点】应变式传感器的典型应用【主要内容】电位器式传感器电阻应变式传感器第2章电阻式传感器与力的检测2.1电位器式传感器电位器式传感器的结构电位器式传感器的工作原理电位器式传感器的典型应用1电位器式传感器的结构电位器式传感器一般由电阻体、骨架和可移动的电刷组成。（a）线性电位器式传感器（线位移）

（b）非线性电位器式传感器（角位移）2

电位器式传感器的工作原理假定xm、Rm、Um分别表示电位器的全长、总的电阻、总的电压；x、Rx、Ux分别表示电刷的位移量、位移量对应的电阻、电压，根据分压原理可得：式中，Ku—电压灵敏度，KR—电阻灵敏度。

由上式可知：输出电压与电刷线位移之间的关系是线性的，

电阻值与电刷线位移之间的关系也是线性的。

2电位器式传感器的工作原理对角位移式电位器来说，Uа与滑动臂的旋转角度成正比，即：可知：输出电压与电刷角位移之间的关系是线性的，输出电阻值与电刷角位移之间的关系也是线性的。3

电位器式传感器的典型应用电位器式压力传感器电位器式压力传感器原理框图电位器式压力传感器电位器式压力传感器电位器式位移传感器3

电位器式传感器的典型应用1-测杆；2-滑线电阻；3-电刷；4-弹簧；5-滑块；6-导轨；7-外壳；8-无感电阻。2.2电阻应变式传感器应变效应金属电阻应变片半导体应变片电阻应变片的主要特性和性能指标应变式传感器的温度误差和补偿应变式传感器的测量电路应变式传感器的典型应用1应变效应应变是指结构尺寸的相对变化量，一般用ε表示，比如长度的相对变化量ΔL/L。应变效应是指导体或半导体材料受到外力作用时，将产生机械变形，从而导致其电阻值发生改变的现象。电阻应变片金属电阻应变片：金属丝式、金属箔式半导体应变片：硅、锗2金属电阻应变片

金属单丝受到拉力时产生应变的示意图2金属电阻应变片

或：金属电阻应变片的工作原理由材料力学可知，在弹性范围内，若金属丝受到拉伸的力，则沿轴向（纵向）伸长，沿径向（横向）缩短，纵向应变与横向应变的关系可表示为：上式中，μ—电阻丝材料的泊松系数，又称泊松比。它是一个常数，负号表示横向应变与纵向应变的方向相反。可得电阻应变效应的表达式：2金属电阻应变片金属电阻应变片的工作原理单位应变所引起的电阻相对变化量，称为电阻丝的应变灵敏系数，用K表示：电阻丝的应变灵敏系数受两个因素的影响：一是因电阻丝的几何尺寸产生应变而引起的，即（1+2μ）项，往往称之为几何效应；二是因受力后电阻丝的电阻率发生变化而引起的，即后面的一项，往往称之为压阻效应。2金属电阻应变片金属电阻应变片的工作原理对于金属材料而言，产生应变时电阻值的相对变化量主要是由结构尺寸的变化（长度L和面积A）引起的，电阻率的变化很小，可以忽略不计，因此有：这就是金属电阻应变效应的表达式。上中Ks称为金属电阻丝的应变灵敏系数：大多数金属材料Ks的数值在1.6～3.6之间。2金属电阻应变片金属电阻应变片的结构由金属电阻材料制成的敏感栅粘贴在绝缘的基底上，敏感栅的两端焊接有引出导线，敏感栅上面粘贴有覆盖层。2金属电阻应变片金属电阻应变片的结构金属电阻应变片的类别2金属电阻应变片金属电阻应变片的类别金属丝式应变片金属丝式应变片的敏感栅由电阻丝绕制而成，是使用最早的应变片。制造简单、性能稳定、价格便宜、易于粘贴。2金属电阻应变片金属电阻应变片的类别金属箔式应变片箔栅是金属箔经过光刻、腐蚀等工艺制成的很薄的金属薄栅（0.003～0.01mm）。散热条件较好，扁平状箔栅有利于形变的传递，横向效应小，一致性较好。2金属电阻应变片金属电阻应变片的类别金属薄膜式应变片薄膜式应变片的敏感栅是由蒸镀或溅射法沉积的金属、合金薄膜制成的，其厚度一般在0.1μm以下。灵敏度高，工作温度范围广，可以获得更高的输出和更佳的稳定性。2金属电阻应变片3半导体应变片半导体应变片的工作原理半导体材料的电阻应变效应主要是基于压阻效应。半导体沿某一轴向施加压力时，除了产生一定应变外，材料的电阻率也要发生变化，从而导致阻值发生变化，称为半导体的压阻效应。3半导体应变片半导体应变片的工作原理半导体应变片的灵敏系数为：式中，E—半导体材料的弹性模数。（1+2μ）项是几何形状变化对电阻相对变化量的影响，其值约为1～2；后面一项即为压阻效应的影响，其值远大于前面一项，约为50～150。可略去（1+2μ）项，因此半导体材料的灵敏度系数可表示为：一般的半导体材料Ks＝50～150。半导体材料的应变灵敏度系数远大于金属材料的应变度灵敏系数，约是它的50～80倍。由于πE不是常量，故半导体应变片的应变与输出电阻值之间的关系是非线性的。3半导体应变片半导体应变片的结构和类型体型半导体应变片外延型半导体应变片扩散型半导体应变片薄膜型半导体应变片

半导体应变片的结构3半导体应变片半导体应变片的特点金属电阻应变片相比，半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，这为它的应用提供了有利条件。另外，由于机械滞后小、横向效应极小以及体积小等特点，扩大了半导体应变片的使用范围。它最大的缺点是温度稳定性差、灵敏度离散程度大(由于晶向、杂质等因素的影响)以及在较大应变作用下非线性误差大等，4电阻应变片的主要特性和性能指标电阻应变片的特性横向效应温度效应蠕变和零漂机械滞后电阻应变片的横向效应4电阻应变片的主要特性和性能指标电阻应变片的性能指标应变片的电阻值允许电流绝缘电阻表中：PZ为纸质丝式，

PJ为胶质丝式；BX、BS、BB为箔式；PBD为半导体应变片。5应变式传感器的温度误差和补偿温度误差粘贴在测试件上的应变片，由于环境温度的变化，会引起应变片的电阻值随之发生变化，称为温度误差。温度误差的产生有下面两个主要原因：（1）电阻丝自身的温度系数α的影响。（2）试件材料和金属丝材料的线膨胀系数β不同的影响。5应变式传感器的温度误差和补偿温度误差的补偿（1）自补偿法局限性很大，一般只用于高温测量。（2）线路补偿法使用补偿应变片补偿，容易实现，且方法简单，在常温下可得到较好的补偿效果。6应变式传感器的测量电路常用的测量电路是电桥电路，这里主要介绍直流电桥电路：直流电桥电路6应变式传感器的测量电路电桥的工作方式有：单臂电桥、双臂电桥（半桥）和全桥三种：7应变式传感器的典型应用应变式传感器需要借助弹性敏感元件，将力或压力转换为应变或位移，再由传感器将应变或位移转换为电信号进行测量。应变式传感器的构成金属电阻应变式力传感器主要用作各种电子秤与测力仪表的测力元件。等截面柱7应变式传感器的典型应用等截面柱型力传感器应变片的粘贴方式等截面柱金属电阻应变式力传感器悬臂梁7应变式传感器的典型应用（a）等截面梁

（b）等强度梁（a）双孔梁型金属电阻应变式力传感器

（b）S梁型金属电阻应变式力传感器金属电阻应变式力传感器薄壁圆环7应变式传感器的典型应用薄壁圆环应变片的粘贴方法薄壁圆环金属电阻应变式压力传感器7应变式传感器的典型应用（a）弹簧管