第3章 电阻式传感器

1、2022-3-18传感器原理与应用23.1电位器式传感器电位器式传感器3.2应变式传感器应变式传感器3.3电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用2022-3-18传感器原理与应用3/LxLLxxRRUURRRRl输出电压输出电压UL为：为：1(1)LxURxxR令令x=Rx/Rl线性情况：线性情况：UL和x是非线性关系；当RL- 才是线性的。2022-3-18传感器原理与应用4l组成：组成：骨架绕在骨架上的电阻丝滑动触点（电刷）l分类分类线位移式：滑动触点沿着直线运动。角位移式：滑动触点沿着圆周运动。2022-3-18传感器原理与应用5l分辨力分辨力电阻阻值实际上呈微小的阶跃变化。设总圈数为n，

2、最大输出电压为U 移动一圈电压变化为： U=U/nl优缺点优缺点性能稳定，主要使用于参数（如：位移）变化较大的情况。分辨力低，耐磨性差。2022-3-18传感器原理与应用6l应变式电阻传感器应变式电阻传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，由弹性敏感元件上粘贴电阻应变片构成。l应变效应应变效应导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，电阻值相应发生变化的现象。2022-3-18传感器原理与应用7AlR电阻阻值：电阻率电阻率 l长度长度A截面积截面积FlrrlF伸长量伸长量半径缩短量半径缩短量电阻率亦电阻率亦变化变化d2022-3-18传感器原理与应用8l 电阻值相对变化量计算：

3、电阻值相对变化量计算：dR 2lldldAdAAAdRRdldAdlAAlR所以：RRRdldAdlA长度相对变化长度相对变化量，用量，用表示表示截面积相截面积相对变化量对变化量电阻率相电阻率相对变化量对变化量2022-3-18传感器原理与应用9dAdAldlRdR2Ar2dArdrrdrAdA2ldlrdrdRdRK21轴向应变与径向应变的关系：泊松比：泊松比灵敏系数：l 灵敏系数计算：灵敏系数计算：2022-3-18传感器原理与应用10l常用应变片有两大类：常用应变片有两大类：金属电阻应变片 丝式应变片 箔式应变片半导体应变片2022-3-18传感器原理与应用11l金属电阻应变片灵敏系数：

4、金属电阻应变片灵敏系数：dRdRK211+2(d/)/12K 实验表明：拉伸极限内k为常数！一般为2-52022-3-18传感器原理与应用12l应变片电阻丝要求应变片电阻丝要求灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数； 值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小；机械强度高， 具有优良的机械加工性能。 2022-3-18传感器原理与应用13l常用材料及其性能常用材料及其性能l金属电阻应变片的粘贴金属电阻应变片的粘贴应变片需用粘贴剂粘贴到被测件上。粘贴工艺 粘贴表面处理、贴片位置确定

5、涂底胶 贴片 干燥固化 贴片质量检查 引线焊接与固定及防护与屏蔽2022-3-18传感器原理与应用14l半导体应变片工作原理基于半导体材料的半导体应变片工作原理基于半导体材料的压阻效应压阻效应。l压阻效应：在压阻效应：在半导体半导体的晶体结构上加上的晶体结构上加上外外力力时，会暂时改变晶体结构的对称性，改时，会暂时改变晶体结构的对称性，改变半导体的导电机构，使变半导体的导电机构，使电阻率电阻率发生变化发生变化的现象。的现象。2022-3-18传感器原理与应用15l灵敏系数：灵敏系数：dRdRK21Ed对半导体而言：压阻系数压阻系数所受应变力所受应变力E弹性模量弹性模量应变应变12KE1+2R1

6、+R1R2R3R4EABCD_+UoR1Io2022-3-18传感器原理与应用35l 单臂电桥电路分析单臂电桥电路分析413112411311oRRRRUERRRRRR=n111111RnRERnnR121(1)RnERn略去略去R2R3R4EABCD_+UoR1Io假定：假定：桥臂比：桥臂比：n=R2/R1工作前：电路平衡工作前：电路平衡工作后：工作后：R1- -R1+R12022-3-18传感器原理与应用36l 单臂电桥电压灵敏度单臂电桥电压灵敏度EnnRRUKoU211)1 ( v讨论讨论灵敏度灵敏度正比于正比于电桥电桥供电电压供电电压；灵敏度是灵敏度是桥臂比桥臂比n的函数；的函数；n取

7、何值取何值KU最大？最大？121(1)oRnUERn2022-3-18传感器原理与应用374411EKRREUUo由由dKU/dn = 0求求K KU U的最大值的最大值0)1 (132nndndKUn=1时，时，KU最大最大R1=R2=R3=R4此时：此时：2(1)UnKEn2022-3-18传感器原理与应用38l 单臂电桥非线性误差单臂电桥非线性误差)1 (11111nRRnRRnEUo非线性误差：非线性误差：ooLoUUU实际输出：实际输出：n=11111212RRRRL太大时太大时须消除须消除11111RRRnR121(1)oRnUERn2022-3-18传感器原理与应用39oU 31

8、111234RRRERRRRR 111111RnRERnnR121(1)RnERnl 单臂电桥非线性误差原因分析单臂电桥非线性误差原因分析非线性误差怎么消除呢？非线性误差怎么消除呢？R2R3R4EABCD_+UoR1Io2022-3-18传感器原理与应用40l 半桥差动电路半桥差动电路R2-R2R3R4EABCD_+UoR1 +R1IoR1为为受拉受拉应变片应变片R2为为受压受压应变片应变片R3、R4为为固定电阻固定电阻2022-3-18传感器原理与应用41l 半桥差动电路分析半桥差动电路分析433221111RRRRRRRRREUo电桥输出电压：电桥输出电压：若若R1=R2，R1=R2=R3

9、=R4112oREURv优点：优点：无非线性误差无非线性误差；灵敏度是单臂电桥灵敏度是单臂电桥电路的电路的2 2倍倍。R2-R2R3R4EABCD_+UoR1 +R1Io2022-3-18传感器原理与应用42l 全桥差动电路全桥差动电路R1、R4为受拉电阻应变片R2、R3为受压电阻应变片IoR2R3R4EABCD_+UoR12022-3-18传感器原理与应用43l全桥差动电路分析全桥差动电路分析111122oRRUERRRR 电桥输出电压：若R1=R2= R3=R4， R1=R2=R3=R411oRUERl优点：优点：无非线性误差；灵敏度是单臂工作的4倍。333344RRRRRR IoR2R3

10、R4EABCD_+UoR12022-3-18传感器原理与应用44l交流电桥交流电桥Z1、Z2为应变片Z3、Z4为固定电阻2022-3-18传感器原理与应用45各桥臂上复阻抗为： 44332222111111RZRZCRjRZCRjRZl交流电桥分析交流电桥分析2022-3-18传感器原理与应用46l 交流电桥分析交流电桥分析14231234()()Z ZZ ZUZZZZ输出电压：311234oZZUUZZZZ电桥平衡条件：14230Z ZZ Z3222411111RCRjRRCRjR24241313CRjRRCRjRR3412RRRR2112CCRR2022-3-18传感器原理与应用47l 交

11、流电桥分析交流电桥分析R1R2R4R3ACR5DUoU(a)R1R2R4R3ACR5UoU(b)BBR6R1R2R4R3ACUoU(c)BC1C2C3C4R1R2R4R3ACCUoU( d )BRD交流电桥平衡调节2022-3-18传感器原理与应用48l 交流电桥分析交流电桥分析 当应力变化引起Z1=Z0+Z, Z2=Z0-Z变化时电桥输出为： 00021212ZZUZZZUUo2022-3-18传感器原理与应用49l 应变片的温度误差应变片的温度误差 温度误差：由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差。 产生温度误差的主要因素：电阻温度系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响

12、2022-3-18传感器原理与应用50l电阻温度系数的影响电阻温度系数的影响00(1)tRRt敏感栅的电阻丝阻值：温度为温度为t时时的电阻值的电阻值温度为温度为t0时时的电阻值的电阻值温度变化值温度变化值t- t0温度为温度为 t0时电时电阻温度系数阻温度系数 温度变化t引起电阻丝电阻的变化值：000tRRRRt2022-3-18传感器原理与应用51l 试件和电阻丝的线膨胀系数的影响试件和电阻丝的线膨胀系数的影响 试件和电阻丝线膨胀系数不同时，由于温度的变化，会产生附加变形。0(1)ggllt试件自由形变长度：电阻丝自由形变长度：0(1)ssllt电阻丝附加变形：l gsll0()gsltt0

13、时的长度时的长度试件线膨胀试件线膨胀系数系数电阻丝线膨电阻丝线膨胀系数胀系数2022-3-18传感器原理与应用52tsg)(0llR电阻丝附加应变：附加电阻变化：00RKtRKsg)(00总电阻相对变化量：00RRRRRttKtsg)(00tKsg)(002022-3-18传感器原理与应用53l 应变片的温度补偿应变片的温度补偿 应变片自补偿 线路补偿l 应变片自补偿应变片自补偿000()tgsRKtR )(00sgK温度自补偿必须有：02022-3-18传感器原理与应用54l 线路补偿线路补偿 电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。R1R3RBR4UoR1RB(a)(b)R1工 作 应 变

14、片 ；RB补 偿 应 变 片FFU2022-3-18传感器原理与应用55043311RRRRRREUBo0111311134totBBtRRRRUERRRRRRR 电桥调节平衡：温度升高（降低）t：4331111RRRRRRRRREUBtBtto有应变作用时：114RER电桥仍电桥仍然平衡！然平衡！不受温度不受温度的影响！的影响！2022-3-18传感器原理与应用56l线路补偿条件：线路补偿条件：在应变片工作过程中，保证R3=R4。R1和RB应具有相同的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。两应

15、变片应处于同一温度场。l思考：半桥差动和全桥差动电路有没有温思考：半桥差动和全桥差动电路有没有温度补偿作用度补偿作用？传感器原理与应用57l 电位器式位移传感器电位器式位移传感器行程：行程：500-8000mm输出：输出： a). 电阻值电阻值5K(标准品标准品)b). 电流电流4-20mA c). 电压电压0-5V和和0-10V2022-3-18传感器原理与应用58l应变式力传感器应变式力传感器 被测物理量为荷重或力的应变式传感器。 用途：电子秤发动机推力测试水坝坝体承载状况监测 要求：高灵敏度高稳定性2022-3-18传感器原理与应用59l 柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器(a)(b)

16、(c)R1R5R2R6R3R7R4R8R1R3R5R7R6R8R2R4(d)UoU（a） 柱式；（b） 筒式；（c） 圆柱面展开图；（d） 桥路连线图 FEAE横截横截面积面积2022-3-18传感器原理与应用60l 环式力传感器环式力传感器(a)AR1R2Bh(b)MBAFR 39.5(a) 环式传感器结构图； (b) 应力分布 221.091.91ABFRbh EFRbh E 厚度厚度宽度宽度弹性弹性模量模量2022-3-18传感器原理与应用61l 等截面梁力传感器等截面梁力传感器MW0MFl26bhW 026FlEbh E梁所承受梁所承受的弯矩的弯矩梁各横截面梁各横截面的抗弯模量的抗弯模量各处剪力：Q=F2022-3-18传感器原理与应用62等强度梁力传感器等强度梁力传感器26FlEbh E常数常数l应变式测力传感器应变式测力传感器2022-3-18传感器原理与应用63 2022-3-18传感器原理与应用64l应变式加速度传感器应变式加速度传感器32141等 强 度 梁 ；2质 量 块 ；3壳 体 ；4电 阻 应 变 敏 感 元 体2022