第二讲--电阻式传感器

1、电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用电阻式传感器电阻式传感器 第二讲第二讲 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器的类别与特性电阻式传感器的类别与特性应变式电阻传感器：应变式电阻传感器：基本原理、工作特性和主要应用。基本原理、工作特性和主要应用。重点重点电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用 第二讲第二讲 电阻式传感器电阻式传感器 2.1 2.1 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器2.2 2.2 应变式电阻传感器应变式电阻传感器 2.2.1 2.2.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理 2.2.

2、2 2.2.2 电阻应变片的种类电阻应变片的种类 2.2.3 2.2.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 2.3 2.3 电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用电阻式传感器的分类电阻式传感器的分类电位计式：电位计式：应变式：应变式：物理量变化物理量变化电阻变化电阻变化传感元件传感元件属于大电阻变化型，属于大电阻变化型，R：0R传传物理量变化物理量变化变形变形（应力、应变）（应力、应变）敏感元件敏感元件属于微电阻变化型属于微电阻变化型，R：020%R传传传感元件传感元件电阻变化电阻变化电气与电子工程系电气与

3、电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用 将机械的将机械的线位移或角位移线位移或角位移的变化的变化 电阻或电压的变化电阻或电压的变化一定函数关系一定函数关系变变阻阻器器式式变变压压器器式式电位器式传感器的分类电位器式传感器的分类电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用电位计分类电位计分类按输出按输出- -输入特性输入特性线性电位计线性电位计非线性电位计非线性电位计按结构形式按结构形式线绕式线绕式在传感器中应用较多在传感器中应用较多薄膜式薄膜式具有较高的精度和线性特性具有较高的精度和线性特性光电式光电式无摩擦和磨损，分辨率高无摩擦和磨

4、损，分辨率高电位计分类电位计分类电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用一、线绕电位计的结构一、线绕电位计的结构 P17 图图2-1 线绕电位器式传感器工作原理图线绕电位器式传感器工作原理图电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用二、线绕电位计的工作原理二、线绕电位计的工作原理 根据欧姆定律：根据欧姆定律： 若变阻器式：若变阻器式： 其中，其中， x：位移量；：位移量；SR 电阻灵敏度：表示电刷单位位移电阻灵敏度：表示电刷单位位移能引起的输出电阻的变化量；能引起的输出电阻的变化量； 若分压器式：若分压器式： 其

5、中，其中，x：位移量；：位移量； SV 电压灵敏度：表示电刷单位位移能引电压灵敏度：表示电刷单位位移能引起的输出电压的变化量起的输出电压的变化量 ； SR、SV均是常数均是常数 。 ALR RxSLxRRx vxSLxUUc若电位器空载时若电位器空载时 LR电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用三、线绕电位器的输出特性三、线绕电位器的输出特性 1.1.阶梯特性和阶梯误差阶梯特性和阶梯误差 . .阶梯特性阶梯特性 电位器输出电位器输出电压随电压随x的变化是不连续的，的变化是不连续的，而是一条阶梯形的折线。而是一条阶梯形的折线。. .阶梯误差阶梯误差 理

6、论特性曲线理论特性曲线 通过每个阶通过每个阶梯中点的曲线。梯中点的曲线。阶梯误差阶梯误差 阶梯形曲线围绕阶梯形曲线围绕理论特性曲线上下波动产生的偏理论特性曲线上下波动产生的偏差。差。Rxx0 0理论特性曲线理论特性曲线电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用2.2.负载特性负载特性负载特性负载特性 电位计有负载电位计有负载RL 0的情况下得到的特性。的情况下得到的特性。一般表达式：一般表达式： 电刷的相对行程负载系数的倒数电阻的相对变化相对输出电压LxXRRKRRrUUYRLLxio UO -12LLKrKrrY电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿

7、 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用对负载特性的讨论对负载特性的讨论 当当 时，即时，即 时，特性曲线变成直线，时，特性曲线变成直线，它实为空载特性它实为空载特性 ;当带有负载时，曲线下垂，负载越小，下垂越多，产生的当带有负载时，曲线下垂，负载越小，下垂越多，产生的误差越大。误差越大。 RRKLLLR电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用总结总结位移位移 欧姆欧姆定律定律结构型结构型 控制型控制型 电阻或电阻或电压电压 电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用v原理：金属在外界应力作用下电阻值变化的效应

8、原理：金属在外界应力作用下电阻值变化的效应电阻应变电阻应变效应效应v结构简单，使用方便结构简单，使用方便v可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；弹性弹性敏感敏感元件元件力、压力、压力、位力、位移移电阻电阻应变应变片片电桥电桥电路电路RUv易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测；易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测；v灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；2.2 2.2 应变式电阻传感器应变式电阻传感器电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用电阻应变片的发展历史

9、电阻应变片的发展历史1856年，年，W. Thomoson发现金发现金属丝的应变效应，并用惠斯通电属丝的应变效应，并用惠斯通电桥精确测量电阻的变化桥精确测量电阻的变化 。1938年，年，E. Simmons和和A. Ruge制成纸基丝绕式应变片。制成纸基丝绕式应变片。1953年，年，P. Jackson用光刻技术用光刻技术制成箔式应变片。制成箔式应变片。1954年，年，C. Smith发现半导发现半导体材料的压阻效应。体材料的压阻效应。 1957年，年，W. Mason研制出半研制出半导体应变片。导体应变片。2.2 2.2 应变式电阻传感器应变式电阻传感器电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴

10、睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用应变片用于各种电子衡器应变片用于各种电子衡器 电子天平电子天平2.2 2.2 应变式电阻传感器应变式电阻传感器电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用斜拉桥上的斜拉绳应变测试斜拉桥上的斜拉绳应变测试 2.2 2.2 应变式电阻传感器应变式电阻传感器电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用汽车衡汽车衡称重系统称重系统2.2 2.2 应变式电阻传感器应变式电阻传感器电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用2.2.1 2.2.1 电

11、阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理一、金属的电阻应变效应一、金属的电阻应变效应金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变化金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变化的现象称为金属的的现象称为金属的电阻应变效应电阻应变效应。 / ALR电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用2.2.1 2.2.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理dAALdALdLAdR2AdAdLdLRdR / ALR金属丝的应变效应金属丝的应变效应ll+ dl2r2(r-dr)FF电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感

12、器基础及应用轴向应变和径向应变的关系为轴向应变和径向应变的关系为 y= -x其中，其中，为金属材料的泊松系数。为金属材料的泊松系数。金属的径向应变金属的轴向应变令yxrdrLdL/ / AdAdLdLRdR由由(12 )xdRdR 因此因此xxdRdR/)21 (/或或2.2.1 2.2.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用式中：式中：KS 金属丝的灵敏系数；金属丝的灵敏系数；(gage factor)令：令：在金属丝的弹性范围内，灵敏系数在金属丝的弹性范围内，灵敏系数KS 为常数，即为常数，即 ： 线性

13、关系线性关系 / xSxSRdRKKRdR由由(12 )xdRdR xxSdRdRK/)21 (/2.2.1 2.2.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用半导体应变片又称为压阻式传感器。半导体应变片又称为压阻式传感器。基于半导体材料的压阻效应而制成的一种基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件纯电阻性元件。压阻效应：压阻效应：半导体材料的电阻率随作用应力的变化而发生变化的现象。半导体材料的电阻率随作用应力的变化而发生变化的现象。 二、半导体的压阻效应二、半导体的压阻效应当半导体材料受轴向力作用时，

14、电阻相对变化为当半导体材料受轴向力作用时，电阻相对变化为xRR)21（2.2.1 2.2.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理xE由由xERR)21（所以所以半导体材料的半导体材料的压阻系数。压阻系数。电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用实验证明实验证明E比比1+2大近百倍，大近百倍，所以所以1+2可以忽略，因而半导体应可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数：变片的灵敏系数： 半导体应变片的优点：半导体应变片的优点：体积小，灵敏度高，频率响应范围宽，输出幅值大，不需要放体积小，灵敏度高，频率响应范围宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪

15、连接，使测量系统简单。大器，可直接与记录仪连接，使测量系统简单。ERRKxS/2.2.1 2.2.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理二、半导体的压阻效应二、半导体的压阻效应xERR)21（由由电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用金属应变片：金属应变片：丝式丝式 箔式箔式 薄膜式薄膜式 基片基片覆盖层覆盖层金属丝金属丝引线引线金属丝应变片结构金属丝应变片结构1 1、金属丝式应变片、金属丝式应变片 金属电阻丝（合金，电阻金属电阻丝（合金，电阻率高，直径约率高，直径约0.0250.025mm）粘贴）粘贴在绝缘基片上，上面覆盖一层在绝缘基片上，上

16、面覆盖一层薄膜，变成一个整体。薄膜，变成一个整体。 2.2.2 2.2.2 电阻应变片的种类电阻应变片的种类 金属电阻应变片金属电阻应变片半导体电阻应变片半导体电阻应变片电阻电阻应变片应变片按材料分类：按材料分类： 按结构分类：按结构分类： 单片、双片、特殊形状单片、双片、特殊形状 按使用环境分类：按使用环境分类： 高温、低温、高压、磁场、水下高温、低温、高压、磁场、水下 电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在的金属箔栅，厚度一般在0.0030.010 mm，粘贴在

17、基片上，上面再覆盖一层薄膜而制粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。成。优点：优点：表面积和截面积之比大，散热条件好，表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种需要的允许通过的电流较大，可制成各种需要的形状，便于批量生产。形状，便于批量生产。金属箔式应变片金属箔式应变片2 2、金属箔式应变片、金属箔式应变片2.2.2 2.2.2 电阻应变片的种类电阻应变片的种类 电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用金属薄膜应变片是采金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料散等方法，在薄的基底

18、材料上制成一层金属电阻材料薄上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。膜以形成应变片。特点：特点：这种应变片有较高的这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。大，工作温度范围较广。 常用金属薄膜应变片常用金属薄膜应变片3 3、金属薄膜应变片、金属薄膜应变片2.2.2 2.2.2 电阻应变片的种类电阻应变片的种类 电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用金属应变片的基本结构金属应变片的基本结构2.2.2 2.2.2 电阻应变片的种类电阻应变片的种类 电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及

19、应用传感器基础及应用应应变变电电桥桥双臂应变电桥双臂应变电桥单臂应变电桥单臂应变电桥全臂应变电桥全臂应变电桥直流电桥：直流电桥：R交流电桥交流电桥: : R、L、C不平衡桥式：不平衡桥式：偏差测量法（动态）偏差测量法（动态）平衡桥式：平衡桥式：零位测量法（静态）零位测量法（静态）半等臂电桥半等臂电桥全等臂电桥全等臂电桥工作方式工作方式桥臂关系桥臂关系电源电源负载负载工作臂工作臂电压输出桥：电压输出桥：功率输出桥：功率输出桥：U、I0,IRL电源端对称电源端对称输出端对称输出端对称32,41ZZZZ43,21ZZZZ2.2.3 2.2.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路4321ZZZZ

20、电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用一、直流电桥一、直流电桥 1 1、平衡条件、平衡条件电桥输出电压电桥输出电压 4332110RRRRRREU当电桥平衡时，当电桥平衡时，若若R1由应变片替代，当电桥开路由应变片替代，当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为时，不平衡电桥输出的电压为ERRRRRRRRRRU)1)(1 (34121134110 433211110RRRRRRRREU2.2.3 2.2.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用一、直流电桥一、直流电桥 2

21、 2、电压灵敏度、电压灵敏度01120U1RRnnEU2111nnERRUSoVESV41max2.2.3 2.2.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用（1 1）非线性误差）非线性误差绝对非线性误差绝对非线性误差 实际的非线性特性曲线与实际的非线性特性曲线与理想的线性特性曲线的偏差。理想的线性特性曲线的偏差。相对非线性误差相对非线性误差绝对非线性误差绝对非线性误差L与理想的与理想的线性特性曲线的比。线性特性曲线的比。实际输出实际输出电压电压U0与与R1/R1的关系是非线的关系是非线性的，非线性误差为性的，

22、非线性误差为 100000UUUUUL一、直流电桥一、直流电桥 3 3、非线性误差及补偿方法、非线性误差及补偿方法1111212RRRRL1)1)(1()()1()()(1)(341211343412111134RRRRERRRRRRRRRRERRRRL若四等臂电桥，即若四等臂电桥，即R1=R2=R3=R4则非线性误差为则非线性误差为非线性误差不能满足测量要求时要消除。非线性误差不能满足测量要求时要消除。2.2.3 2.2.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用 提高桥臂比提高桥臂比桥臂比的提高可使非线性误

23、桥臂比的提高可使非线性误差减小；但电桥电压灵敏度降低。差减小；但电桥电压灵敏度降低。为了不降低，必须适当提高供桥为了不降低，必须适当提高供桥电压。电压。 （2 2）减小或消除非线性误差的方法）减小或消除非线性误差的方法1211111RRRRRRL一、直流电桥一、直流电桥 3 3、非线性误差及补偿方法、非线性误差及补偿方法 采用差动电桥采用差动电桥半桥半桥为了减小和克服非线性误为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥。在试件差，常采用差动电桥。在试件上安装两个工作应变片，一个上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变。受拉应变，一个受压应变。 桥臂电阻桥臂电阻R1和和R2都由应变都由应变片

24、替代，接入电桥相邻桥臂，片替代，接入电桥相邻桥臂，这种接法称为这种接法称为半桥差动电路半桥差动电路。2.2.3 2.2.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用 采用差动电桥采用差动电桥半桥半桥一、直流电桥一、直流电桥 3 3、非线性误差及补偿方法、非线性误差及补偿方法（2 2）减小或消除非线性误差的方法）减小或消除非线性误差的方法4332211110RRRRRRRRREU当电桥开路时，不平衡电桥输当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为出的电压为 21110RREU432121RRRRRR温度补温度补偿作用偿作

25、用2.2.3 2.2.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路（2-31）电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用 采用差动电桥采用差动电桥全桥全桥110RREU 一、直流电桥一、直流电桥3 3、非线性误差及补偿方法、非线性误差及补偿方法（2 2）减小或消除非线性误差的方法）减小或消除非线性误差的方法温度补温度补偿作用偿作用2.2.3 2.2.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路（2-32）电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用43213241433211ZZZZZZZZUZZZZZZUUACAC

26、o ZZ 43213241ZZZZZZ或二、交流电桥二、交流电桥 1 1、交流电桥平衡条件、交流电桥平衡条件 2.2.3 2.2.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用1141ZZUUSRSC1121ZZUUSRSC11ZZUUSRSC二、交流电桥二、交流电桥 2 2、交流电桥的不平衡状态、交流电桥的不平衡状态 2.2.3 2.2.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用二、交流电桥二、交流电桥 3 3、交流电桥的调平方法

27、、交流电桥的调平方法 2.2.3 2.2.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用一、应变式传感器的特点一、应变式传感器的特点1 1、应变式传感器的优点、应变式传感器的优点2 2、应变式传感器的缺点、应变式传感器的缺点N721010力：Pa811010压力：23/10sm加速度：VmV /几十0.1%0.01%s1171010几十几十上百上百kHz2.3 2.3 电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用一、应变式力（荷重）传感器一、

28、应变式力（荷重）传感器F2.3 2.3 电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用一、应变式力（荷重）传感器一、应变式力（荷重）传感器 1 1、柱（筒）式力传感器、柱（筒）式力传感器 实心圆柱实心圆柱空心圆柱空心圆柱R6R7R8R2R3R4R5R1U0R1R3R5R7R6R8R2R42.3 2.3 电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用一、应变式力（荷重）传感器一、应变式力（荷重）传感器 2 2、环式力传感器、环式力传感器2.3 2.3 电

29、阻式传感器的应用电阻式传感器的应用电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用一、应变式力（荷重）传感器一、应变式力（荷重）传感器 3 3、悬臂梁式力传感器、悬臂梁式力传感器2.3 2.3 电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用一、应变式力（荷重）传感器一、应变式力（荷重）传感器 3 3、悬臂梁式力传感器、悬臂梁式力传感器2.3 2.3 电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用一、应变式力（荷重）传感

30、器一、应变式力（荷重）传感器 3 3、悬臂梁式力传感器、悬臂梁式力传感器电子天平的精度可达十万分之一电子天平的精度可达十万分之一2.3 2.3 电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用二、应变式压力传感器二、应变式压力传感器2.3 2.3 电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用二、应变式压力传感器二、应变式压力传感器2.3 2.3 电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用二、应变式压力传感器二、应变式压力传感器压阻式压阻式传感器传感器处理电路处理电路扩散硅压力传感器芯体扩散硅压力传感器芯体压阻式固态压力传感器内部结构压阻式固态压力传感器内部结构2.3 2.3 电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用电气与电子工程系电气与电子工程系吴睿吴睿 制作制作传感器基础及应用传感器基础及应用三、应变式加