工学第2章-电阻式传感器课件

第二章电阻式传感器

第二章电阻式传感器1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电阻式传感器的分类

电位计式：物理量变化电阻变化传感元件属于2§2-1电位计式传感器§2-1电位计式传感器3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4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。电位计式传感器的优、缺点：优点：5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，分辨率高电位计分类电位计分类按输出-输入特性线性电位计按结构形式线绕6一、线绕电位计的结构

一、线绕电位计的结构7二、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均是常数二、线绕电位计的工作原理根据欧姆定律：以线位移型为例：8三、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。三、线绕电位计的输出特性阶梯特性和阶梯误差9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：

输出特性二负载特性和负载误差一般表达式：10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。

对负载特性的讨论：当时，特性11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

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12四、电位计式传感器的应用

电位计式压力传感器

四、电位计式传感器的应用电位计式压力传感器13电位计式加速度计电位计式加速度计14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

总结原始变换物理能量输出量位移欧姆结构型控制型电阻或15§2-2电阻应变式传感器§2-2电阻应变式传感器16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。

优点：结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；17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18§2-2-1电阻应变片§2-2-1电阻应变片19一、金属电阻应变片

金属的应变效应

根据欧姆定律：

一、金属电阻应变片金属的应变效应根据欧姆定律：20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21结构和形式

结构和形式22种类种类23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。电阻-应变特性令Ks越大，越灵敏Ks金属丝的灵敏系24二、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。

压阻效应系数E弹性模数实验表明：E>>1+2

半导体应变片的灵敏系数

二、半导体应变片半导体材料有明显的压25§2-2-2测量电路§2-2-2测量电路26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

测量过程力、压力应变变化电阻变化电压或电流的变化敏感元件27一、直流电桥

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相应变化一、直流电桥

1、不平衡桥式直流不平衡式电桥形式电桥平衡条28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半桥和全桥假设R1=R2=R3=R4根据参与工作的29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。

讨论电桥接法与电桥灵敏度的关系：单纯的增加桥302、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”。

2、平衡桥路原理H的读数桥臂电阻变化R31二、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

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32§2-2-3温度误差及其补偿§2-2-3温度误差及其补偿33一、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

一、温度误差敏感栅电阻随温度的变化引起的误差34二、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

二、温度补偿自补偿法352.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

2.线路补偿法1）电桥补偿法36§2-2-4应变式传感器的应用

§2-2-4应变式传感器的应用37一、测结构的应变或应力一、测结构的应变或应力38二、与弹性元件结合构成各种应变式传感器二、与弹性元件结合构成各种应变式传感器39应变式加速度传感器应变式加速度传感器40应变式传感器实例

应变式压力传感器

应变式传感器实例应变式压力传感器41应变式力传感器

应变式力传感器42三、压阻式压力传感器

三、压阻式压力传感器43四、压阻式加速度传感器

四、压阻式加速度传感器44总结传感元件

原始输入量

变换原理

物理现象

能量关系

输出量

金属电阻应变片

应变

应变效应

物性型

控制型

电阻

半导体应变片

应力

压阻效应

物性型

控制型

电阻率

总结传感原始变换物理能量输出量金属应变应变物性型控制型45第二章电阻式传感器

第二章电阻式传感器46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电阻式传感器的分类

电位计式：物理量变化电阻变化传感元件属于47§2-1电位计式传感器§2-1电位计式传感器48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49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。电位计式传感器的优、缺点：优点：50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，分辨率高电位计分类电位计分类按输出-输入特性线性电位计按结构形式线绕51一、线绕电位计的结构

一、线绕电位计的结构52二、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均是常数二、线绕电位计的工作原理根据欧姆定律：以线位移型为例：53三、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。三、线绕电位计的输出特性阶梯特性和阶梯误差54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：

输出特性二负载特性和负载误差一般表达式：55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。

对负载特性的讨论：当时，特性56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

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57四、电位计式传感器的应用

电位计式压力传感器

四、电位计式传感器的应用电位计式压力传感器58电位计式加速度计电位计式加速度计59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

总结原始变换物理能量输出量位移欧姆结构型控制型电阻或60§2-2电阻应变式传感器§2-2电阻应变式传感器61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。

优点：结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；62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63§2-2-1电阻应变片§2-2-1电阻应变片64一、金属电阻应变片

金属的应变效应

根据欧姆定律：

一、金属电阻应变片金属的应变效应根据欧姆定律：65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66结构和形式

结构和形式67种类种类68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。电阻-应变特性令Ks越大，越灵敏Ks金属丝的灵敏系69二、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。

压阻效应系数E弹性模数实验表明：E>>1+2

半导体应变片的灵敏系数

二、半导体应变片半导体材料有明显的压70§2-2-2测量电路§2-2-2测量电路71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

测量过程力、压力应变变化电阻变化电压或电流的变化敏感元件72一、直流电桥

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相应变化一、直流电桥

1、不平衡桥式直流不平衡式电桥形式电桥平衡条73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半桥和全桥假设R1=R2=R3=R4根据参与工作的74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。

讨论电桥接法与电桥灵敏度的关系：单纯的增加桥752、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”。

2、平衡桥路原理H的读数桥臂电阻变化R76二、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