军交院传感器与检测技术课件第2章 电阻式传感器

第2章电阻式传感器电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，其基本原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而最后显示被测量值的变化。电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等测试系统。目前已成为生产过程检测以及实现生产自动化不可缺少的手段之一。

下页返回图库第2章电阻式传感器2.1电位器式传感器2.2应变片式传感器本章要点下页上页返回图库2.1电位器式传感器电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各种电器和电子设备中。它主要是一种把机械的线位移或角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件来使用。它们主要用于测量压力、高度、加速度、航面角等各种参数。电位器式传感器具有一系列优点，如结构简单、尺寸小、重量轻、精度高、输出信号大、性能稳定并容易实现任意函数。其缺点是要求输入能量大，电刷与电阻元件之间容易磨损。电位器的种类很多，按其结构形式不同，可分为线绕式、薄膜式、光电式等；按特性不同，可分为线性电位器和非线性电位器。目前常用的以单圈线绕电位器居多。下页上页返回图库2.1.1线性电位器线性电位器的空载特性图2-1电位器式位移传感器原理图图2-2电位器式角度传感器图2-3线性线绕电位器示意图阶梯特性、阶梯误差和分辨率图2-4局部剖面和阶梯特性图图2-5理想阶梯特性曲线下页上页返回图库2.1.2非线性电位器非线性电位器是指在空载时其输出电压(或电阻)与电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器，也称函数电位器。常用的非线性线绕电位器有变骨架式、变节距式、分路电阻式及电位给定式四种。图2-6变骨架电位器下页上页返回图库2.1.3负载特性与负载误差图2-7带负载的电位器电路图2-8电位器的负载特性曲线族图2-9电位器负载误差曲线图2-10非线性电位器的空载特性与线性电位器的负载特性的镜象关系下页上页返回图库2.1.4电位器的结构与材料由于测量领域的不同，电位器结构及材料选择有所不同。但是其基本结构是相近的。电位器通常都是由骨架、电阻元件及活动电刷组成。常用的线绕式电位器的电阻元件由金属电阻丝绕成。图2-11某些电刷结构图2-12YCO-150型压力传感器原理图图2-13膜盒电位器式压力传感器原理图下页上页返回图库2.1.5电位器式传感器应用举例图2-14电位器式位移传感器示意图图2-15测小位移传感器示意图图2-16电位器式加速度传感器示意图下页上页返回图库2.2应变片式传感器电阻应变片的工作原理金属电阻应变片主要特性温度误差及补偿应变片式电阻传感器的测量电路应变片式电阻传感器的应用举例下页上页返回图库2.2.1电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。图2-17金属丝伸长后几何尺寸变化下页上页返回图库2.2.2金属电阻应变片主要特性金属电阻应变片结构及材料图2-18应变片的基本结构图2-19箔式应变片的基本结构图2-20各式箔式应变花下页上页返回图库2.2.2金属电阻应变片主要特性电阻应变片主要特性灵敏系数横向效应机械滞后，零漂及蠕变温度效应应变极限、疲劳寿命动态响应特性图2-21机械滞后图2-22应变极限下页上页返回图库2.2.3温度误差及补偿在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数αt及栅丝与试件膨胀系数(βg及βs)之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。必须采取补偿温度误差的措施。通常温度误差补偿方法有两类：自补偿法

1．单丝自补偿法

2．组合式自补偿法线路补偿法图2-26组合式自动补偿法之二图2-27电桥补偿法图2-28差动电桥补偿法下页上页返回图库2.2.4应变片式电阻传感器的测量电路

直流电桥直流电桥平衡条件直流电桥电压灵敏度电桥的非线性误差

交流电桥交流电桥的平衡条件交流应变电桥的输出特性及平衡调节图2-29直流电桥图2-30交流电桥图2-31常见调平衡电路下页上页返回图库2.2.4应变片式电阻传感器的测量电路例：已知公式：初始电阻R=120

灵敏度系数K=2

纵向应变=1000=1‰时

求：该应变片电阻的绝对变化量

R=0.24下页上页返回图库2.2.4应变片式电阻传感器的测量电路上述一例中各参数均为产品较有代表性的参数。而纵向应变量也取得十分大（通常应变片的线性工作范围仅有600

）。由上例中可以得出以下结论：应变片式传感器对应变产生的电阻变化量很小，通常是在几个欧姆以下。要求测量电路必须能够测量微小电阻的变化。电桥电路是最常用的测量微小电阻变化的电路。下页上页返回图库2.2.5应变片式电阻传感器的应用举例应变式测力传感器圆柱式力传感器梁式力传感器应变式压力传感器应变式扭矩传感器应变式加速度传感器下页上页返回图库2.2.5应变片式电阻传感器的应用举例图2-32荷重传感器弹性元件的形式图2-33梁式力传感器图2-34膜片上应力分布图图2-35扭矩传感器图2-36应变式加速度传感器下页上页返回图库第2章本章要点电位器式电阻传感器

线性电位器线性电位器的空载特性(公式2-1,2-2)

位移传感器灵敏度(公式2-5,2-6)

阶梯特性、阶梯误差和分辨率(公式2-7)

电压分辨率定义(公式2-10)

行程分辨率定义(公式2-11)

非线性电位器负载特性与负载误差(公式2-20,2-21,2-22,2-23)下页上页返回图库第2章本章要点电位器的结构与材料电位器式传感器应用举例应变片式电阻传感器电阻应变片的工作原理金属电阻应变片主要特性温度效应(公式2-30)温度误差及其补偿自补偿法:单丝自补偿法(公式2-35)