第三讲 电阻传感器原理

1、传感器测量原理(1),本章学习要求：,1.掌握电阻式传感器的工作原理 2.了解电阻式传感器的结构、分类 3.了解电阻传感器的测量电路 4.了解电阻传感器的应用,工程测试技术基础,概述,1. 传感器定义,传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。,目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。,转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。,基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。,传感器的组成,

2、敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。,弹性敏感元件（弹簧管）,弹簧管(布尔登管）将压力转换为角位移,P418,最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。,由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。,实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，

3、大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。,2、按传感器的工作机理，分为结构型与物性型,1、按照被测物理量，分为位移、压力、振动、温度传感器等，表明传感器的用途,传感器的分类,结构型传感器：依赖结构参数的变化实现信息转换,2)物性型传感器：依赖敏感元件的物理特性的变化实现信息转换,3、按传感器使用电源与否：分为有源传感器和无源传感器；按传感器的能量转换情况，分为能量控制型传感器和能量转换型传感器,4、按照工作原理分类：十大类,电阻式 电感式 磁电式 压电式 电容式,光电式 热电式 陀螺式 机械式 流体式,5、按传感器输出信号，分为开关型、模拟型和数字型,P163 表4.1 常用传感器类型及作

4、用原理,2.2 电阻式传感器,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器,第二讲 传感器测量原理（1）,3个参数中的1个或数个发生变化，电阻R就变化！,按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、压阻式.,（一）变阻器式传感器的构造与原理 1.机械结构 2.物理模型 3.数学模型,一、 变阻器式传感器（电位器式传感器）,变阻式传感器,等效电路分析:,l 电位计电阻元件长; x 电刷移动量. R 总电阻; Rx电刷电阻;,l,x,=,R,Rx,=,Ui,Uo,电位计,电位计空载输出电压,当电位计结构及电源电压确定后，理想线性电位计KR和KU为常数，因此线性电位计输出电压与电刷

5、位移（或转角）成呈线性关系。,动手做一做,如何变成传感器? 一个具体的工程实例: 请将电位器接入实际身高测量应用中.,1.结构误差 阶梯特性与阶梯误差,（二）工程应用中存在的问题,阶梯误差是一种原理误差，它限制了电位计的精度和分辩力。,(1) 阶梯特性 输出电压随x的变化是不连续的，而是阶梯形的折线。 (2) 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：阶梯形曲线围绕理论特性曲线上下波动产生的偏差。,2.负载特性 负载特性与负载误差,若使非线性误差(1020) R,m为电位计的负载系数,（三）产品及应用,某些电刷结构,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

6、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。,按制作方式：,线绕电位器,线绕电位器,薄膜电位器,(四) 变阻器式传感器的性能参数: 1)线性(或曲线的一致性); 4)移动或旋转角度范围; 2)分辨率; 5)电阻温度系数; 3)整个电阻值的偏差; 6)寿命,(3)变阻器式传感器的分类,按测量类型：,单圈电位器,多圈电位器,直线滑动式电位器,特点及应用,优点 结构简单,性能稳定,输出信号大,一般不用放大,受外界条件影响小等优点 缺点 动态响应差,精度差,分辨率低,YCO-l50型压力传感器原理图,膜盒电位器式压力传感器原理图,电位器式加

7、速度传感器示意图,电位计的技术指标,应用 常用来测位移,压力,加速度. 问题: 前述的测身高装置如何改为测体重装置?,案例：重量的自动检测-配料设备,原理：弹簧-力-位移 -电位器-电阻,案例：煤气包储量检测,原理：钢丝-收线圈数 -电位器 -电阻,2 电阻应变式传感器-应变片,电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。,拉,压,电阻应变式传感器的工作原理基于四个基本的转换环节： 力(F) 应变() 电阻变化(R) 电压输出(V) 力 应变由敏感元件完成，依赖于传感器的结构； 应变电阻变化由应变式

8、转换元件完成，即金属应变效应； 电阻变化电压输出则由测试电路完成。,（1）导电材料的电阻应变效应 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，其电阻值发生变化的现象。 图示，长 ，截面积为A的金属电阻丝，未受力时原始电阻值为：,电阻应变计的基本原理结构和应用,图2.1 导体受拉伸后的参数变化,当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长dl，横截面积相应减小dA， 电阻率因材料晶格发生变形等因素 影响而改变了d，从而引起电阻值相对变化量为：,金属电阻应变片（丝式、箔式、薄膜式） （1）丝式应变片 将金属电阻丝（一般是合金，电 阻率较高，直径约0.02mm）粘贴在 绝缘基片上，上面覆盖一层薄

9、膜， 使它们变成一个整体。,（2）箔式应变片 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 0.0030.010 mm，粘贴在基片上， 上面再覆盖一层薄膜而制成。,（3）金属薄膜应变片 薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。 有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。,常用应变片的形式,(1)敏感栅实现应变-电阻转换的敏感元件。通常由直径为0.0150.05mm的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。 (2)基底为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。一般0.020.0

10、4mm。 (3)引线起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。通常取直径约0.10.15mm的低阻镀锡铜线。 (4)盖层用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用。 (5)粘结剂制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；使用应变计时，用它把应变计基底粘贴在试件表面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用,金属应变计,（2）半导体材料的压阻效应 压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时， 其电阻率发生变化的现象。,优点：体积小，灵敏度高，频率响应范围宽，输出幅值大，不需要放大器。 缺点：其温度系数大，应变时非线性较严重。,应变片的主要参数,4）其它表示应变

11、计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 bL表示。,2）电阻值：应变计的原始电阻值。 (60,90,120,300,500,1000),3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。,应变片的误差及补偿,影响应变片精度的主要因素是温度 电阻值随温度的变化而改变； 应变片与衬底材料的热膨胀系数不一样。 应变片测量的另一误差来自应变片的大小和测点的位置,温度补偿（自补偿法和线路补偿法） 单丝自补偿应变片 每一种材料的被测试件，其线膨胀系数都为确定值,选择应变片敏感栅材料，使其电阻温度系数和线膨胀系数满足一定条件，可实现温

12、度自补偿。 双丝组合式自补偿应变片 两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反。 电路补偿法,如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为 式中A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。,USC,R2,R4,R1,R3,U,桥路补偿法,由上式可知，当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。,测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2，称为补偿应变片。在工

13、作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。由于R1与R2接入电桥相邻臂上，造成R1t与R2t相同，根据电桥理论可知，其输出电压USC与温度无关。当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出电压。,当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即 上式中可以选择R1=R2=R及R3=R4=R。 当温度升高或降低时，若R1t=R2t，即两个应变片的热输出相等，可知电桥的输出电压为零。 若有应变作用，只会引起电阻R1发生变化，R2不承受应变。 电桥输出电压只与应变有关，与温度无关。,根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试件上

14、，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。,图(a)为一个梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，应变片R1和R2的阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿目的。,构件受弯曲应力,构件受单向应力,(b)图是受单向应力的构件，将工作应变片R2的轴线顺着应变方向，补偿应变片R1的轴线和应变方向垂直，R1和R2接入电桥相邻臂，其输出为,电阻应变片的选择、粘贴技术,(1)目测电阻应变片有无折痕.断丝等 缺陷，有缺 陷的应变片不能粘贴。 (2)用数字

15、万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥 中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆. (3)试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。 (4)应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。 (5)焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。 (6)用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。 (7)应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。,应变片的粘贴：1. 去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力 ，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。,2

16、.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶 ，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡 。,3.测量 ：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。,4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。,5.固定： 焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。,应变片测量电路,令：,金属丝应变片：,USC与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变,R2,R3,R1,R4,U0,a,c,d,b,USC,I1,I2,电桥平衡公式：,直流电桥,（1）半桥单臂连接,实践中常设相邻桥臂的

17、阻值相等，即R1= R2= R0， R3 = R4= R0， 若R0 = R0=R，则有,（2）半桥双臂连接,当R1= R2= R0， R3 = R4= R0， R1= R2= R，且R0 = R0=R，则有,（3）全桥连接,当R1= R2= R3= R4= R， R1= R2= R3= R4= R，则有,R3 R3,若4个桥臂阻值变化同号时，存在,当RiR时，输出电压与应变呈线性关系。 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的极性不同时，输出电压为两者之和。 若相对两桥臂应变的极性一致时，输出电压为两者之和；相对桥臂的应变极性相反时，输出电压为两

18、者之差。 利用上述特点可进行温度补偿和提高测量的灵敏度。,应变效应的应用,应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。 电阻应变片的应用可分为两大类： 第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路； 第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。,电阻应变式传感器的应用：测力,1、柱力式传感器 圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。,在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，从而构成了差动对。由于应变片沿圆周方向分布，所以非轴向载荷分量被补偿，在与轴线任意夹角的方向，其应变为 ：,1沿轴向的应变；弹性元件的泊松比。,当=0时,当=90时,E：弹性元件的杨氏模量,2、梁力式传感器 等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬臂梁。梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁长为L，粱厚为h。,L,R1,R3,R2,R4,x,F,h,b,等强度梁弹性元件,b0,R4,力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，故在对L方向上粘贴应变片位置要求不严。 横截面梁 双空梁 S形弹性元件,（b）,（a）,应