電阻式傳感器47904課件

檢測與傳感技術(shù)E-mail：電話：2/6/20231第3章電阻式傳感器電阻式傳感器是一種把被測參量轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器電位器式傳感器電阻應變式傳感器壓阻式傳感器熱電阻式傳感器2/6/20232一電位器式傳感器

電位器主要是把機械位移轉(zhuǎn)換為與其成一定函數(shù)關系的電阻或電壓的輸出。1、基本工作原理 電位器式傳感器由電阻器和電刷組成，電刷觸點的移動導致輸出電阻的變化。2/6/202332、電位器的結(jié)構(gòu)2/6/202353、輸出—輸入特性

線性電位器：

其中： L——電位器觸點行程； x——電位器電刷位移; U——輸入電壓; Ux——輸出電壓; Rx——輸出電阻;2/6/202364、電位器傳感器的應用

電位器式傳感器常用來測量位移、壓力、加速度等參量。下圖是電位器式位移傳感器的結(jié)構(gòu)圖。被測位移使測量軸沿導軌軸向移動時，帶動電刷在滑線電阻上產(chǎn)生相同的位移，從而改變電位器的輸出電阻。2/6/20237當電阻絲受到拉力F作用時,將伸長ΔL,橫截面積相應減小ΔA,電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變Δρ,故引起電阻值變化。導體受拉力后的變化：LrFF2/6/20239LrFFΔrΔL導體受拉力后的變化：當電阻絲受到拉力F作用時,將伸長ΔL,橫截面積相應減小ΔA,電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變Δρ,故引起電阻值變化。2/6/202310其變化量為：其中：dl/l——長度相對變化量，用軸向應變ε表示：dA/A——圓形電阻絲的截面積相對變化量，設r為電阻絲的半徑，dA=2πrdr,則

2/6/202311由于（C由材料和加工方式?jīng)Q定）金屬導體材料的電阻率相對變化與其體積應變的關系：體積應變2/6/202313由

：對于金屬材料:金屬材料的應變靈敏系數(shù)Km：對于金屬材料存在：對于金屬材料的應變電阻以結(jié)構(gòu)尺寸變化為主2/6/202314半導體材料受到應力作用時，電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“壓阻效應”。其電阻率相對變化與材料的軸向應力σ的關系：E:——半導體材料的彈性模量π:——半導體材料在受力方向的壓阻系數(shù)ε:——軸向線應變※彈性模量E為縱向應力和縱向應變之比，亦稱楊式模量?！鶋鹤柘禂?shù)π為單位應力作用下電阻率的相對變化。※2/6/202315總結(jié):電阻相對變化有兩部分引起，一部分是材料受力后的幾何尺寸變化（應變）；一部分是材料受力后電阻率發(fā)生的改變。

金屬材料的應變電阻以結(jié)構(gòu)尺寸變化為主；半導體材料的應變電阻主要基于壓阻效應。通常ε很小，在應變測量中也常將之稱為微應變(με)。對金屬材料而言，當它受力之后所產(chǎn)生的軸向應變最好不要大于1x10-3，即1000μm/m，否則有可能超過材料的極限強度而導致斷裂。半導體應變片突出優(yōu)點是靈敏度高,比金屬絲式高50～80倍,尺寸小,橫向效應小,動態(tài)響應好。但它有溫度系數(shù)大,應變時非線性比較嚴重等缺點。2/6/2023171、電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器是基于應變電阻效應的電阻式傳感器。其基本組成部件包括：應變片，測量電路，彈性敏感元件等。應變片是由金屬或半導體制成的應變-電阻元件。當被測物理量作用在彈性元件上時,彈性元件的變形引起應變敏感元件的阻值變化,通過轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出,電量變化的大小反映了被測物理量的大小。2/6/202318A拉力傳感器B壓力傳感器電阻應變式傳感器（照片）2/6/202319敏感柵是應變片的核心部分,它粘貼在絕緣的基片上,其上再粘貼起保護作用的覆蓋層,兩端焊接引出導線。金屬電阻應變片的敏感柵有三種:金屬絲式應變片金屬箔式應變片金屬薄(厚)膜應變片<0.1μm0.003~0.01mm光刻腐蝕復雜形通流大電阻分散性大0.15~0.30mm簡單成本低橫向效應大電阻值高更小更精確2/6/2023212/6/2023222/6/2023232/6/2023251.去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細紗布交叉打磨出細紋以增加粘貼力，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。

現(xiàn)場應變片的粘貼

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2.貼片：在應變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠，用鑷子將應變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡?，F(xiàn)場應變片的粘貼

2/6/2023274.焊接：將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。

現(xiàn)場應變片的粘貼

2/6/2023295.固定：焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應變片。

現(xiàn)場應變片的粘貼

2/6/202330

當應變片安裝于試件表面時，只受軸線方向的單位應力作用，靈敏系數(shù)k為：電阻應變片的靈敏系數(shù)2/6/202331

敏感柵通常有多條軸向縱柵和圓弧橫柵組成，當試件承受單向應力時，其表面處于平面應變狀態(tài)，即軸向拉伸ex和橫向收縮ey，會引起的總電阻的變化。2/6/202332

由軸向拉伸ex和橫向收縮ey，引起的總電阻的變化為：

：——縱向靈敏系數(shù)；：——橫向靈敏系數(shù) ：——泊松比；：——橫向效應系數(shù)其中即為橫向效應引起的誤差。為減小橫向效應，可采用直角線柵式或箔式應變式傳感器。2/6/2023333.測量原理用應變片測量時，將其粘貼在被測對象表面上。當被測對象受力變形時，應變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，這是用來直接測量應變。通過彈性敏感元件，將位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應變，則可用應變片測量上述各量，從而做成各種應變式傳感器。2/6/202334應變片之所以應用得比較廣泛，是由于它有如下的優(yōu)點：測量應變的靈敏度和精度高，性能穩(wěn)定、可靠，可測，誤差小于1%。應變片尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量速度快。測量時對被測件的工作狀態(tài)和應力分布基本上無影響。既可用于靜態(tài)測量，又可用于動態(tài)測量。測量范圍大。既可測量彈性變形，也可測量塑性變形。變形范圍可從1%～2%。適應性強。可在高溫、超低溫、高壓、水下、強磁場以及核輻射等惡劣環(huán)境下使用。便于多點測量、遠距離測量和遙測。價格便宜，品種多，工藝較成熟。2/6/2023354、溫度誤差及補償

a)電阻溫度系數(shù)的影響

敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關系可用下式表：Rt=R0（1+a0Δt）

式中:Rt——溫度為t℃時的電阻值;R0——溫度為t0℃時的電阻值;a0——金屬絲的電阻溫度系數(shù);Δt——溫度變化值,Δt=t–t0。當溫度變化Δt時,電阻絲電阻的變化值為ΔRt=Rt-R0=R0a0Δt

2/6/202336b)試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響當試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時,不論環(huán)境溫度如何變化,電阻絲的變形仍和自由狀態(tài)一樣,不會產(chǎn)生附加變形。當試件和電阻絲線膨脹系數(shù)不同時,由于環(huán)境溫度的變化,電阻絲會產(chǎn)生附加變形,從而產(chǎn)生附加電阻。2/6/202337設電阻絲和試件在溫度為0℃時的長度均為L0，它們的線膨脹系數(shù)分別為βs和βg，若兩者不粘貼,則它們的長度分別為:Ls=L0（1+βsΔt）

Lg=L0（1+βgΔt）2/6/202338 當二者粘貼在一起時,電阻絲產(chǎn)生的附加變形ΔL,附加應變eβ和附加電阻變化ΔRβ分別為：ΔL=Lg-Ls=（βg-βs）L0Δt

eβ=ΔL/L0=（βg-βs）ΔtΔRβ=K0R0eβ=K0R0(βg-βs)Δt2/6/202339

可得溫度變化引起的總電阻的變化： 2/6/202340折合成附加應變量或虛假的應變et,有

et是因為溫度變化引起的測量誤差。 消除這種誤差的溫度補償?shù)霓k法有：2/6/202341（1）線路補償法：將兩個參數(shù)相同的應變片貼在試件上，溫度沒變化之前滿足電橋平衡條件R1=R2，R3=R4；溫度變化后仍滿足電橋平衡條件R1BR2R3R4U0UR1FF補償塊試件2/6/202342

（2）應變片的自補償法：令

2/6/2023435、電阻應變片的測量電路由于機械應變一般都很小,要把微小應變引起的微小電阻變化測量出來,需要有專用測量電路,通常采用直流電橋和交流電橋。（1）直流電橋直流電橋開路輸出電壓2/6/202344當電橋平衡時,Uo=0,則有：設電橋為開路情況，當產(chǎn)生應變時,若應變片電阻變化為ΔR,其它橋臂固定不變,電橋輸出電壓Uo≠0,則電橋不平衡輸出電壓為：設橋臂比n=R2/R1,并忽略分母中ΔR1/R1電壓靈敏度2/6/202345分析電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓,

供電電壓越高,電橋電壓靈敏度越高,但供電電壓的提高受到應變片允許功耗的限制,所以要作適當選擇;電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù),恰當?shù)剡x擇橋臂比n的值,保證電橋具有較高的電壓靈敏度。電橋電壓靈敏度2/6/202346由dKU/dn=0求KU的最大值,得求得n=1時,KU為最大值。這就是說,在電橋電壓確定后,當R1=R2=R3=R4時,電橋電壓靈敏度最高,此時有2/6/202347非線性誤差及其補償方法輸出電壓因略去分母中的ΔR1/R1項而得出的是理想值,而實際值計算應為非線性誤差為γL=2/6/202348如果是四等臂電橋,R1=R2=R3=R4,則對于一般應變片來說,所受應變ε通常在5×10-3以下,若取KU=2,則ΔR1/R1=KUε=0.01,計算得非線性誤差為0.5%;若KU=130,ε=1×１0-3時,ΔR1/R1=0.130,則得到非線性誤差為6%,故當非線性誤差不能滿足測量要求時,必須予以消除。2/6/202349采用差動電橋減小和克服非線性誤差拉應變R1+ΔR1

壓應變R2-ΔR2半橋2/6/202350特點：線性靈敏度提高一倍具有溫度補償2/6/202351靈敏度是單片的4倍具有溫度補償全橋2/6/202352（2）交流電橋根據(jù)直流電橋分析可知,由于應變電橋輸出電壓很小,一般都要加放大器,而直流放大器易于產(chǎn)生零漂,因此應變電橋多采用交流電橋。由于供橋電源為交流電源,引線分布電容使得二橋臂應變片呈現(xiàn)復阻抗特性。2/6/2023532/6/202354要滿足電橋平衡條件,則有Z1Z4=Z2Z3可得整理得交流電橋的平衡條件為:當被測應力變化引起Z1=Z0+ΔZ,Z2=Z0-ΔZ變化時,則電橋輸出為2/6/202355

對交流電橋,除要滿足電阻平衡條件外,還必須滿足電容平衡條件。為此在橋路上除設有電阻平衡調(diào)節(jié)外還設有電容平衡調(diào)節(jié)。2/6/2023566、應用

應變片的應用十分廣泛。它可以測量應變應力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。

電阻應變片的應用可分為兩大類：第一類是將應變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測量各種物理量的專用應變式傳感器。第二類是將應變片貼于被測試件上，然后將其接到應變儀上就可直接從應變儀上讀取被測試件的應變量。

2/6/202357（1）應變片力傳感器被測物理量：荷重或力

主要用途：作為各種電子稱與材料試驗機的測力元件、發(fā)動機的推力測試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測等。采用彈性元件：柱式、環(huán)式、梁式等。2/6/202358a）柱（筒）式力傳感器

彈性元件的高度對傳感器的精度和動特性有影響。實心圓柱，一般取空心圓柱，一般取

其中：H為圓柱高度，D為圓柱外徑，d為圓柱內(nèi)徑，l為應變片基長。(a)(b)2/6/202359R1R3R5R7R6R8R2R4(d)UoU&??(c)R1R5R2R6R3R7R4R8柱式力傳感器結(jié)構(gòu)簡單，可測量大的拉、壓力，最大可達107N。2/6/202360FR1R2R4傳感器的外形應變片的粘貼位置2/6/202361FF汽車衡2/6/202362汽車衡2/6/202363汽車衡2/6/202364汽車衡稱重系統(tǒng)2/6/202365電子秤

磅秤超市打印秤遠距離顯示2/6/202366電子天平電子天平的精度可達十萬分之一2/6/202367人體秤

2/6/202368吊鉤秤

便攜式2/6/202369應變式數(shù)顯扭矩扳手

可用于汽車、摩托車、飛機、內(nèi)燃機、機械制造和家用電器等領域，準確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2~500N.m，耗電量≤10mA，有公制/英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動斷電等功能。2/6/202370b）環(huán)式力傳感器環(huán)式力傳感器在外力F作用下，各點的應力差別較大。對于R/h>5的曲率圓環(huán)，在載荷F作用下，A、B兩點間的應變?yōu)椋?/p>

式中h為薄壁厚度，r為外徑，b為寬度。2/6/202371c）懸臂梁式力傳感器應變片貼在固定端附近表面，順梁方向上、下各貼兩片，兩片受壓、另兩片受拉，將其組成全橋差動電路。既提高輸出電壓靈敏度，又減小非線性誤差。2/6/202372各種懸臂梁

FF固定點固定點電纜2/6/202373（2）應變片壓力傳感器應變式壓力傳感器主要用來測量流動介質(zhì)的動態(tài)或靜態(tài)壓力。如動力管道設備的進出口氣體或液體的壓力、發(fā)動機內(nèi)部的壓力變化等。彈性元件多采用膜片式或筒式。膜片式壓力傳感器應變片粘貼應變變化圖2/6/202374應變片貼在膜片內(nèi)壁,在壓力p作用下,膜片產(chǎn)生徑向應變εr和切向應變εt,表達式分別為:式中:p——膜片上均勻分布的壓力;R,h——膜片的半徑和厚度;x——離圓心的徑向距離。由應力分布圖可知,膜片彈性元件承受壓力p時,其應變變化曲線的特點為:當x=0時,εrmax=εtmax；當x=R時,εt=0,εr=-2εrmax；當x=時,εr=0

。由此，在平膜片圓心處切向粘貼R1和R4兩應變片，在邊沿處徑向粘貼R2和R3兩應變片，避開x=位置。2/6/202375（3）應變式容器內(nèi)液體重量傳感器

傳感器有一根傳壓桿，上端安裝微壓傳感器，為了提高靈敏度，共安裝兩只。下端裝有感壓膜，感壓膜感受上面液體的壓力。當容器中溶液增多時，感壓膜感受的壓力就增大。2/6/202376

將其上兩個傳感器Rt的電橋接成正向串接的雙電橋電路，此時輸出電壓為：

式中，K1、K2為傳感器傳輸系數(shù)。由于hpg表示感壓膜上面液體重量，對于等截面柱式容器，有：

式中Q為容器內(nèi)感壓膜上面溶液重量，A為柱形容器的截面積。由此可得容器內(nèi)感壓膜上面溶液重量與電橋輸出電壓之間的關系：

結(jié)論：電橋輸出電壓與柱式容器內(nèi)感壓膜上面溶液的重量成線性關系，因此可以測量容器內(nèi)儲存的溶液重量。2/6/202377（4）應變式加速度傳感器

適用于物體加速度的測量。依據(jù)：將傳感器殼體與被測對象剛性連接，當被測物體以加速度a運動時，質(zhì)量塊受到一個與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，該變形被粘貼在懸臂梁上的應變片感受到并隨之產(chǎn)生應變，從而使應變片的電阻發(fā)生變化。電阻的變化引起應變片組成的橋路出現(xiàn)不平衡，從而輸出電壓，即可得出加速度a值的大小。適用范圍：不適用于頻率較高的振動和沖擊場合，一般適用頻率為10~60Hz范圍。

2/6/202378三、固態(tài)壓阻式傳感器根據(jù)壓阻效應制成的傳感器為壓阻式傳感器。一種粘貼式應變片一種利用工藝在半導體材料上制成擴散電阻其優(yōu)點：（1）體積?。唬?）靈敏度高； （3）分辨力高；（4）頻率響應很高；（5）可測量低頻加速度和直線加速度。主要用于測量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。半導體材料對溫度非常敏感，壓阻式傳感器的阻值與靈敏度系數(shù)易隨溫度變化產(chǎn)生零漂和靈敏度飄移。溫度誤差較大，必須進行溫度補償。

2/6/202379溫度補償方法：1、高摻雜濃度

濃度低－→壓阻系數(shù)大、溫度系數(shù)大濃度高－→溫度系數(shù)很小、壓阻靈敏度系數(shù)低2、等臂擴散電阻電橋3、串并聯(lián)電阻補償電路調(diào)零漂：并聯(lián)電阻R——負溫度系數(shù)串聯(lián)電阻Rs——正溫度系數(shù)調(diào)靈敏度溫漂：串聯(lián)負溫度特性二極管VD1和VD2——一般不采用——工藝難實現(xiàn)2/6/202380壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離、承壓膜片隔離、承壓膜片可以將腐蝕性的氣體、液體與硅膜片隔離開來。2/6/202381壓阻式固態(tài)壓力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)信號處理電路2/6/202382小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器高壓進氣口低壓進氣口絕對壓力傳感器2/6/202383小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器表壓壓力傳感器p1進氣管2/6/202384投入式液位計

壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投入式液位計：p1的進氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導壓力而與液體相通。

2/6/202385投入式液位計外形壓阻式固態(tài)壓力傳感器

光柱顯示器

橡膠背壓管

2/6/202386投入式液位傳感器

投入式液位傳感器安裝方便，適應于深度為幾米至幾十米，且混有大量污物、雜質(zhì)的水或其他液體的液位測量。

2/6/202387材料應變的測量斜拉橋上的斜拉繩應變測試

2/6/202388四、熱電阻和熱敏電阻利用電阻隨溫度變化而制成的傳感器稱為電阻式溫度傳感器。分為：金屬熱電阻和半導體熱敏電阻2/6/2023891、金屬熱電阻電阻溫度系數(shù)大而穩(wěn)定；電阻率要大；微小的溫度傳感器

電阻溫度系數(shù)保持單值,最好為常數(shù)；金屬的物理、化學性能穩(wěn)定；電阻材料條件目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導體時的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。2/6/202390易提純、復現(xiàn)性好的金屬材料才可用于制作熱電阻

2/6/202391(a)鉑電阻：鉑熱電阻的特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠,所以在溫度傳感器中得到了廣泛應用。按IEC標準,鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200~+850℃。()[][][][]ooooo850,010,200100120320?++=-?-+++=tBtAtRRttCtCBtAtRRtt2/6/2023922/6/202393（b）銅電阻精度要求不高，溫度較低的場合易氧化，體積大，但便宜2/6/202394小型鉑熱電阻

2/6/202395它由電阻體、絕緣管、保護套管、引線和接線盒等部分組成。電阻體由電阻絲和電阻支架組成。電阻絲采用雙線無感繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上,支架起支撐和絕緣作用,引出線通常采用直徑1mm的銀絲或鍍銀銅絲,它與接線盒柱相接,以便與外接線路相連而測量顯示溫度。工業(yè)用熱電阻結(jié)構(gòu)2/6/2023962/6/202397防爆型鉑熱電阻

2/6/202398用熱電阻傳感器進行測溫時,測量電路經(jīng)常采用電橋電路。而熱電阻與檢測儀表相隔一段距離,因此熱電阻的引線對測量結(jié)果有較大的影響。熱電阻引線方式有兩線制、三線制和四線制三種。二線制中引線電阻對測量影響大,用于測溫精度不高場合。三線制可以減小熱電阻與測量儀表之間連接導線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測量誤差。四線制可以完全消除引線電阻對測量的影響,用于高精度溫度檢測2/6/2023992/6/2023100汽車用水溫傳感器及水溫表

銅熱電阻2/6/2023101鉑電阻溫度顯示、變送器2/6/2023102可設定溫度的溫度控制箱

旋轉(zhuǎn)式機械設定開關撥碼式設定開關2/6/20231032、熱敏電阻 a)溫度特性 （1）負溫度系數(shù)電阻（NTC） （2）正溫度系數(shù)電阻（PTC） （3）臨界溫度系數(shù)電阻（CTC