電阻式傳感器

電阻式傳感器第一頁，共120頁。機械工程測試技術參數(shù)式傳感器及其應用第二頁，共120頁。第四章傳感器測量原理(1)本章學習要求：1.掌握電阻式傳感器的工作原理2.了解電阻式傳感器的結構、分類3.了解電阻傳感器的測量電路4.了解電阻傳感器的應用工程測試技術基礎第三頁，共120頁。第二講傳感器測量原理（1）2.1概述1.傳感器定義

傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉換成另一種信息的裝置。

物理量電量

目前，傳感器轉換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉換成電信號的裝置。第四頁，共120頁。輔助電源敏感元件轉換元件基本轉換電路被測量電量敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。轉換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉換成電路參量。基本轉換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉換電路（簡稱轉換電路），便可轉換成電量輸出。傳感器的組成第五頁，共120頁。

敏感元件在傳感器中直接感受被測量，并轉換成與被測量有確定關系、更易于轉換的非電量。彈簧管(布爾登管）將壓力轉換為角位移αP418第六頁，共120頁。

本課中，傳感器泛指將一個被測物理量按照一定的物理規(guī)律轉換為另一物理量的裝置，著重研究裝置的信號轉換規(guī)律，并不嚴格區(qū)分其是一個敏感元件還是一個傳感器。第七頁，共120頁。2.2電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測量轉換為電阻變化的一種傳感器,按工作的原理可分為:變阻器式、電阻應變式、熱敏式、光敏式、電敏式.第二講傳感器測量原理（1）第八頁，共120頁。（一）變阻器式傳感器的構造與原理

1.機械結構

2.物理模型

3.數(shù)學模型一、變阻器式傳感器（電位器式傳感器）xL第九頁，共120頁。等效電路分析:變阻式傳感器L-變阻器總長;x-電刷移動量.R0-總電阻;RL電刷電阻;R0=K*L0x=R/Kx,RL0,R0U0UL0x=R0R=U0Ux=L0*U/U0第十頁，共120頁。變阻式傳感器x=L0*U/U0=K*U0U0UxL0第十一頁，共120頁。如何變成傳感器?一個具體的工程實例:請將電位器接入實際身高測量應用中.第十二頁，共120頁。1.結構誤差階梯特性與階梯誤差UmLU第十三頁，共120頁。U0UscVRfRR0-R2.負載特性負載特性與負載誤差第十四頁，共120頁。令則m為電位置的負載系數(shù),即電刷的相對行程第十五頁，共120頁。若使非線性誤差<2%,必須有Rf>(10~20)R00LU第十六頁，共120頁。優(yōu)點結構簡單,性能穩(wěn)定,輸出信號大,受外界條件影響小等優(yōu)點缺點動態(tài)響應差,精度差,分辨率低第十七頁，共120頁。應用常用來測位移,壓力,加速度.問題:

前述的測身高裝置如何改為測體重裝置?第十八頁，共120頁。案例：重量的自動檢測--配料設備

比較重量設定原材料原理：彈簧->力->位移

->電位器->電阻第十九頁，共120頁。案例：煤氣包儲量檢測煤氣包鋼絲原理：鋼絲->收線圈數(shù)

->電位器

->電阻第二十頁，共120頁。案例：玩具機器人（廣州中鳴數(shù)碼）原理：電機->轉角

->電位器

->電阻第二十一頁，共120頁。(四)變阻器式傳感器的性能參數(shù):1)線性(或曲線的一致性);4)移動或旋轉角度范圍;2)分辨率;5)電阻溫度系數(shù);3)整個電阻值的偏差;6)壽命(3)變阻器式傳感器的分類按測量類型：單圈電位器多圈電位器直線滑動式電位器第二十二頁，共120頁。按制作方式：線繞電位器導電塑料電位器普通塑料基底導電材料粉第二十三頁，共120頁。變阻器式傳感器產品第二十四頁，共120頁。第二十五頁，共120頁。2電阻應變式傳感器--應變片

電阻應變片工作原理是基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化象。第二十六頁，共120頁。拉壓第二十七頁，共120頁。1)工作原理上述任何一個參數(shù)變換均會引起電阻變化,求導數(shù)金屬應變片的電阻R為代入第二十八頁，共120頁。有：金屬絲：金屬絲體積不變：電阻絲軸向變形電阻絲材料的泊松比第二十九頁，共120頁。有：其中與電阻絲軸向正應力σ有關，λ為壓阻系數(shù)，E為彈性模量由電阻絲幾何尺寸變化引起由電阻絲電阻率隨應變的改變而引起第三十頁，共120頁。對金屬材料，近似看作導電率不變：金屬絲應變片：

電阻變化與應變成正比，電阻應變片靈敏度系數(shù)定義：Sg的范圍在（1.7~4.0）第三十一頁，共120頁。應變計金屬應變計第三十二頁，共120頁。半導體應變計優(yōu)點：靈敏度大;體積小;缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片。半導體應變片靈敏度第三十三頁，共120頁。3)應變片的主要參數(shù)

4）其它表示應變計性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。

1）幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用

b×L表示。2）電阻值：應變計的原始電阻值。

(60,90,120,300,500,1000)3）靈敏系數(shù)：表示應變計變換性能的重要參數(shù)。第三十四頁，共120頁。4)應變片的誤差及補償

影響應變片精度的主要因素是溫度

電阻值隨溫度的變化而改變；應變片與襯底材料的熱膨脹系數(shù)不一樣。應變片測量的另一誤差來自應變片的大小和測點的位置第三十五頁，共120頁。（2）溫度補償（自補償法和線路補償法）①

單絲自補償應變片每一種材料的被測試件，其線膨脹系數(shù)都為確定值,選擇應變片敏感柵材料，使其電阻溫度系數(shù)和線膨脹系數(shù)滿足一定條件，可實現(xiàn)溫度自補償。②雙絲組合式自補償應變片兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，兩段敏感柵，隨溫度變化而產生的電阻增量大小相等，符號相反。③

電路補償法焊點RaRb第三十六頁，共120頁。③

電路補償法

如圖，電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關系為

式中A——由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。USCR2R4R1R3U橋路補償法

由上式可知，當R3、R4為常數(shù)時，Rl和R2對輸出電壓的作用方向相反。利用這個基本特性可實現(xiàn)對溫度的補償，并且補償效果較好，這是最常用的補償方法之一。

第三十七頁，共120頁。

測量應變時，使用兩個應變片，一片貼在被測試件的表面，圖中R1稱為工作應變片。另一片貼在與被測試件材料相同的補償塊上，圖中R2，稱為補償應變片。在工作過程中補償塊不承受應變，僅隨溫度發(fā)生變形。由于R1與R2接入電橋相鄰臂上，造成ΔR1t與ΔR2t相同，根據電橋理論可知，其輸出電壓USC與溫度無關。當工作應變片感受應變時，電橋將產生相應輸出電壓。補償應變片粘貼示意圖R1R2第三十八頁，共120頁。

當被測試件不承受應變時，R1和R2處于同一溫度場，調整電橋參數(shù)，可使電橋輸出電壓為零，即上式中可以選擇R1=R2=R及R3=R4=R′。

當溫度升高或降低時，若ΔR1t=ΔR2t，即兩個應變片的熱輸出相等，可知電橋的輸出電壓為零。

若有應變作用，只會引起電阻R1發(fā)生變化，R2不承受應變。電橋輸出電壓只與應變ε有關，與溫度無關。第三十九頁，共120頁。根據被測試件承受應變的情況，可以不另加專門的補償塊，而是將補償片貼在被測試件上，這樣既能起到溫度補償作用，又能提高輸出的靈敏度，如圖所示的貼法。R1R2FFR1R2（b）（a）F圖(a)為一個梁受彎曲應變時，應變片R1和R2的變形方向相反，上面受拉，下面受壓，應變絕對值相等，符號相反，將它們接入電橋的相鄰臂后，可使輸出電壓增加一倍。當溫度變化時，應變片R1和R2的阻值變化的符號相同，大小相等，電橋不產生輸出，達到了補償?shù)哪康摹嫾軓澢鷳嫾軉蜗驊Φ谒氖摚?20頁。(b)圖是受單向應力的構件，將工作應變片R2的軸線順著應變方向，補償應變片R1的軸線和應變方向垂直，R1和R2接入電橋相鄰臂，其輸出為FFR1R2（b）第四十一頁，共120頁。電阻應變片的選擇、粘貼技術

1.目測電阻應變片有無折痕.斷絲等缺陷，有缺陷的應變片不能粘貼。2.用數(shù)字萬用表測量應變片電阻值大小。同一電橋中各應變片之間阻值相差不得大于0.5歐姆.3.試件表面處理：貼片處置用細紗紙打磨干凈，用酒精棉球反復擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。4.應變片粘貼:在應變片基底上擠一小滴502膠水，輕輕涂抹均勻，立即放在應變貼片位置。第四十二頁，共120頁。5.焊線:用電烙鐵將應變片的引線焊接到導引線上。6.用兆歐表檢查應變片與試件之間的絕緣組織，應大于500M歐。7.應變片保護：用704硅橡膠覆于應變片上，防止受潮。第四十三頁，共120頁。第四十四頁，共120頁。

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。第四十五頁，共120頁。3.測量：從分開的端子處，預先用萬用表測量應變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應變片。第四十六頁，共120頁。第四十七頁，共120頁。第四十八頁，共120頁。3)應變片測量電路VUR1R2R4R3第四十九頁，共120頁。令：金屬絲應變片：USC與應變成線形關系，可以用電橋測量電壓測量應變第五十頁，共120頁。

R2R3R1R4U0電橋線路原理圖RgacdIgbUSCI1I2電橋平衡公式：第五十一頁，共120頁。

設R1為應變片的阻值，工作時R1有一增量ΔR，當為拉伸應變時，ΔR為正；壓縮應變時，ΔR為負。在上式中以R1+ΔR代替R1，則

設電橋各臂均有相應的電阻增量ΔR1，ΔR2，ΔR3，ΔR4時在實際使用時，一般多采用等臂電橋或對稱電橋。第五十二頁，共120頁。1、等臂電橋當R1=R2=R3=R4=R時，稱為等臂電橋。此時電橋輸出可寫為

一般情況下，ΔRi（i=1，2，3，4）很小，即R>>ΔRi，略去上式中的高階微量，并利用式得到

第五十三頁，共120頁。①當ΔRi<<R時，輸出電壓與應變呈線性關系。②若相鄰兩橋臂的應變極性一致，即同為拉應變或壓應變時，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的極性不同時，輸出電壓為兩者之和。③若相對兩橋臂應變的極性一致時，輸出電壓為兩者之和；相對橋臂的應變極性相反時，輸出電壓為兩者之差。利用上述特點可進行溫度補償和提高測量的靈敏度。第五十四頁，共120頁。當僅橋臂ab單臂工作時，輸出電壓為

由前兩式可知，當假定R>>ΔR時，輸出電壓Ug與應變ε間呈線性關系。若假定不成立，則按線性關系刻度的儀表用來測量必然帶來非線性誤差。第五十五頁，共120頁。2、第一對稱電橋若電橋橋臂兩兩相等，即R1=R2=R，R3=R4=R′，則稱它為第一對稱電橋，其實質上是半等臂電橋。設R1有一增量ΔR，電橋的輸出電壓為UscR2=RR3=R’R1=RR4=R’U第一對稱電橋bacd第五十六頁，共120頁。FFR1R2半橋

1)相鄰臂a)相鄰臂：補償應變片b)相鄰臂：極性相反應變片R1R2F第五十七頁，共120頁。半橋

2)相對臂FFR1R3第五十八頁，共120頁。全橋R1R3R1，R3FR2，R4R1R3R1，R3FR2，R4第五十九頁，共120頁。

對不同結構的應變式傳感器，由于彈性元件上粘貼的應變片數(shù)量和方式不同，構成等臂電橋時，在相同載荷下電橋輸出電壓大小不一樣。橋臂系數(shù)α決定了電橋的輸出靈敏度第六十頁，共120頁。電橋的非線性誤差第六十一頁，共120頁。

應變效應的應用十分廣泛。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，并將其接到測量轉換電路，這樣就構成測量各種物理量的專用應變式傳感器。應變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體，傳感元件就是應變片，測量轉換電路一般為橋路；

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。

第六十二頁，共120頁。電阻應變式傳感器的應用：測力第六十三頁，共120頁。1、柱力式傳感器

圓柱式力傳感器的彈性元件分為實心和空心兩種。柱式力傳感器-ε2+ε1截面積SFFF面積S-ε1+ε2b）a）在軸向布置一個或幾個應變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應變片，后者取符號相反的橫向應變，從而構成了差動對。由于應變片沿圓周方向分布，所以非軸向載荷分量被補償，在與軸線任意夾角的α方向，其應變?yōu)椋害?——沿軸向的應變；μ——彈性元件的泊松比。當α=0時當α=90?時E：彈性元件的楊氏模量第六十四頁，共120頁。2、梁力式傳感器

等強度梁彈性元件是一種特殊形式的懸臂梁。梁的固定端寬度為b0，自由端寬度為b，梁長為L，粱厚為h。LR1R3R2R4xFhb等強度梁彈性元件b0R4力F作用于梁端三角形頂點上，梁內各斷面產生的應力相等，故在對L方向上粘貼應變片位置要求不嚴。橫截面梁雙空梁S形彈性元件第六十五頁，共120頁。P（b）

（a）應變式壓力傳感器3、

應變式壓力傳感器測量氣體或液體壓力的薄板式傳感器，如圖所示。當氣體或液體壓力作用在薄板承壓面上時，薄板變形，粘貼在另一面的電阻應變片隨之變形，并改變阻值。這時測量電路中電橋平衡被破壞，產生輸出電壓。

圓形薄板固定形式：采用嵌固形式，如圖（a）或與傳感器外殼作成一體，如圖(b)。應變片第六十六頁，共120頁。4、應變式加速度傳感器由端部固定并帶有慣性質量塊m的懸臂梁及貼在梁根部的應變片、基座及外殼等組成。是一種慣性式傳感器。測量時，根據所測振動體加速度的方向，把傳感器固定在被測部位。當被測點的加速度沿圖中箭頭所示方向L應變片質量塊m彈簧片外殼基座a應變式加速度傳感器時，固定在被測部位。當被測點的加速度沿圖中箭頭所示方向時，懸臂梁自由端受慣性力F=ma的作用，質量塊向箭頭a相反的方向相對于基座運動，使梁發(fā)生彎曲變形，應變片電阻也發(fā)生變化，產生輸出信號，輸出信號大小與加速度成正比。

第六十七頁，共120頁。六、應變式傳感器舉例

（一）應變式力傳感器

第六十八頁，共120頁。

1.柱（筒）式力傳感器圖所示為柱式、筒式力傳感器,貼片在圓柱面上的位置及在橋路中的連接如圖（c）、（d）所示。縱向和橫向各貼四片應變片，縱向對稱的R1和R3串接,R2和R4串接,橫向的R5和R7串接,R6和R8串接,并置于橋路對臂上以減小偏心載荷及彎矩的影響,橫向貼片作溫度補償用。橋路輸出電壓第六十九頁，共120頁。第七十頁，共120頁。2.薄壁圓環(huán)式力傳感器

所示為環(huán)式力傳感器結構圖及應力分布圖。A處應力為負，B處為正。對R/h>5的小曲率圓環(huán),A、B兩點處的應變?yōu)榈谄呤豁?，?20頁。

h——圓環(huán)厚度;b——圓環(huán)寬度;E——材料彈性模量。若A處內外環(huán)對稱貼兩片應變片，B處受拉或壓應力將應變片接于電橋電路。輸出電壓為第七十二頁，共120頁。3．梁式力傳感器第七十三頁，共120頁。4．輪輻式力傳感器第七十四頁，共120頁。（二）應變式壓力傳感器

1.膜片式壓力傳感器,應變片貼在膜片內壁,在壓力p作用下,距離圓心x處膜片產生徑向應變εr和切向應變εt,

表達式分別為:

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。第七十五頁，共120頁。

膜片彈性元件承受壓力p時,其應變變化曲線的特點為:

在平膜片圓心處切向粘貼R1、R4兩個應變片,在邊緣處沿徑向粘貼R2、R3兩個應變片,然后接成全橋測量電路。輸出電壓為：第七十六頁，共120頁。2．筒式壓力傳感器第七十七頁，共120頁。3．組合式壓力傳感器第七十八頁，共120頁。

（三）應變式加速度傳感器

測量時,將傳感器殼體與被測對象剛性連接。第七十九頁，共120頁。

應變片加速度傳感器不適用于頻率較高的振動和沖擊,一般適用頻率為10～60Hz范圍。第八十頁，共120頁。案例：橋梁固有頻率測量第八十一頁，共120頁。標準產品第八十二頁，共120頁。案例：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉化結構變形再通過應變片轉化為電量輸出。第八十三頁，共120頁。案例：沖床生產記數(shù)和生產過程監(jiān)測第八十四頁，共120頁。案例：機器人握力測量第八十五頁，共120頁。案例：振動式地音入侵探測器

適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時發(fā)現(xiàn)。第八十六頁，共120頁。第八十七頁，共120頁。應變式力傳感器

FFFF第八十八頁，共120頁。第八十九頁，共120頁。FF固定點固定點電纜第九十頁，共120頁。第九十一頁，共120頁。FR1R2R4第九十二頁，共120頁。FF第九十三頁，共120頁。

荷重傳感器上的應變片在重力作用下產生變形。軸向變短，徑向變長。

第九十四頁，共120頁。第九十五頁，共120頁。第九十六頁，共120頁。第九十七頁，共120頁。

當KF為常數(shù)時，橋路所加的激勵源電壓Ui越高，滿量程輸出電壓Uom也越高。

思考：綜合考慮靈敏度與功耗發(fā)熱，Ui的取值范圍多少為好？第九十八頁，共120頁。

例2-2現(xiàn)用荷重傳感器稱重。當橋路電壓為6V時，測得橋路的輸出電壓為24mV，求被測荷重為多少噸?

解:

從荷重傳感器銘牌上得到Fm=100103N，KF=2mV/V，根據式（2-5）得Uom=24mV。被測荷重

第九十九頁，共120頁。

在上面介紹過的汽車衡示意圖中，共使用了4個荷重傳感器，量程Fm=20t，靈敏度KF=2.5mV/V，使用4個獨立的橋路電源，每一個電源電壓均相等，Ui=12V，四個荷重傳感器的輸出串聯(lián)，總的輸出電壓Uo=24mV，請估算汽車的質量。汽車在鋼板上有少許的前、后、左、右偏位，是否會影響測量結果？為什么？

第一百頁，共120頁。荷重傳感器（共3個，120度分