第3章-電阻式傳感器

1、物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用第第3章章 電阻式傳感器電阻式傳感器點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用 電阻式傳感器的基本原理是：將被測非電量的變電阻式傳感器的基本原理是：將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再利用一定的電路測量電阻值化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再利用一定的電路測量電阻值的變化，從而實現(xiàn)對非電量的測量。的變化，從而實現(xiàn)對非電量的測量。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 彈性敏感元件彈性敏感元件3.1電位器式傳感器電位器式傳感器3.2金屬電阻應(yīng)變式傳感器金屬電阻應(yīng)變式傳感器3.3壓阻式傳感器壓阻式傳感器3.4物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物

2、聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 彈性敏感元件彈性敏感元件3.1物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用 具有彈性變形特性的物體稱為彈性元件或彈性體。具有彈性變形特性的物體稱為彈性元件或彈性體。在傳感器中，通常利用彈性元件直接感受被測量，這樣在傳感器中，通常利用彈性元件直接感受被測量，這樣的彈性元件稱為彈性敏感元件。的彈性元件稱為彈性敏感元件。 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用3.1.1 彈性敏感元件的材料彈性敏感元件的材料 1. 彈性敏感元件材料的一

3、般要求彈性敏感元件材料的一般要求 彈性敏感元件的機械性能彈性敏感元件的機械性能、彈性性能彈性性能、溫度特性溫度特性、化學(xué)化學(xué)性能性能等等。 2. 彈性敏感元件材料的種類彈性敏感元件材料的種類 種類繁多，一般使用精密合金材料，近年來也出現(xiàn)了性種類繁多，一般使用精密合金材料，近年來也出現(xiàn)了性能優(yōu)良的非金屬材料。能優(yōu)良的非金屬材料。 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用3.1.2 彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)1. 變換力的彈性敏感元件變換力的彈性敏感元件 （1）實心圓柱）實心圓柱 （2）空心圓柱）空心圓柱 （3）等截面圓環(huán)）等截面圓環(huán) （4）變形圓環(huán)）

4、變形圓環(huán) （5）等截面懸臂梁）等截面懸臂梁 （6）等強度懸臂梁）等強度懸臂梁 （7）扭轉(zhuǎn)軸）扭轉(zhuǎn)軸點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用 2. 變換變換壓力壓力的彈性敏感元件的彈性敏感元件 （1）平膜片）平膜片 （2）波紋膜片）波紋膜片 （3）彈簧管）彈簧管 （4）波紋管）波紋管 （5）薄壁圓筒）薄壁圓筒 （6）薄壁半球）薄壁半球點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)

5、用 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用3.1.3 彈性敏感元件的基本特性彈性敏感元件的基本特性 1. 剛度剛度 剛度是彈性敏感元件在外力做用下變形大小的量度剛度是彈性敏感元件在外力做用下變形大小的量度。 2. 靈敏度靈敏度 靈敏度是剛度的倒數(shù)靈敏度是剛度的倒數(shù)。 3. 彈性滯后彈性滯后 4. 彈性后效彈性后效 5. 固有振蕩頻率固有振蕩頻率點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用 電位器式傳感器電位器式傳感器3.2點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用3.2.1 電位器的工作原理

6、電位器的工作原理 電位器是一種將機械位移轉(zhuǎn)換為電阻阻值變化的轉(zhuǎn)換元件。電位器是一種將機械位移轉(zhuǎn)換為電阻阻值變化的轉(zhuǎn)換元件。當(dāng)電位器的輸出端接有負(fù)載電阻時，其特性稱為負(fù)載特性。當(dāng)電位器的輸出端接有負(fù)載電阻時，其特性稱為負(fù)載特性。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映UlxUo物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用3.2.2電位器的基本結(jié)構(gòu)電位器的基本結(jié)構(gòu)電位器的基本結(jié)構(gòu)非常簡單，主要由電阻元件和電刷電位器的基本結(jié)構(gòu)非常簡單，主要由電阻元件和電刷（滑動觸點）構(gòu)成。線性電位器分為直線位移電位器和角位移（滑動觸點）構(gòu)成。線性電位器分為直線位移電位器和角位移電位器電位器2種種。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)

7、束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用3.2.3電位器式傳感器應(yīng)用實例電位器式傳感器應(yīng)用實例電位器式傳感器可以用于測量壓力。電位器式壓力傳感電位器式傳感器可以用于測量壓力。電位器式壓力傳感器把被測的壓力變換為彈性敏感元件的位移，如圖器把被測的壓力變換為彈性敏感元件的位移，如圖3.8所示。所示。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用金屬電阻應(yīng)變式傳感器金屬電阻應(yīng)變式傳感器3.3點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用 金屬電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件是金屬應(yīng)變片。應(yīng)用時，金屬電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件是金屬應(yīng)變片

8、。應(yīng)用時，將金屬應(yīng)變片粘貼在各種彈性敏感元件上，當(dāng)彈性敏感元件在外將金屬應(yīng)變片粘貼在各種彈性敏感元件上，當(dāng)彈性敏感元件在外界載荷的作用下變形時，金屬應(yīng)變片的電阻值將發(fā)生變化界載荷的作用下變形時，金屬應(yīng)變片的電阻值將發(fā)生變化?？捎每捎糜谀苻D(zhuǎn)化成變形的各種非電物理量（如位移、力、力矩、壓力、于能轉(zhuǎn)化成變形的各種非電物理量（如位移、力、力矩、壓力、加速度、質(zhì)量等）的檢測。加速度、質(zhì)量等）的檢測。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用3.3.1 應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng) 1.金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)金屬絲的應(yīng)變效應(yīng) （1）金屬絲的應(yīng)變）金屬絲的應(yīng)變 當(dāng)金屬絲受到拉力的作用時，長度

9、將伸長當(dāng)金屬絲受到拉力的作用時，長度將伸長 ，半徑將減，半徑將減小小 ，橫截面積將減小，橫截面積將減小 ，電阻率因晶格發(fā)生變形等因素而，電阻率因晶格發(fā)生變形等因素而改變改變 。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映SlRSlr物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映rrllSSllRRddddddd2物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用（2）泊松比）泊松比 金屬絲在彈性范圍內(nèi)沿長度伸長時，徑向尺寸縮短金屬絲在彈性范圍內(nèi)沿長度伸長時，徑向尺寸縮短。 軸向應(yīng)變軸向應(yīng)變 與徑向應(yīng)變與徑向應(yīng)變 存在如下關(guān)系存在如下關(guān)系 稱為金屬材料的泊松比稱為金屬材料的泊松比。點

10、擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映rr物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用2. 應(yīng)變靈敏系數(shù)應(yīng)變靈敏系數(shù) 應(yīng)變靈敏系數(shù)應(yīng)變靈敏系數(shù) 定義為：金屬絲發(fā)生單位軸向應(yīng)變引起的定義為：金屬絲發(fā)生單位軸向應(yīng)變引起的電阻相對變化電阻相對變化。 在應(yīng)變極限內(nèi)，金屬材料電阻的相對變化與應(yīng)變成正比在應(yīng)變極限內(nèi)，金屬材料電阻的相對變化與應(yīng)變成正比。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映/)21 (/llRRKSdd物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用3.3.2 金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片 1.金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 金屬應(yīng)變片主要由敏感柵、基片、覆蓋層和引線構(gòu)成，如金屬應(yīng)變片主要由敏感柵、基片、

11、覆蓋層和引線構(gòu)成，如圖圖3.10所示。所示。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用2.金屬應(yīng)變片的類型金屬應(yīng)變片的類型 敏感柵是金屬應(yīng)變片最重要的組成部分。根據(jù)敏感柵材料敏感柵是金屬應(yīng)變片最重要的組成部分。根據(jù)敏感柵材料形狀和制造工藝的不同，金屬應(yīng)變片有形狀和制造工藝的不同，金屬應(yīng)變片有3種類型，分別為絲式、種類型，分別為絲式、箔式和薄膜式。箔式和薄膜式。 （1）金屬絲式應(yīng)變片）金屬絲式應(yīng)變片 （2）金屬箔式應(yīng)變片）金屬箔式應(yīng)變片 （3）金屬薄膜式應(yīng)變片）金屬薄膜式應(yīng)變片點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用 點擊此處

12、結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用3. 金屬應(yīng)變片的主要特性金屬應(yīng)變片的主要特性 （1）應(yīng)變片電阻）應(yīng)變片電阻 （2）絕緣電阻）絕緣電阻 （3）允許電流）允許電流 （4）靈敏系數(shù)）靈敏系數(shù) （5）橫向效應(yīng)）橫向效應(yīng) （6）機械滯后）機械滯后 （7）零點漂移和蠕變）零點漂移和蠕變點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用3.3.3 測量電路測量電路 要把應(yīng)變片的微小應(yīng)變引起的微小電阻值變化測量出來，要把應(yīng)變片的微小應(yīng)變引起的微小電阻值變化測量出來，還要把

13、電阻的相對變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流，就需要設(shè)計專門的測還要把電阻的相對變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流，就需要設(shè)計專門的測量電路。量電路。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用1. 直流電橋直流電橋 直流電橋電路如圖直流電橋電路如圖3.14所示所示，電橋中的電阻可以采用應(yīng)變片，電橋中的電阻可以采用應(yīng)變片。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用（1） 電橋平衡條件電橋平衡條件（2）等臂電橋輸出電壓）等臂電橋輸出電壓 對于等臂電橋，略去高階微量，輸出電壓可寫為對于等臂電橋，略去高階微量，輸出電壓可寫為 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映32

14、41RRRRRRRRRRRRUUio43214物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用（3）等臂電橋工作方式）等臂電橋工作方式點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用2. 交流電橋交流電橋 實際應(yīng)用中也常采用交流電橋。交流電橋的電路結(jié)構(gòu)與實際應(yīng)用中也常采用交流電橋。交流電橋的電路結(jié)構(gòu)與直流電橋相似，具體實現(xiàn)上有直流電橋相似，具體實現(xiàn)上有2點不同：一是激勵電源是交流電點不同：一是激勵電源是交流電壓源或電流源；二是電橋的橋臂可以是純電阻，也可以包含電容壓源或電流源；二是電橋的橋臂可以

15、是純電阻，也可以包含電容和電感。和電感。3.傳感器的測量電路傳感器的測量電路 由應(yīng)變片構(gòu)成的全橋電橋的輸出信號一般較小，還需要由應(yīng)變片構(gòu)成的全橋電橋的輸出信號一般較小，還需要將信號進行放大。將信號進行放大。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用3.3.4 金屬電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用實例金屬電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用實例 1.柱式測力和載荷傳感器柱式測力和載荷傳感器 柱體測力和載荷傳感器的彈性元件可以采用實心柱體或空心柱體測力和載荷傳感器的彈性元件可以采用實心柱體或空心柱體，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，可以承受很大的載荷。柱體，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，可以承受很大的載荷。 點擊此處結(jié)束

16、放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用2.梁式稱重傳感器梁式稱重傳感器 梁式稱重傳感器一般載荷量較小，適于測量梁式稱重傳感器一般載荷量較小，適于測量5kg以下的以下的載荷載荷。在懸臂梁上，有上下對稱粘貼的在懸臂梁上，有上下對稱粘貼的4片應(yīng)變片，片應(yīng)變片，2片應(yīng)變片受片應(yīng)變片受拉、拉、2片應(yīng)變片受壓，分別得到大小相等、方向相反的應(yīng)變，形片應(yīng)變片受壓，分別得到大小相等、方向相反的應(yīng)變，形成了等臂的全橋電橋測量電路。成了等臂的全橋電橋測量電路。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物

17、聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映應(yīng)變片應(yīng)變片圖圖2-17 應(yīng)變式力傳感器制成的電子秤應(yīng)變式力傳感器制成的電子秤物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用3.平膜片式壓力傳感器平膜片式壓力傳感器 壓力傳感器主要用于測量氣體或液體的壓力。在壓力的作壓力傳感器主要用于測量氣體或液體的壓力。在壓力的作用下，平膜片將彎曲變形。粘貼在平膜片另一側(cè)的應(yīng)變片隨之變用下，平膜片將彎曲變形。粘貼在平膜片另一側(cè)的應(yīng)變片隨之變形，并改變電阻值，這時測量電路中電橋的平衡被破壞，產(chǎn)生輸形，并改變電阻值，這時測量電路中電橋的平衡被破壞，產(chǎn)生輸出電壓出電壓。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技

18、術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用4.梁式加速度傳感器梁式加速度傳感器 梁式加速度傳感器由應(yīng)變片、彈性懸臂梁和基座組成，質(zhì)梁式加速度傳感器由應(yīng)變片、彈性懸臂梁和基座組成，質(zhì)量塊置于彈性懸臂梁上量塊置于彈性懸臂梁上。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用壓阻式傳感器壓阻式傳感器3.4點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用3.4.1 壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng) 早期的壓阻式傳感器是利用半導(dǎo)體應(yīng)變片制成的粘貼型壓早期的壓阻式傳感器是利用半導(dǎo)體應(yīng)變片制成的粘貼型壓阻傳感器。阻傳感器。 利用硅的壓阻效應(yīng)和微電子技術(shù)可以制成壓阻式傳感器。利用硅的壓阻效應(yīng)和微電子技術(shù)可以制成壓阻式傳感器。半導(dǎo)體應(yīng)變片具有體積小、靈敏度高的優(yōu)點，但其溫度系數(shù)大，半導(dǎo)體應(yīng)變片具有體積小、靈敏度高的優(yōu)點，但其溫度系數(shù)大，應(yīng)變時非線性嚴(yán)重。應(yīng)變時非線性嚴(yán)重。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與應(yīng)用 對半導(dǎo)體材料施加一定的載荷而產(chǎn)生應(yīng)力時，它的電阻率對半導(dǎo)體材料施加一定的載荷而產(chǎn)生應(yīng)力時，它的電阻率會發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。會發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。 由于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)顯著，半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度比由于半導(dǎo)體材