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(shù)參數(shù)式傳感器及其應(yīng)用第二頁，共120頁。第四章傳感器測量原理(1)本章學(xué)習(xí)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(jié)構(gòu)、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(yīng)用工程測試技術(shù)基礎(chǔ)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(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。

物理量電量

目前，傳感器轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電信號的裝置。第四頁，共120頁。輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)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(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。基本轉(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的非電量。彈簧管(布爾登管）將壓力轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為另一物理量的裝置，著重研究裝置的信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(gòu)造與原理

1.機械結(jié)構(gòu)

2.物理模型

3.數(shù)學(xué)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(yīng)用中.第十二頁，共120頁。1.結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)差,精度差,分辨率低第十七頁，共120頁。應(yīng)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(shè)備

比較重量設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)電塑料電位器普通塑料基底導(dǎo)電材料粉第二十三頁，共120頁。變阻器式傳感器產(chǎn)品第二十四頁，共120頁。第二十五頁，共120頁。2電阻應(yīng)變式傳感器--應(yīng)變片

電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)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(dǎo)數(shù)金屬應(yīng)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(yīng)力σ有關(guān)，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(yīng)變的改變而引起第三十頁，共120頁。對金屬材料，近似看作導(dǎo)電率不變：金屬絲應(yīng)變片：

電阻變化與應(yīng)變成正比，電阻應(yīng)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(yīng)變計金屬應(yīng)變計第三十二頁，共120頁。半導(dǎo)體應(yīng)變計優(yōu)點：靈敏度大;體積小;缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度第三十三頁，共120頁。3)應(yīng)變片的主要參數(shù)

4）其它表示應(yīng)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(yīng)變計的原始電阻值。

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

影響應(yīng)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(yīng)變片與襯底材料的熱膨脹系數(shù)不一樣。應(yīng)變片測量的另一誤差來自應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(chǎn)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(guān)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(yīng)變時，使用兩個應(yīng)變片，一片貼在被測試件的表面，圖中R1稱為工作應(yīng)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(yīng)變片。在工作過程中補償塊不承受應(yīng)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(jù)電橋理論可知，其輸出電壓USC與溫度無關(guān)。當工作應(yīng)變片感受應(yīng)變時，電橋?qū)a(chǎn)生相應(yīng)輸出電壓。補償應(yīng)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(yīng)變時，R1和R2處于同一溫度場，調(diào)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(yīng)變片的熱輸出相等，可知電橋的輸出電壓為零。

若有應(yīng)變作用，只會引起電阻R1發(fā)生變化，R2不承受應(yīng)變。電橋輸出電壓只與應(yīng)變ε有關(guān)，與溫度無關(guān)。第三十九頁，共120頁。根據(jù)被測試件承受應(yīng)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(yīng)變時，應(yīng)變片R1和R2的變形方向相反，上面受拉，下面受壓，應(yīng)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(yīng)變片R1和R2的阻值變化的符號相同，大小相等，電橋不產(chǎn)生輸出，達到了補償?shù)哪康摹?gòu)件受彎曲應(yīng)力構(gòu)件受單向應(yīng)力第四十頁，共120頁。(b)圖是受單向應(yīng)力的構(gòu)件，將工作應(yīng)變片R2的軸線順著應(yīng)變方向，補償應(yīng)變片R1的軸線和應(yīng)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(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù)

1.目測電阻應(yīng)變片有無折痕.斷絲等缺陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。2.用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大小。同一電橋中各應(yīng)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(fù)擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。4.應(yīng)變片粘貼:在應(yīng)變片基底上擠一小滴502膠水，輕輕涂抹均勻，立即放在應(yīng)變貼片位置。第四十二頁，共120頁。5.焊線:用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。6.用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng)大于500M歐。7.應(yīng)變片保護：用704硅橡膠覆于應(yīng)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(yīng)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(yīng)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。第四十五頁，共120頁。3.測量：從分開的端子處，預(yù)先用萬用表測量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)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(yīng)變片測量電路VUR1R2R4R3第四十九頁，共120頁。令：金屬絲應(yīng)變片：USC與應(yīng)變成線形關(guān)系，可以用電橋測量電壓測量應(yīng)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(shè)R1為應(yīng)變片的阻值，工作時R1有一增量ΔR，當為拉伸應(yīng)變時，ΔR為正；壓縮應(yīng)變時，ΔR為負。在上式中以R1+ΔR代替R1，則

設(shè)電橋各臂均有相應(yīng)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?qū)ΨQ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(yīng)變呈線性關(guān)系。②若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)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(yīng)變的極性一致時，輸出電壓為兩者之和；相對橋臂的應(yīng)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(yīng)變ε間呈線性關(guān)系。若假定不成立，則按線性關(guān)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(zhì)上是半等臂電橋。設(shè)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(yīng)變片b)相鄰臂：極性相反應(yīng)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(jié)構(gòu)的應(yīng)變式傳感器，由于彈性元件上粘貼的應(yīng)變片數(shù)量和方式不同，構(gòu)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(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。它可以測量應(yīng)變應(yīng)力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類：

第一類是將應(yīng)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(yīng)變式傳感器。應(yīng)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(yīng)變片，測量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路；

第二類是將應(yīng)變片貼于被測試件上，然后將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測試件的應(yīng)變量。

第六十二頁，共120頁。電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)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(yīng)變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片，后者取符號相反的橫向應(yīng)變，從而構(gòu)成了差動對。由于應(yīng)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(yīng)變?yōu)椋害?——沿軸向的應(yīng)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(nèi)各斷面產(chǎn)生的應(yīng)力相等，故在對L方向上粘貼應(yīng)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(yīng)變式壓力傳感器3、

應(yīng)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(yīng)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(chǎn)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(yīng)變片第六十六頁，共120頁。4、應(yīng)變式加速度傳感器由端部固定并帶有慣性質(zhì)量塊m的懸臂梁及貼在梁根部的應(yīng)變片、基座及外殼等組成。是一種慣性式傳感器。測量時，根據(jù)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(yīng)變片質(zhì)量塊m彈簧片外殼基座a應(yīng)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(zhì)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(yīng)變片電阻也發(fā)生變化，產(chǎn)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(yīng)變式傳感器舉例

（一）應(yīng)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(yīng)變片，縱向?qū)ΨQ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(jié)構(gòu)圖及應(yīng)力分布圖。A處應(yīng)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(yīng)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(nèi)外環(huán)對稱貼兩片應(yīng)變片，B處受拉或壓應(yīng)力將應(yīng)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(yīng)變式壓力傳感器

1.膜片式壓力傳感器,應(yīng)變片貼在膜片內(nèi)壁,在壓力p作用下,距離圓心x處膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變εr和切向應(yīng)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(yīng)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(yīng)變片,在邊緣處沿徑向粘貼R2、R3兩個應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(chǎn)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(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。第八十三頁，共120頁。案例：沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)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(yīng)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(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)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(jù)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(zhì)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(jié)果？為什么？

第一百頁，共120頁。荷重傳感器（共3個，120度分