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1、传感器原理及应用Principles and Applications of Sensors主讲：李晓干主讲：李晓干EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用作业第章第章第第三三章章第二版教材61-62页：第二版教材61-62页： 3 3 5 53 3 6 63 3- -5 5，3 3- -6 6 第三版教材60-61页：第三版教材60-61页： 3-5，3-63-5，3-6EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用第三章 应变式传感器电阻式传感器电阻式传感器 非电量非电量非电量非电量电阻变化电阻变化电阻变化电阻变化电阻元件电阻元件电阻元件电阻元件非电量非电量非电量
2、非电量电阻变化电阻变化电阻变化电阻变化电阻式传感器的类别与特性电阻式传感器的类别与特性 类类 别别 原原 理理输出特性输出特性电位器式传感器电位器式传感器变阻器变阻器 阻值随输出端位置的变化而变化阻值随输出端位置的变化而变化 应变式传感器应变式传感器 应变电阻效应应变电阻效应阻值随材料的形变而改变阻值随材料的形变而改变 压阻式传感器压阻式传感器压压阻阻效应效应阻值随加在材料上的压力而改变阻值随加在材料上的压力而改变压阻式传感器压阻式传感器压压阻阻效应效应阻值随加在材料上的压力而改变阻值随加在材料上的压力而改变光电阻式传感器光电阻式传感器光电效应光电效应 阻值与外加光的强弱及性质有关阻值与外加光
3、的强弱及性质有关 热电阻式传感器热电阻式传感器电阻电阻温度特性温度特性阻值随材料温度的变化而变化阻值随材料温度的变化而变化热电阻式传感器热电阻式传感器电阻电阻温度特性温度特性阻值随材料温度的变化而变化阻值随材料温度的变化而变化应变式电阻传感器：应变式电阻传感器：基本原理、工作特性和主要应用。基本原理、工作特性和主要应用。EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用第三章 应变式传感器应变式电阻传感器应变式电阻传感器应变式电阻传感器作为应变式电阻传感器作为测力的主测力的主 要传感器要传感器，测力范围小到肌肉纤维测力范围小到肌肉纤维，要传感器要传感器，测力范围小到肌肉纤维测力范围小到肌
4、肉纤维， 大到登月火箭，精确度可到 0.01- 0.1%大到登月火箭，精确度可到 0.01- 0.1%。有拉压式有拉压式（柱柱、筒筒、环元件环元件）、。有拉压式有拉压式（柱柱、筒筒、环元件环元件）、 弯曲式、剪切式。弯曲式、剪切式。应变式传感器特征应变式传感器特征：应变式传感器特征应变式传感器特征： ?材料类型：金属应变片、半导体应变片材料类型：金属应变片、半导体应变片 ?应用范围应用范围：应变力应变力、压力压力、转矩转矩、位移位移、加速度加速度?应用范围应用范围：应变力应变力、压力压力、转矩转矩、位移位移、加速度加速度 ?主要优点：使用简单、精度高、范围大、体积小主要优点：使用简单、精度高、
5、范围大、体积小EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用第三章 应变式传感器电阻应变片的发展历史电阻应变片的发展历史 ?1856年，年，W. Thomoson发现金 属丝的应变效应，并用惠斯通电发现金 属丝的应变效应，并用惠斯通电 桥精确测量电阻的变化桥精确测量电阻的变化 。桥精确测量电阻的变化桥精确测量电阻的变化 。 ?1938年，年，E. Simmons和和A. Ruge 制成纸基丝绕式应变片制成纸基丝绕式应变片。制成纸基丝绕式应变片制成纸基丝绕式应变片。 ?1953年，年，P. Jackson用光刻技术 制成箔式应变片。用光刻技术 制成箔式应变片。 ?1954年，年，C.
6、Smith发现半导 体材料的压阻效应。发现半导 体材料的压阻效应。 ?1957年，年，W. Mason研制出半 导体应变片。研制出半 导体应变片。EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用第三章 应变式传感器电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理3.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理电阻应变片的种类电阻应变片的种类3.2 电阻应变片的种类电阻应变片的种类电阻应变片的主要特性电阻应变片的主要特性3.3 电阻应变片的主要特性电阻应变片的主要特性电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路3.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路3应变式传感器的应用应变式传感器的应用3.
7、5 应变式传感器的应用应变式传感器的应用EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用第三章 应变式传感器电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理3.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理电阻应变片的种类电阻应变片的种类3.2 电阻应变片的种类电阻应变片的种类电阻应变片的主要特性电阻应变片的主要特性3.3 电阻应变片的主要特性电阻应变片的主要特性电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路3.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路3应变式传感器的应用应变式传感器的应用3.5 应变式传感器的应用应变式传感器的应用EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用3.1 电
8、阻应变片的工作原理应变式传感器的核心元应变式传感器的核心元应变效应应变效应l2r2(r-dr)应变式传感器的核心元应变式传感器的核心元 件：件：电阻应变片电阻应变片，试件上的，试件上的 应力变化转换成电阻变化应力变化转换成电阻变化。2rFF应力变化转换成电阻变化应力变化转换成电阻变化。 应变效应:应变效应:导体或半导体在 受到外界力的作用时，产生机械导体或半导体在 受到外界力的作用时，产生机械 变形变形，机械变形导致其阻值变化机械变形导致其阻值变化，金属丝的应变效应金属丝的应变效应l+ dl 变形变形，机械变形导致其阻值变化机械变形导致其阻值变化， 这种因形变而使阻值发生变化的这种因形变而使阻
9、值发生变化的 现象称为应变效应现象称为应变效应。如果对电阻丝长度作用均匀 应力，则、L、A的变化(d、如果对电阻丝长度作用均匀 应力，则、L、A的变化(d、金属丝的应变效应金属丝的应变效应现象称为应变效应现象称为应变效应。 一、金属的应变效应一、金属的应变效应 对于一长为L、横截面积为A、dL、dA)将引起电阻R变化dR。通 过对上式的全微分可得dR为对于一长为L、横截面积为A、dL、dA)将引起电阻R变化dR。通 过对上式的全微分可得dR为电阻率为的金属丝，其电阻值 R为电阻率为的金属丝，其电阻值 R为/ ALR=dAALdALdLAdR2+=EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原
10、理及应用3.1 电阻应变片的工作原理l2r2(r-dr)一、金属的应变效应一、金属的应变效应若电阻丝是圆形的，则A=r若电阻丝是圆形的，则A=r , 对r 微分得dA=2r dr，则, 对r 微分得dA=2r dr，则2r()FF金属丝的应变效应金属丝的应变效应l+ dl222rdr rrdr AdA=定义：定义：K KS S为金属丝的灵敏系为金属丝的灵敏系 数数，表示单位应变所引起的电阻表示单位应变所引起的电阻金属丝的应变效应金属丝的应变效应金属的径向应变金属的轴向应变令yx rdrLdL=/ / 在弹性范围内金属丝受拉力 时，沿轴向伸长，沿径向缩短，在弹性范围内金属丝受拉力 时，沿轴向伸长
11、，沿径向缩短， 则轴向应变和径向应变的关系为则轴向应变和径向应变的关系为数数，表示单位应变所引起的电阻表示单位应变所引起的电阻 的相对变化，则有的相对变化，则有ddR则轴向应变和径向应变的关系为则轴向应变和径向应变的关系为 y=-x 为金属材料的泊松系数。为金属材料的泊松系数。xxSd RdRK/)21 (/+=EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用3.1 电阻应变片的工作原理l2r2(r-dr)一、金属的应变效应一、金属的应变效应2r()FFxxSd RdRK/)21 (/+=金属丝的应变效应金属丝的应变效应l+ dlR确定的确定的金属金属材料，材料，(1+2)项项 是常数
12、是常数，其数值约在其数值约在12之间之间，根据应力根据应力和应变和应变的关系的关系: 应力应力=E，金属丝的应变效应金属丝的应变效应是常数是常数，其数值约在其数值约在12之间之间， 实验证明实验证明d/x也是常数。也是常数。应力应力=E， 应变应变dR，dR。 / xSxSRdRKKRdR=，通过弹性元件通过弹性元件，可可将应力转将应力转金属的电阻相对变化与应 变成正比关系。金属的电阻相对变化与应 变成正比关系。通过弹性元件通过弹性元件，可可将应力转将应力转 换为应变，这是换为应变，这是应变式传感器测 量应力的基本原理应变式传感器测 量应力的基本原理。EXITEXITEXIT传感器原理及应用传
13、感器原理及应用3.1 电阻应变片的工作原理l2r2(r-dr)一、金属的应变效应一、金属的应变效应2r()FFxSdK/)21 (+=金属丝的应变效应金属丝的应变效应l+ dl灵敏系数灵敏系数KS受两个因素影响：受两个因素影响： （1）应变片受力后材料几何应变片受力后材料几何应变是量纲为应变是量纲为1的数。通的数。通 常应变很小常应变很小，常用常用10-6来来表示表示。金属丝的应变效应金属丝的应变效应（1）应变片受力后材料几何应变片受力后材料几何 尺寸的变化， 即尺寸的变化， 即1+2； （2）应变片受力后材料的电应变片受力后材料的电常应变很小常应变很小，常用常用106来来表示表示。 例如，当
14、应变为例如，当应变为0.000001时， 在工程中常表示为时， 在工程中常表示为110-6或或金属材料金属材料：（2）应变片受力后材料的电应变片受力后材料的电 阻率的变化，即阻率的变化，即（d/）/ x。m/m。在应变测量中，也常 称为。在应变测量中，也常 称为微应变微应变。金属材料金属材料： 灵敏度系数表达式中灵敏度系数表达式中1+2的值 要比的值 要比(d/)/x大得多。大得多。EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用3.1 电阻应变片的工作原理一、金属的应变效应一、金属的应变效应EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用3.1 电阻应变片的工作原理半导体材料
15、敏感条电阻半导体材料敏感条电阻 率的相对变化值与其在轴向率的相对变化值与其在轴向二、半导体的压阻效应二、半导体的压阻效应半导体应变片又称为压阻式传 感器。半导体应变片又称为压阻式传 感器。 基于半导体材料的压阻效应而基于半导体材料的压阻效应而率的相对变化值与其在轴向率的相对变化值与其在轴向 所受的应力之比为一常数。所受的应力之比为一常数。 即即压阻效应压阻效应基于半导体材料的压阻效应而基于半导体材料的压阻效应而 制成的一种纯电阻性元件。制成的一种纯电阻性元件。压阻效应压阻效应：即即xllEd=几何形状几何形状压阻效应压阻效应压阻效应压阻效应： 半导体材料的电阻率随作用应 力的变化而发生变化的现象。半导体材料的电阻率随作用应 力的变化而发生变化的现象。xlERdR)21+= （当半导体材料受轴向力作用时， 电阻相对变化为当半导体材料受轴向力作用时， 电阻相对变化为Rl半导体材料的压阻系 数。式中半导体材料的压阻系 数。式中1+2项随几何形状项随几何形状d RdRx+=)21（ 而变化，而变化，lE项为压阻效应， 随电阻率而变化。项为压阻效应， 随电阻率而变化。EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用3.1
