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1、第五章第五章 电阻传感器电阻传感器本章学习本章学习电阻式传感器的原电阻式传感器的原理及应用，包括：电位器、电阻理及应用，包括：电位器、电阻应变片等应变片等。1电阻传感器第一节第一节 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器 电位器电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于是一种常用的机电元件，广泛应用于电气和电子设备中，当它作为一种传感元件时，电气和电子设备中，当它作为一种传感元件时，可以把机械位移转换成与之成一定函数关系的电可以把机械位移转换成与之成一定函数关系的电阻或电压输出。阻或电压输出。 电位式传感器可以测量位移、电位式传感器可以测量位移、压力、加速度、压力、加速度、容量、高度容量、高度等多种
2、物理量。等多种物理量。 根据电位器的输出特性，电位器可分为线根据电位器的输出特性，电位器可分为线性电位器和非线性电位器。性电位器和非线性电位器。2电阻传感器一、一、 线性电位器线性电位器 线性电位器由绕于骨架上的线性电位器由绕于骨架上的电阻丝线圈电阻丝线圈和沿和沿电位器滑动的电位器滑动的滑臂滑臂，以及安装在滑臂上的，以及安装在滑臂上的电刷电刷组组成。线绕电位器传感元件有直线式、旋转式或两成。线绕电位器传感元件有直线式、旋转式或两者相结合的形式。者相结合的形式。3电阻传感器4电阻传感器直线位移电位式传感器示意图直线位移电位式传感器示意图5电阻传感器电位器式角度传感器电位器式角度传感器6电阻传感器
3、阶梯特性和阶梯误差：阶梯特性和阶梯误差： 从理论上讲，电位器的特性曲线是位移从理论上讲，电位器的特性曲线是位移x x的连续函的连续函数。但对线绕电位器而言，电刷的直线位移数。但对线绕电位器而言，电刷的直线位移x x的变化是的变化是不连续的，所以得到的电阻变化也是不连续的，或输出不连续的，所以得到的电阻变化也是不连续的，或输出电压电压UoUo的变化是一个阶梯形的曲线的变化是一个阶梯形的曲线 即电刷每移动一个节距，输即电刷每移动一个节距，输出电阻或输出电压都有一个出电阻或输出电压都有一个微小的跳跃。微小的跳跃。 7电阻传感器分辨率：分辨率： 绕线式电位器的分辨率是指电位器所能反映绕线式电位器的分辨
4、率是指电位器所能反映的输入量的最小变化量与全量程输入量的比值。的输入量的最小变化量与全量程输入量的比值。 8电阻传感器一般情况下，电位器接有负载，如图所示，接入负载时，一般情况下，电位器接有负载，如图所示，接入负载时，由于负载电阻与电位器的比值为有限值，所以由于负载电阻与电位器的比值为有限值，所以负载特性负载特性曲线与理想空载特性曲线与理想空载特性有一定差异。负载特性偏离理想空有一定差异。负载特性偏离理想空载特性的偏差称为电位器的负载误差，对于线性电位器，载特性的偏差称为电位器的负载误差，对于线性电位器，负载误差即为其非线性误差。负载误差即为其非线性误差。9电阻传感器二、二、 非线性电位器非线
5、性电位器 非线性电位器非线性电位器是指在空载时其输出电压（或电阻）是指在空载时其输出电压（或电阻）与电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器，与电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器，也称也称函数电位器函数电位器。它可以实现。它可以实现指数函数、对数函数、指数函数、对数函数、三角函数及其他函数三角函数及其他函数，因此可满足控制系统的特殊要，因此可满足控制系统的特殊要求，也可满足传感、检测系统最终获得线性输出的要求，也可满足传感、检测系统最终获得线性输出的要求。常用的非线性线绕电位器有求。常用的非线性线绕电位器有变骨架式变骨架式、变节距式变节距式、分路电阻式分路电阻式及及电位给定式电位给定
6、式四种。四种。 10电阻传感器变骨架高度式非线性电位器变骨架高度式非线性电位器对称变骨架高度式非线性电位器对称变骨架高度式非线性电位器11电阻传感器三、非线绕式电位器三、非线绕式电位器 合成膜电位器的电阻体是用具有某一电阻值的合成膜电位器的电阻体是用具有某一电阻值的悬悬浮液浮液喷涂喷涂在绝缘骨架上形成在绝缘骨架上形成电阻膜电阻膜而制成的。而制成的。 12电阻传感器 金属膜电位器是在绝缘基体上用金属膜电位器是在绝缘基体上用真空蒸发真空蒸发的方法的方法或或电镀电镀的方法涂覆的方法涂覆层金属膜或复合金属膜层金属膜或复合金属膜 13电阻传感器 导电塑料电位器导电塑料电位器又称实心电位器，这种电位器的又
7、称实心电位器，这种电位器的电阻是由塑料粉及导电材料（碳黑、超细金属粉等）电阻是由塑料粉及导电材料（碳黑、超细金属粉等）的粉料经塑压而成。的粉料经塑压而成。 14电阻传感器 导电玻璃釉电位器导电玻璃釉电位器又称金属陶瓷电位器，它是以合又称金属陶瓷电位器，它是以合金、金属氧化物或难溶化合物等为导电材料，以玻璃釉金、金属氧化物或难溶化合物等为导电材料，以玻璃釉粉为粘合剂，混合烧结在陶瓷或玻璃基体上制成的。粉为粘合剂，混合烧结在陶瓷或玻璃基体上制成的。 15电阻传感器四、电位器式传感器应用四、电位器式传感器应用压力测量压力测量位移测量位移测量16电阻传感器17电阻传感器18电阻传感器19电阻传感器第二
8、节第二节 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 导体或半导体材料在外界力的作用导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为着发生变化，这种现象称为应变效应应变效应。 电阻电阻应变式传感器应变式传感器主要由电阻主要由电阻应变应变片片及测量及测量转换电路转换电路等组成等组成。20电阻传感器一、工作原理一、工作原理应变应变片的工作原理的工作原理 金属丝受拉时，金属丝受拉时，l变长、变长、r变小，导致变小，导致R变大变大 。21电阻传感器应变效应应变效应v 金金金金属属属属电电电电阻阻阻阻应应应应变变变变片片片片的的的的基基基基
9、本本本本原原原原理理理理基基基基于于于于电电电电阻阻阻阻应应应应变变变变效效效效应应应应：即即即即，导导导导体体体体产产产产生生生生机机机机械械械械形形形形变变变变时时时时它它它它的的的的电电电电阻阻阻阻值值值值发发发发生生生生变变变变化化化化。一一一一根根根根长长长长L,L,L,L,截截截截面面面面积积积积为为为为S,S,S,S,电电电电阻阻阻阻率率率率为为为为的金属丝电阻为的金属丝电阻为的金属丝电阻为的金属丝电阻为: : : : 当当当当电电电电阻阻阻阻丝丝丝丝受受受受到到到到轴轴轴轴向向向向拉拉拉拉力力力力F F F F作作作作用用用用时时时时，金金金金属属属属丝丝丝丝几几几几何何何何尺
10、尺尺尺寸寸寸寸变变变变化化化化引引引引起起起起电电电电阻阻阻阻的的的的相相相相对对对对变变变变化化化化, , , ,电电电电阻值阻值阻值阻值RRRR的相对变化为的相对变化为的相对变化为的相对变化为: : : :22电阻传感器径向应变为：径向应变为：径向应变为：径向应变为： （截面积相对变化量）（截面积相对变化量）（截面积相对变化量）（截面积相对变化量）其中轴向应变为：其中轴向应变为：其中轴向应变为：其中轴向应变为：横横横横向向向向变变变变形形形形系系系系数数数数：（泊松系数）（泊松系数）（泊松系数）（泊松系数）（径向）（径向） （轴向）（轴向）23电阻传感器用轴向、径向应变、泊松系数带入后电阻
11、变化率为：用轴向、径向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：用轴向、径向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：用轴向、径向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：表示金属丝受力后引起两个方面的变化：表示金属丝受力后引起两个方面的变化：表示金属丝受力后引起两个方面的变化：表示金属丝受力后引起两个方面的变化： 材料几何尺寸变化材料几何尺寸变化材料几何尺寸变化材料几何尺寸变化 （1+21+21+21+2），材料电阻率的变化），材料电阻率的变化），材料电阻率的变化），材料电阻率的变化（/）令：令：令：令： 金属丝的金属丝的金属丝的金属丝的灵敏度系数灵敏度系数灵敏度系数灵敏度系数k k k k0 0 0 0表示表示表
12、示表示单位应变单位应变单位应变单位应变能引起的电阻相对变化的能引起的电阻相对变化的能引起的电阻相对变化的能引起的电阻相对变化的能力能力能力能力24电阻传感器对金属金属导体而言体而言,有有 . (M1)=对半半导体体, 存在存在, (M2)=其中其中 是是压阻系数阻系数, 是是轴向向应力力; E是是弹性模量性模量25电阻传感器q金金属属应应变变片片灵灵敏敏系系数数 k k0 0 主主要要由由材材料料的的几几何何尺尺寸引起的寸引起的 通通过过弹弹性性元元件件可可将将位位移移、压压力力、振振动动等等物物理理量量将将应应力力转转换换为为应应变变进进行行测测量量，这这是是应应变变式式传传感感器测量应变的
13、基本原理。器测量应变的基本原理。对于金属电阻丝对于金属电阻丝 = 0.250.5 (钢钢 = 0.285) k01+2 k01.52 26电阻传感器二、应变片的种类与结构二、应变片的种类与结构 应变片可分为应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大金属应变片及半导体应变片两大类类。前者可分成。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式金属丝式、箔式、薄膜式三种。三种。目前箔式应变片应用较多。箔式应变片中的箔栅目前箔式应变片应用较多。箔式应变片中的箔栅是是金属箔通过光刻、腐蚀金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金
14、。箔式应变箔式应变片片与片基的接触面积大，散热条件较好，测量时的与片基的接触面积大，散热条件较好，测量时的蠕变较小蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度。三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度。27电阻传感器箔式应变片的外形箔式应变片的外形28电阻传感器半导体应变片半导体应变片及金属及金属丝式应变片的结构丝式应变片的结构半导体应变
15、片半导体应变片外形外形金属丝式应变片的金属丝式应变片的内部结构内部结构29电阻传感器金属应变片结构：金属应变片结构：金属应变片结构：金属应变片结构： 网状敏感栅网状敏感栅网状敏感栅网状敏感栅高阻金属丝、金属箔高阻金属丝、金属箔高阻金属丝、金属箔高阻金属丝、金属箔 基片基片基片基片绝缘材料绝缘材料绝缘材料绝缘材料 盖片盖片盖片盖片保护层保护层保护层保护层30电阻传感器应变片主要性能指标举例应变片主要性能指标举例31电阻传感器三、测量转换电路三、测量转换电路不平衡电桥不平衡电桥 金属应变片的电阻变化范围很小，如果金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，直接用欧姆
16、表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。且误差很大。 例例如，如，有一金属箔式应变片，标称阻值有一金属箔式应变片，标称阻值R R0 0为为100100 ，灵敏度，灵敏度K K=2=2，粘贴在横截面积为粘贴在横截面积为9.8mm9.8mm2 2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E E=2=2 10101111N/mN/m2 2，所受拉力所受拉力F F=0.2N=0.2N，受拉后应变，受拉后应变片的阻值片的阻值R R 的变化量仅为的变化量仅为2 2 10-5 ，所以必须所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。32电阻传感器电阻应
17、变片的测量电路电阻应变片的测量电路 直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件当当RL时，电桥输出电压为时，电桥输出电压为 当电桥平衡时，当电桥平衡时，Uo=0，则有，则有 33电阻传感器电压灵敏度电压灵敏度 应应变变片片单单臂臂工工作作时时：电电阻阻值值变变化化很很小小，电电桥桥相相应应输输出出电电压压也也很很小小，一一般般需需要要加加入入放放大大器器进进行行放放大大。由由于于放放大大器器的的输输入入阻阻抗抗比比桥桥路路输输出出阻阻抗抗高高很很多多，所所以以此时仍视电桥为此时仍视电桥为开路开路情况。情况。 由于由于R R1 1R R1 1，分母中，分母中R R1 1/ /R R1 1可忽略可忽略: :
18、电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度定义为定义为 34电阻传感器分析：分析： 电电桥桥电电压压灵灵敏敏度度正正比比于于电电桥桥供供电电电电压压， 供供电电电电压压越越高高， 电电桥桥电电压压灵灵敏敏度度越越高高，但但供供电电电电压压的的提提高高受受到到应应变变片片允允许许功功耗耗的的限限制制，所所以以要要作作适适当当选选择；择； 电电桥桥电电压压灵灵敏敏度度是是桥桥臂臂电电阻阻比比值值n的的函函数数，恰恰当当地地选选择择桥桥臂臂比比n的的值值，保保证证电电桥桥具具有有较较高高的的电电压灵敏度。压灵敏度。 35电阻传感器 与与R1/R1的关系是非线性的，的关系是非线性的，非线性误差非线性误差为为 理想情
19、况理想情况（略去分母中的（略去分母中的R R1 1/ /R R1 1项）：项）：实际情况实际情况（保留分母中的（保留分母中的R1/R1项）：项）： 非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法36电阻传感器减小和消除非线性误差的方法减小和消除非线性误差的方法差动电桥差动电桥37电阻传感器半半桥桥差差动动：在在试试件件上上安安装装两两个个工工作作应应变变片片，一一个个受受拉拉应应变变，一一个个受受压压应应变变， 接接入入电电桥桥相相邻邻桥桥臂臂。 该该电电桥桥输出电压为输出电压为 若若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得，则得 可可知知：U Uo o与与R R1 1/ /R R1 1成成线线
20、性性关关系系，无无非非线线性性误误差差，而而且且电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度K KU U= =E E/2/2，是单臂工作时的两倍。，是单臂工作时的两倍。38电阻传感器全全桥桥差差动动：电电桥桥四四臂臂接接入入四四片片应应变变片片，即即两两个个受受拉拉应应变变，两两个个受受压压应应变变，将将两两个个应应变变符符号号相相同同的的接接入入相相对对桥臂上。若桥臂上。若R R1 1=R R2 2=R R3 3=R R4 4，且，且R R1 1= =R R2 2= =R R3 3= =R R4 4，则，则 结结论论：全全桥桥差差动动电电路路不不仅仅没没有有非非线线性性误误差差，而而且且电压灵敏度为单片工作
21、时的电压灵敏度为单片工作时的4 4倍。倍。 39电阻传感器四、应变效应的应用四、应变效应的应用 应变效应可以测量应变应力、弯矩、扭矩、应变效应可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。加速度、位移等物理量。 电阻应变片的应用可分为两大类：电阻应变片的应用可分为两大类： 第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用理量的专用应变式传感器应变式传感器。敏感元件一般为各。敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电
22、路一般为桥路；路一般为桥路； 第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从接到应变仪上就可直接从应变仪应变仪上读取被测试上读取被测试件的应变量。件的应变量。 40电阻传感器应变式力传感器应变式力传感器 FFFF41电阻传感器各种悬臂梁各种悬臂梁 FF固定点固定点固定点固定点电缆42电阻传感器应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形 43电阻传感器应变式荷重传感器外形及受力位置应变式荷重传感器外形及受力位置FF44电阻传感器汽车衡汽车衡45电阻传感器汽车衡汽车衡称重系统称重系统46电阻传感器电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤
23、超市打印秤远距离远距离显示显示47电阻传感器电子天平电子天平电子天平的精度电子天平的精度可达十万分之一可达十万分之一48电阻传感器人体秤人体秤 49电阻传感器吊钩秤吊钩秤 便携式便携式50电阻传感器应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程装配扭矩。量程2500N.m，耗电量，耗电量10mA，有公制有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。等功能。51电阻传感器压阻式固态压力传感器压阻式固态压
24、力传感器 利用扩散工艺制作的四个半导体应变利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。动态响应快。 52电阻传感器压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片 隔离、承压隔离、承压膜片可以将腐膜片可以将腐蚀性的气体、蚀性的气体、液体与硅膜片液体与硅膜片 隔离开来。隔离开来。 53电阻传感器压阻式固态压阻式固态 压力传感器压力传感器 内部结构内部结构信号处理电路信号处理电路54电阻传感器小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固
25、态压力传感器高压进气口高压进气口低压进气口低压进气口绝对压力传感器绝对压力传感器55电阻传感器56电阻传感器57电阻传感器58电阻传感器59电阻传感器60电阻传感器投入式液位计投入式液位计 压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。硅油传导压力而与液体相通。 61电阻传感器投入式液位计外形投入式液位计外形 压阻式压阻式固态压力固态压力传感器传感器 光柱光柱 显示器显示器 橡胶橡胶 背压管背压管 62电阻传感器 63电阻传感器电阻应变仪电阻应变仪下图所示的静态应变仪测量范围：下图所示的静态应变仪测量范围：19999；分辨率：分辨率：1；电桥电压：直流；电桥电压：直流2.5V；应变片：应变片：120或其他阻值；或其他阻值；测量点数：测量点数：8/16点；点；64电阻传感器电阻应变仪电阻应变仪接线端子接线端子65电阻传感器与计算机接口的多路电阻应变测量模块与计算机接口的多路电阻应变测量模块 66电阻传感器
