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1、第第3讲讲 电阻式传感器电阻式传感器目的：目的：1、了解电阻式传感器测量原理；、了解电阻式传感器测量原理； 2、掌握测量方法。、掌握测量方法。内容：内容：1、电位器式传感器；、电位器式传感器； 2、应变式传器；、应变式传器； （重点）（重点） 3、压阻式传感器。、压阻式传感器。 （难点）（难点）学时：学时：2小时小时传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件什么是电阻式传感器？什么是电阻式传感器？ 将将位位移移、应应变变、振振动动等等非非电电量量的的变变化化转转换换成成导导电电材材料料的的电电阻阻变变化化的的装装置置，称称为为电电阻阻式传感器。式传感器。电阻式传感器分电阻式
2、传感器分类： 1、变阻器式；阻器式； 2、电阻阻应变式；式； 3、固、固态压阻式阻式传感器。感器。传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件第一节第一节 电位器式传感器电位器式传感器1、什么是电位器传感器？、什么是电位器传感器？ 基于在匀质导体中，电阻基于在匀质导体中，电阻R与其长度与其长度L成正比成正比的关系制造的一种位移量的电阻式传感器。的关系制造的一种位移量的电阻式传感器。式中式中:R电阻电阻; 电阻率；电阻率；L导体长度；导体长度；A横面积横面积传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件第一节第一节 电位器式传感器电位器式传感器2、电位器传感器的
3、类型、电位器传感器的类型（1）角位移电阻式传感器）角位移电阻式传感器（2）线位移的电阻式传感器。）线位移的电阻式传感器。角位移传感器角位移传感器线位移传感器线位移传感器传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件第一节第一节 电位器式传感器电位器式传感器3、电位器传感器的原理、电位器传感器的原理输出电压输出电压UL与位与位移移X呈非线性关呈非线性关系。只有系。只有RL无限无限大时输出电压大时输出电压UL与位移与位移X间才是间才是线性关系。线性关系。（a）角位移电阻式）角位移电阻式 （b）线位移电阻式传感）线位移电阻式传感传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器
4、课件件第一节第一节 电位器式传感器电位器式传感器2、电位器传感器的类型、电位器传感器的类型（1）角位移电阻式传感器）角位移电阻式传感器（2）线位移的电阻式传感器。）线位移的电阻式传感器。高精度位移传感器高精度位移传感器传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件第二节第二节 应变式传感器应变式传感器什么是应变式传感器？什么是应变式传感器？什么是应变式传感器？什么是应变式传感器？ 基于电阻基于电阻基于电阻基于电阻应变效应应变效应应变效应应变效应制造的用于制造的用于制造的用于制造的用于 测量微小变化的测量微小变化的测量微小变化的测量微小变化的传感器。传感器。传感器。传感器。一、结
5、构一、结构结构：结构：1、覆盖层、覆盖层 2、基底、基底3、引出线、引出线 4、粘合剂、粘合剂5、电阻丝（敏感栅）、电阻丝（敏感栅）核心元件：电阻丝核心元件：电阻丝传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件第二节第二节 应变式传感器应变式传感器 一、结构一、结构实际应用中应变片有两种。实际应用中应变片有两种。 1、丝式应变片、丝式应变片 2、箔式应变片、箔式应变片传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件一、一、丝栅式应变片丝栅式应变片标距：标距：0.2mm 200mm短接式应变片短接式应变片二、箔式应变片二、箔式应变片的金属箔片的金属箔片光刻腐蚀工艺光
6、刻腐蚀工艺箔式应变片的优点：箔式应变片的优点：1、尺寸精确，线条均匀，灵敏系数、电阻值离散小。尺寸精确，线条均匀，灵敏系数、电阻值离散小。2、横向效应小，粘结面积大，粘贴牢固，散热性好。横向效应小，粘结面积大，粘贴牢固，散热性好。3、光刻腐蚀可制成各种应变花及小标距应变片。光刻腐蚀可制成各种应变花及小标距应变片。4、耐潮湿、耐潮湿，绝缘性好，蠕变及机械滞后小。，绝缘性好，蠕变及机械滞后小。5、便于成批生产，质量好，成品率高。便于成批生产，质量好，成品率高。传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件第二节第二节 应变式传感器应变式传感器二、应变效应二、应变效应 金属导体或半导
7、体在受到外力作用时，会产生相金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化，这种物理现象应的应变，其电阻也将随之发生变化，这种物理现象称为称为“应变效应应变效应”，用来产生应变效应的细导体称为，用来产生应变效应的细导体称为“应变丝（敏感栅）应变丝（敏感栅）”传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件第二节第二节 应变式传感器应变式传感器二、应变效应二、应变效应 设有圆形截面导线,长度为L,截面积为A,材料的电阻率为，这段导线的电阻值R为：当导体受力时，其长度当导体受力时，其长度L L，截面积，截面积 A A ，电阻率，电阻率 相应发生变相应发生变
8、化为化为d dL L、d(d(rr2 2) )、d d, ,因而引起电阻变化因而引起电阻变化d dR R传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件第二节第二节 应变式传感器应变式传感器二、应变效应二、应变效应 对上式全微分，则：对上式全微分，则：式中：式中：电阻丝电阻丝轴向轴向应变应变电阻丝电阻丝径向径向应变应变轴向应变与径向轴向应变与径向应变的关系是：应变的关系是：y= -x传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件第二节第二节 应变式传感器应变式传感器二、应变效应二、应变效应 电阻变效率为几何项和压阻效应项综合的结果电阻变效率为几何项和压阻效应项综合
9、的结果传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件三、应变片的型号及类型三、应变片的型号及类型传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件三、应变片的型号及类型三、应变片的型号及类型传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件三、应变片的型号及类型三、应变片的型号及类型传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件（一）应变片的筛选（一）应变片的筛选1、外观检查外观检查2、测量应变片的初始电阻值测量应变片的初始电阻值（二）构件表面处理（二）构件表面处理（三）贴片（三）贴片（四）固化（四）固化（五）导线焊接与固定（五）导线焊接
10、与固定接线端子接线端子（六）粘贴质量检查（六）粘贴质量检查（七）应变片的防潮保护（七）应变片的防潮保护四、四、应变片的粘贴技术和防护应变片的粘贴技术和防护传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件四、四、应变片的粘贴技术和防护应变片的粘贴技术和防护传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件第二节第二节 应变式传感器应变式传感器五、测量原理五、测量原理 应变片直接感受应变或应力。应变片直接感受应变或应力。 测量时，将应变片粘贴在弹性元件（试件）上，当外力作测量时，将应变片粘贴在弹性元件（试件）上，当外力作用到弹性元件（试件）上时，弹性元件被压缩（或拉伸），
11、即用到弹性元件（试件）上时，弹性元件被压缩（或拉伸），即产生微小的机械变形，粘贴在弹性元件上的应变片感受到应力产生微小的机械变形，粘贴在弹性元件上的应变片感受到应力的作用，根据虎克定律，应变的作用，根据虎克定律，应变与应力与应力成正比，成正比，=E 又由应变效应可知，应变片的应变又由应变效应可知，应变片的应变与电阻值的相对变化与电阻值的相对变化dR/R成正比，所以，实现了对微小机械变量的测量。成正比，所以，实现了对微小机械变量的测量。传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件五、应变式传感器测量电路五、应变式传感器测量电路（一）（一）单臂工作单臂工作 U U E KE K/
12、 4/ 4 （二）半桥工作（二）半桥工作 U U E KE K/ 2/ 2 （三）全桥工作（三）全桥工作 U U E k E k 传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件六、应变片的温度误差与补偿六、应变片的温度误差与补偿（1 1）应变片的电阻丝具有一定温度系数；）应变片的电阻丝具有一定温度系数； 1、温度误差、温度误差 应变片的阻值受环境温度应变片的阻值受环境温度( (包括被测试件的包括被测试件的温度温度) )影响很大。主要因素有两点：影响很大。主要因素有两点： 设设环环境境引引起起的的构构件件温温度度变变化化为为t时时，粘粘贴贴在在试试件件表表面面的的应应变变片片敏敏
13、感感栅栅材材料料的的电电阻阻温温度度系系数数为为t,则则应应变变片片产生的电阻相对变化为产生的电阻相对变化为:传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件（2 2）电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。）电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。1、温度误差、温度误差由由于于敏敏感感栅栅材材料料和和被被测测构构件件材材料料两两者者线线膨膨胀胀系系数数不不同同，当当t t 存在时，引起应变片的附加应变，其值为存在时，引起应变片的附加应变，其值为式中e 试件材料的线性膨胀系数； g为敏感栅材料的线膨胀系数。相应的电阻相对变化为：相应的电阻相对变化为：六、应变片的温度误差与补偿六、应变
14、片的温度误差与补偿传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件六、应变片的温度误差与补偿六、应变片的温度误差与补偿1、温度误差、温度误差温度变化形成的总电阻相对变化为：传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件六、应变片的温度误差与补偿六、应变片的温度误差与补偿（1 1）单丝自补偿应变片）单丝自补偿应变片选择与膨胀使应变片选择与膨胀使应变片产生电阻变化相反的敏感栅材料。产生电阻变化相反的敏感栅材料。 2、温度补偿、温度补偿常见的温度补偿措施有常见的温度补偿措施有主要有以下三方面：主要有以下三方面：由温度变化形成的总电阻相对变化表达式得知：只有只有传感器技术
15、第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件六、应变片的温度误差与补偿六、应变片的温度误差与补偿（1 1）单丝自补偿应变片）单丝自补偿应变片2、温度补偿、温度补偿常见的温度补偿措施常见的温度补偿措施主要有以下三方面主要有以下三方面：（2 2）双丝组合式自补偿应变片）双丝组合式自补偿应变片由两种不同电阻温度系数由两种不同电阻温度系数( (一种为正值，一种为负值一种为正值，一种为负值) )的的材料串联组成敏感栅材料串联组成敏感栅 传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件六、应变片的温度误差与补偿六、应变片的温度误差与补偿（1 1）单丝自实偿应变片）单丝自实偿应变片 2
16、、温度补偿、温度补偿常见的温度补偿措施有常见的温度补偿措施有主要有以下三方面：主要有以下三方面：（2 2）双丝组合式自补偿应变片）双丝组合式自补偿应变片（3 3）电路路补偿法法利用利用电桥相相邻相等二臂同相等二臂同时产生生太小相等、符号相同的太小相等、符号相同的电阻阻量不会破坏量不会破坏电桥平衡的特性平衡的特性来达到来达到补偿的目的。的目的。 传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件六、应变片的温度误差与补偿六、应变片的温度误差与补偿要达到完全补偿，要达到完全补偿，需满足下列三个条件需满足下列三个条件 Rl和R2须属于同一批号，即它们的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏系
17、数都应相同，两片的初始电阻值也要求相同； 用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件两者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等； 两应变片处于同一温度环境中。 传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件七、应变式传感器的应用七、应变式传感器的应用应变式传感器广泛应用于称重和测力领域。应变式传感器广泛应用于称重和测力领域。 一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；二是作为转换元件，通过弹性元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作间接测量。 应变式传感器有两种类型：应变式传感器有两种类型：1 1、柱式力传感器、柱式力传感器2 2、梁式力传感器、梁式力传感器
18、传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件七七、应变式传感器的应用、应变式传感器的应用 ( (一一) )柱式力传感器原理柱式力传感器原理外形图传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件内部图七七、应变式传感器的应用、应变式传感器的应用 ( (一一) )柱式力传感器原理柱式力传感器原理外形图展开图传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件七七、应变式传感器的应用、应变式传感器的应用 ( (一一) )柱式力传感器应用柱式力传感器应用1 1、称重式料位计、称重式料位计传感器技术第
19、传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件七七、应变式传感器的应用、应变式传感器的应用 ( (一一) )柱式力传感器应用柱式力传感器应用2 2、电子皮带秤、电子皮带秤电子皮带称的称重框架示意图电子皮带称的称重框架示意图传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件七七、应变式传感器的应用、应变式传感器的应用 ( (一一) )柱式力传感器应用柱式力传感器应用2 2、电子吊车秤、电子吊车秤荷重传感器安装在吊车上的方式荷重传感器安装在吊车上的方式传感器传感器防扭转臂防扭转臂信号电缆信号电缆荷重传感器安装在钢丝绳固定端方式荷重传感器安装在钢丝绳固定端方式传感器传感器动滑轮动滑轮
20、卷扬筒卷扬筒定滑轮定滑轮传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件七七、应变式传感器的应用、应变式传感器的应用 ( (二二) )梁式力传感器原理梁式力传感器原理 梁梁的的固固定定端端宽宽度度为为b b0 0，自自由由端端宽宽度度为为b b，梁梁长长为为L L，梁梁厚厚为为h h。这这种种弹弹性性元元件件的的特特点点是是，其其截截面面沿沿粱粱长长方方向向按按一一定定规规律律变变化化，当当囊囊中中力力F F作作用用在在自自由由端端时时，距距作作用用力力任任何何距距离离z z的的截截面面上上应应力力a a相相等等。因因此此，沿沿着着这这种种梁梁的的长长度度方方向向上上的的截截面面
21、抗抗弯弯模模量量的的变变化化与与弯弯矩矩M M的的变变化化成成正正比即：比即：传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件七七、应变式传感器的应用、应变式传感器的应用 ( (二二) )梁式力传感器应用梁式力传感器应用 1 1、手提电子称、手提电子称 手提式电子秤，成本低，称重手提式电子秤，成本低，称重精度高，携带方便，适于购物时用。精度高，携带方便，适于购物时用。 它它采采用用准准s s型型的的双双孔孔弹弹性性体体作作为为称称重重传传感感器器的的测测力力元元件件，重重力力P P作作用用在在中中心心线线上上。四四片片箔箔式式电电阻阻应应变变片片粘粘贴贴在在弹弹性性体体双双孔孔的
22、的外外侧侧位位置置处处。双双孔孔弹弹性性体体可可简简化化为为在在一一端端受受到到力力偶偶M M的的作作用用，其其大大小小与与重力重力P P及双孔弹性体长度有关。及双孔弹性体长度有关。 传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件七七、应变式传感器的应用、应变式传感器的应用 ( (二二) )梁式力传感器应用梁式力传感器应用 2 2、应变式加速度传感器、应变式加速度传感器 它它由由端端部部固固定定并并带带有有惯惯性性质质量量块块m m的的悬悬臂臂梁梁及及贴贴在在粱粱根根部部的的应变片片、基基座座及及外壳等外壳等组成，是
23、一种成，是一种惯性式性式传感器。感器。 测测量量时时，根根据据所所测测振振动动体体加加速速度度的的方方向向，把把传传感感器器固固定定在在被被测测部部位位。当当被被测测点点的的加加速速度度沿沿图图中中箭箭头头n n所所示示方方向向时时，悬悬臂臂粱粱自自由由端端受受惯惯性性力力F F硼硼的的作作用用，质质量量块块向向箭箭头头。相相反反的的方方向向相相对对于于基基座座运运动动，使使梁梁发发生生弯弯曲曲变变形形，应应变变片片电电阻阻发发生生变变化化，产产生生输输出出信信号号，输输出出信信号号大大小小与与加加速度成正比。速度成正比。 质量块质量块M传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器
24、课件件第三节第三节 压阻式传感器压阻式传感器 什么叫压阻式传感器？什么叫压阻式传感器？ 利利用用硅硅的的压阻阻效效应和和微微电子子技技术制制成成的的传感器感器 特点：特点： 灵敏度高、动态响应好、精灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微度高、易于微型化和集成化等型化和集成化等结构：结构： 1 1、固定环、固定环 2 2、力敏电阻力敏电阻 3 3、硅膜片、硅膜片传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件第三节第三节 压阻式传感器压阻式传感器 一、压阻效应与压阻系数一、压阻效应与压阻系数 在在半半导导体体材材料料上上施施加加一一作作用用力力时时，其其电电阻阻率率将将发发生生显显著
25、著的的变变化化，这这种种现现象象称为压阻效称为压阻效应。 什么叫压阻效应？什么叫压阻效应？传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件第三节第三节 压阻式传感器压阻式传感器 二、工作原理二、工作原理 通通过过扩扩散散杂杂质质使使其其形形成成四四个个P P型型（力力敏敏）电电阻阻，与与硅硅膜膜片片组组成成一一体体，并并组组成成电电桥桥。当当膜膜片片受受力力后后，由由于于半半导导体体的的压压阻阻效效应应，电电阻阻阻阻值发生生变化，使化，使电桥有相有相应的的输出。出。 半导体的应变效应半导体的应变效应 弹性元件的虎克定律弹性元件的虎克定律 得得传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感
26、器课讲电阻式传感器课件件第三节第三节 压阻式传感器压阻式传感器 二、工作原理二、工作原理 对对扩扩散散硅硅压压力力传传感感器器，敏敏感感元元件件通通常常都都是是周周边边固固定定的的圆圆膜膜片片。如如果果膜膜片片下下部部受受均均匀匀分分布布的的压力力作作用用时，由由图2 21616所所示示膜膜片片的的应力分布曲力分布曲线可知以下可知以下结论。 纵向应力横向应力0.635r0.812r传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件第三节第三节 压阻式传感器压阻式传感器 二、工作原理二、工作原理(1)(1)在膜片的中心处，在膜片的中心处，r=0r=0，具有最大的正应力，具有最大的正应
27、力( (拉应力拉应力) )，且口，且口，-o-ot t； 在膜片在膜片的边缘处，的边缘处，r=r=如，纵向应力口，为最大的负应力如，纵向应力口，为最大的负应力( (压应力压应力) )。(2)(2)当当r=O 635 ror=O 635 ro时，纵向应力口，时，纵向应力口，-0-0； r0 635rr0 635r。时，纵向应力口。时，纵向应力口。00，为负应力，为负应力( (压应力压应力) )； r0 635rrOO，为正应力，为正应力( (拉应力拉应力) )。(3)(3)当当r r：O 812rO 812r时，横向应力时，横向应力a a。=0=0，但纵向应力口，但纵向应力口，00。根据以上分析
28、，在膜片上扩散电阻时，根据以上分析，在膜片上扩散电阻时，4 4个电阻都利用纵向应力个电阻都利用纵向应力q q，如图，如图2_172_17。只要。只要其中两个电阻其中两个电阻R2R2、R3R3处于中心位置处于中心位置(r0 635ro)(r0(r0635ro)635ro)，使其受压应力。，使其受压应力。传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件第三节第三节 压阻式传感器压阻式传感器 三、三、压阻式传感器的应用压阻式传感器的应用1 1、液位测量、液位测量被测液位可由下式得到被测液位可由下式得到 压阻式压阻式传感器传感器传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件第三节第三节 压阻式传感器压阻式传感器 三、三、压阻式传感器的应用压阻式传感器的应用2 2、压力测量、压力测量传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件第三节第三节 压阻式传感器压阻式传感器 三、三、压阻式传感器的应用压阻式传感器的应用2 2、压力测量、压力测量传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件完完传感器技术第传感器技术第3讲电阻式传感器课讲电阻式传感器课件件
