传感器与检测技术精品课件 第二章 电阻式传感器(120P)

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1、湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院第二章、电阻式传感器第二章、电阻式传感器本章学习要求：本章学习要求：1.1.了解电阻式传感器的分类了解电阻式传感器的分类 2.2.掌握电阻式传感器测量原理掌握电阻式传感器测量原理3.3.了解传感器测量电路了解传感器测量电路湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院2.1 2.1 概述概述1. 1. 传感器定义传感器定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。换成另一种信息的装置。物理量物理量电量电量目前，传感器转换后的信号大多为电信号。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭

2、义上讲，传感器是把外界输入的非电信因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。号转换成电信号的装置。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院2. 2. 传感器的构成传感器的构成传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。阻抗匹配，以便于后续仪表接入。 dV湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院第二章第二章 电阻传感

3、器电阻传感器利利用用电电阻阻传传感感器器可可以以测测量量角角位位移移、直直线线位位移移、应应变变、力力、加加速速度度、重重量量、转转矩矩、温温度度、湿湿度度、气体成分及浓度、磁场强度等。气体成分及浓度、磁场强度等。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院第一节第一节 电位器式传感器电位器式传感器电位器是大家十分熟悉的三端电子器件，电位器是大家十分熟悉的三端电子器件，改变其滑动臂的位置，也就改变了电路的改变其滑动臂的位置，也就改变了电路的分压比。电位器有直线式和圆盘式之分，分压比。电位器有直线式和圆盘式之分，在非电量电测中，可分别用于测量直线位在非电量电测中，可分别用于测量直线位移移x和

4、角位移和角位移。电子电路中使用的电位器性能较差，检电子电路中使用的电位器性能较差，检测技术中使用的电位器传感器耐磨程度是测技术中使用的电位器传感器耐磨程度是普通电位器的数百倍甚至数千倍，普通电位器的数百倍甚至数千倍，温漂也小于万分之一温漂也小于万分之一湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种是把被测量转换为电阻变化的一种传感器传感器, ,按工作的原理可分为按工作的原理可分为: :变阻器式、电阻应变式、变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式热敏式、光敏式、电敏式.1 1 变阻器式传感器变阻

5、器式传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院等效电路分析等效电路分析: :xL2.2电阻式传感器电阻式传感器L-L-变阻器总长变阻器总长; ;x-x-电刷移动量电刷移动量. .R-R-总电阻总电阻; ; R RL L电刷电阻电刷电阻; ;R=K*LL=R/KEE1Lx=RRL=EE1x=L*E1/E湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院分压比电路的计算公式如下分压比电路的计算公式如下：直直滑滑电电位位器器式式传传感感器器的的输输出出电电压压Uo与与滑滑动动触触点点C的的位位移移量量x成成正比：正比：对圆盘式电位器来说，对圆盘式电位器来说，Uo与滑动臂的旋转角度成正比：与

6、滑动臂的旋转角度成正比：湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院(2) (2) 变阻器式传感器的性能参数变阻器式传感器的性能参数: : 1) 1)线性线性( (或曲线的一致性或曲线的一致性); 4); 4)移动或旋转角度范围移动或旋转角度范围; ; 2) 2) 分辨率分辨率; 5); 5)电阻温度系数电阻温度系数; ; 3) 3)整个电阻值的偏差整个电阻值的偏差; 6); 6)寿命寿命; ;(3)(3)变阻器式传感器的分类变阻器式传感器的分类2.2电阻式传感器电阻式传感器按测量类型：按测量类型：单圈电位器单圈电位器多圈电位器多圈电位器直线滑动式电位器直线滑动式电位器湖州职业技术学院机电

7、分院湖州职业技术学院机电分院变阻器式传感器产品变阻器式传感器产品2.2电阻式传感器电阻式传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院1图图2-1电位器传感器电位器传感器a）圆盘式）圆盘式b）直线式）直线式湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院360360度圆盘形电位器传感器度圆盘形电位器传感器( (测量角位移测量角位移) )右图所右图所示的示的360度圆度圆盘形电位器的盘形电位器的中间焊片为滑中间焊片为滑动片，右边焊动片，右边焊片接地，左边片接地，左边焊片接电源。焊片接电源。接地接地湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院直线式电位器传感器直线式电位器传感器 运动方

8、向运动方向湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院直线电位器传感器用于测量直线位移直线电位器传感器用于测量直线位移外壳接地外壳接地电位器的电位器的滑动片随不滑动片随不锈钢滑竿而锈钢滑竿而左右移动。左右移动。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院360360度圆盘形电位器传感器也可以用于测量直度圆盘形电位器传感器也可以用于测量直线位移位移线位移位移钢丝绕在钢丝绕在圆盘形电位器传圆盘形电位器传感器的转轴上。感器的转轴上。测量转轴转动的测量转轴转动的圈数（角度），圈数（角度），再乘以转轴的直再乘以转轴的直径和径和，就等于钢，就等于钢丝拉出的长度。丝拉出的长度。接地接地湖州职业技术学

9、院机电分院湖州职业技术学院机电分院案例：案例：重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备比较比较重量设定原材料原材料2.2电阻式传感器电阻式传感器原理：弹簧原理：弹簧-力力-位移位移 -电位器电位器-电阻电阻湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院案例：案例：煤气包储量检测煤气包储量检测煤气包煤气包钢丝钢丝2.2电阻式传感器电阻式传感器原理：钢丝原理：钢丝-收线圈数收线圈数 -电位器电位器 -电阻电阻湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院案例：案例：玩具机器人（广州中鸣数码玩具机器人（广州中鸣数码 ）2.2电阻式传感器电阻式传感器原理：电机原理：电机-转角转角 -电位器电

10、位器 -电阻电阻湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院我我们们先先来来做做一一个个实实验验。当当我我们们用用力力拉拉电电阻阻丝丝时时，电电阻阻丝丝的的长长度度略略有有增增加加，直直径径略略有有减减小小，从从而而导导致致电电阻阻值值R变变大大。在在我我们们这这个个实实验验中中，电电阻阻丝丝的的阻阻值值从从初初始始状状态态的的10.00增增大大到到10.05，如如图图2-4所示。所示。导导体体或或半半导导体体材材料料在在外外界界力力的的作作用用下下，会会产产生生机机械械变变形形，其其电电阻阻值值也也将将随随着着发发生生变变化化，这这种种现现象象称称为为应应变效应。变效应。在在工工业业中中

11、，将将试试材材受受力力后后所所产产生生的的长长度度相相对对变变化化量量xl/l，称为纵向应变。，称为纵向应变。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院一、一、应变原理演示应变原理演示 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。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院二、应变片的工作原理二、应变片的工作原理设设有有一一长长度度为为、截截面面积积为为A、半半径径为为r、电电阻阻率率为为 的的金金属属单单丝丝，它的，它的电电阻阻值值R可表示可表示为为K电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度当当沿沿金金属属丝丝的的长长度度方方向向作作用用均均匀匀拉拉力力

12、（或或压压力力）时时，上上式式中中 、r、l都将发生变化，从而导致电阻值都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。发生变化。当当金属丝受拉金属丝受拉时，时，l将变长将变长、r变小变小，均导致，均导致R变大变大；某些某些半导体受拉半导体受拉时，时， 将变大将变大，导致，导致R变大变大。 电电阻阻丝丝及及应应变变片片的的电电阻阻相相对对变变化化量量 R R与与材材料料力力学学中中的的轴轴向向应应变变 x的关系在很大范围内是线性的，即的关系在很大范围内是线性的，即湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院应变片用于测量力应变片用于测量力F的计算公式的计算公式由由材材料料力力学学可可知知， x=F

13、 /(AE)，所所以以 R /R又可表示又可表示为为如果应变片的灵敏度如果应变片的灵敏度K 和试件的横截面和试件的横截面积积A以及弹性模量以及弹性模量均为已知，则只要设法均为已知，则只要设法测出测出 R /R的数值，即可获知试件受力的数值，即可获知试件受力的的大小，可用于大小，可用于电子秤电子秤的的称重称重和和测量拉力测量拉力等等。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院应变片的应用应变片的应用将将应变应变片粘片粘贴贴在斜拉在斜拉绳绳表面，可表面，可测测量斜拉量斜拉绳绳所受所受的拉力的拉力应变片可用于应变片可用于电子秤电子秤湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院2 2 电阻应

14、变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形电阻值随着所受机械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而发的变化而发生变化现象。生变化现象。 2.2电阻式传感器电阻式传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院一、电阻一、电阻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。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院1) 1) 工作原理

15、工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化上述任何一个参数变换均会引起电阻变化, ,求导数求导数2.2电阻式传感器电阻式传感器金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为为代入代入湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院2.2电阻式传感器电阻式传感器有：有：金属丝：金属丝：金属丝体积不变：金属丝体积不变：湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院2.2电阻式传感器电阻式传感器有：有：对金属材料，导电率不变：对金属材料，导电率不变：金属丝应变片：金属丝应变片：湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院2.2电阻式传感器电阻式传感器半导体应变计半导体应变计简化为：简化为：优点：灵

16、敏度大优点：灵敏度大; ;体积小体积小; ;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院设设有有一一长长度度为为L、截截面面积积为为A、半半径径为为r、电电阻阻率率为为 的的金金属属单单丝丝，它它的的电电阻阻值值R可可表表示示为为当当沿沿金金属属丝丝的的长长度度方方向向作作用用均均匀匀拉拉力力（或或压压力力）时时，上上式式中中 、r、l都都将将发发生生变变化化，从从而而导导致致电电阻阻值值R发发生生变变化化。例例如如金金属属丝丝受受拉拉时时，l将将变变长长、r变变小小，均均导导致致R变变大大；又又如如，某某

17、些些半半导导体体受受拉拉时时， 将将变变大，大，导导致致R变变大。大。 K0电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院 1.应变应变()在在材材料料力力学学中中， = l/l 称称为为电电阻阻丝丝的的轴轴向向应应变变，也也称称纵纵向向应应变变，是是量量纲纲为为1的的数数。 通通常常很很小小，常常用用10-6表表示示之之。例例如如，当当 为为0.000001时时，在在工工程程中中常常表表示示为为1 10-6或或 m/m。在在应应变变测测量量中中，也也常常将将之之称称为为微微应应变变( )。 对金属材料而言，当它受力之后所产生对金属材料而言，当它受力之后所

18、产生的轴向应变最好不要大于的轴向应变最好不要大于1 10-3，即，即1000 m/m，否则有可能超过材料的极限强，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。度而导致断裂。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院 2.应变灵敏度系数(K0) K0表示单位应变所引起的电阻相对变表示单位应变所引起的电阻相对变化，其大小由两个因素影响：化，其大小由两个因素影响： (12)表示由几何尺寸改变所引起的变表示由几何尺寸改变所引起的变化；化； (/) / (l/l)表示材料的电阻率表示材料的电阻率随应变随应变所引起的变化。所引起的变化。 对于金属材料，以前者为主。对于金属材料，以前者为主。K0 略微略微

19、不同，一般为不同，一般为2左右。而对半导体材料而言，左右。而对半导体材料而言，以后者为主，由于其感受到应变时，电阻以后者为主，由于其感受到应变时，电阻率率 会产生很大的变化。所以灵敏度比金属会产生很大的变化。所以灵敏度比金属材料大几十倍。材料大几十倍。 湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院应变计2.2电阻式传感器电阻式传感器金属应变计金属应变计湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院 二、应变片的种类与结构二、应变片的种类与结构 应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。前者可分成金属丝式、

20、箔式、薄膜式三种。 金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。应力的大批量、一次性试验。 箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。铜镍合金。 薄膜式应变片采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等薄膜式应变片采

21、用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成金属薄膜形成应变片。方法，在薄的基底材料上制成金属薄膜形成应变片。其灵敏度系数较高，允许电流密度大，工作范围广。其灵敏度系数较高，允许电流密度大，工作范围广。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院二、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金属应变片及及半导体应变片半导体应变片两大两大类。类。 金属金属丝丝式式应变应变片片蠕蠕变较变较大大，金属，金属丝丝易脱胶易脱胶，逐，逐渐渐被箔式所取代。但金属被箔式所取代。但金属丝丝式式应变应变片片价格便宜价格便宜，多，多用于用于大批量大批量、一次性一次性试

22、验试验。 箔箔式式应应变变片片中中的的箔箔栅栅是是金金属属箔箔通通过过光光刻刻、腐腐蚀蚀等等工工艺艺制制成成的的。箔箔式式应应变变片片与与片片基基的的接接触触面面积积大大得得多多，散散热热条条件件较较好好，在在长长时时间间测测量量时时的的蠕蠕变变较较小小，一致性较好一致性较好，目前广泛用于各种应变式传感器中。，目前广泛用于各种应变式传感器中。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院箔式应变片的外形箔式应变片的外形湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院半导体应变片半导体应变片及金属丝及金属丝式应变片的结构式应变片的结构半导体应变片外形半导体应变片外形金属丝式应变片的金属丝式应变

23、片的内部结构内部结构湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院3) 3) 应变片的主要参数应变片的主要参数4 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。度等）。 2.2电阻式传感器电阻式传感器1 1）几何参数：表距）几何参数：表距L L和丝栅宽度和丝栅宽度b b，制造厂常用，制造厂常用 b bL L表示。表示。2 2）电阻值：应变计的原始电阻值。）电阻值：应变计的原始电阻值。 3 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 湖

24、州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院应变片主要性能指标举例应变片主要性能指标举例上表中，哪几个型号是半导体应变片？依上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？据是什么？ 湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院三、应变片的粘贴：三、应变片的粘贴：1.去污：采用手持去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力增加粘贴力，用浸有酒，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗棉球擦洗。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院 2.贴片：在应贴

25、片：在应变片的表面和处理变片的表面和处理过的粘贴表面上，过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘各涂一层均匀的粘贴胶贴胶 ，用镊子将应，用镊子将应变片放上去，并调变片放上去，并调好位置，然后盖上好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下揉和滚压，排出下面的气泡面的气泡 。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院 3.测量测量 ：从分：从分开的端子处，预开的端子处，预先用万用表测量先用万用表测量应变片的电阻，应变片的电阻，发现端子折断和发现端子折断和坏的应变片。坏的应变片。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院4.焊接：焊接：将引将引线和端子用烙铁焊线和端子用烙铁

26、焊接起来，注意不要接起来，注意不要把端子扯断。把端子扯断。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院 5.固定：固定： 焊接后用胶焊接后用胶布将引线和布将引线和被测对象固被测对象固定在一起，定在一起，防止损坏引防止损坏引线和应变片。线和应变片。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院2.2电阻式传感器电阻式传感器电阻应变片的选择、粘贴技术电阻应变片的选择、粘贴技术1.1.目测电阻应变片有无折痕目测电阻应变片有无折痕. .断丝等断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2.2.用数字万用表测量应变片电阻值大用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应

27、变片之间阻值小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于相差不得大于0.50.5欧姆欧姆. .3.3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院2.2电阻式传感器电阻式传感器5.5.焊线焊线: :用电烙铁将应变片的引线焊接到导用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。引线上。6.6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于组织，应大于500M500M欧。欧。7.7.应变片保护：用应变片

28、保护：用704704硅橡胶覆于应变片硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。上，防止受潮。4.4.应变片粘贴应变片粘贴: :在应变片基底上挤一小滴在应变片基底上挤一小滴502502胶水，胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院2.2电阻式传感器电阻式传感器3) 3) 应变片测量电路应变片测量电路VER1R2R3R4湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院2.2电阻式传感器电阻式传感器令：令：金属丝应变片：金属丝应变片：V V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变

29、湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院 由材料力学可知，由材料力学可知， =F /（AE），所），所以以 R /R又可表示为又可表示为 如果应变片的灵敏度如果应变片的灵敏度K 和试件的横和试件的横截面积截面积A以及弹性模量以及弹性模量均为已知，则均为已知，则只要设法测出只要设法测出 R /R的数值，即可获知的数值，即可获知试件受力试件受力的大小，例如可用于电子秤的大小，例如可用于电子秤的称重。的称重。 3.应变片用于测量力应变片用于测量力F的计算公式的计算公式湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院测量转换电路测量转换电路电桥电桥 金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接金属应

30、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，且误用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。差很大。 如有一金属箔式应变片，标称阻值如有一金属箔式应变片，标称阻值R0为为100 ，灵敏度，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质的钢质圆柱体上，钢的弹性模量圆柱体上，钢的弹性模量E=2 1011N/m2，所受，所受拉力拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值，受拉后应变片的阻值R 的变化量仅的变化量仅为为0.2 ，所以必须使用不平衡电桥来测量这一微，所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如小的变化量。下面分

31、析该桥式测量转换电路是如何将何将 R /R转换为输出电压转换为输出电压Uo的。的。 湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院1.4电桥的输出与和差特性电桥的输出与和差特性（1）全等臂电桥的输出）全等臂电桥的输出假设各桥臂分别有电阻增量，代入下式：假设各桥臂分别有电阻增量，代入下式：如果电桥初始状态是平衡的，即有如果电桥初始状态是平衡的，即有R1R3=R2R4，略去略去R/R 的平方项，化简的平方项，化简则得电桥的输出电则得电桥的输出电压增量压增量为为：第一节第一节第一节第一节 电桥电桥电桥电桥 1. 1. 1. 1. 直流电桥直流电桥直流电桥直流电桥湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术

32、学院机电分院湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院若采用等臂电桥，即若采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R，则则有：有：当当采采用用相相同同的的应应变变片片时时，灵灵敏敏度度系系数数均均为为K（R/R=K），），则上式可以写成：则上式可以写成：第一节第一节第一节第一节 电桥电桥电桥电桥 1. 1. 1. 1. 直流电桥直流电桥直流电桥直流电桥湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院（2）等臂电桥的和差特性）等臂电桥的和差特性以下讨论中，设：以下讨论中，设：R1=R2=R3=R4=R半桥单臂半桥单臂桥臂桥臂R1R1+R电桥灵敏度电桥灵敏度：输出电压：输出电压：dcabUU

33、0R1R2R3R4第一节第一节第一节第一节 电桥电桥电桥电桥 1. 1. 1. 1. 直流电桥直流电桥直流电桥直流电桥湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院半桥双臂（异号）半桥双臂（异号）电桥灵敏度电桥灵敏度：输出电压：输出电压：桥臂桥臂R1R1+RR2R2-R可得：可得：邻臂异号变化，输出电压为两臂变化之邻臂异号变化，输出电压为两臂变化之和，电桥灵敏度是半桥单臂的二倍。和，电桥灵敏度是半桥单臂的二倍。dcabUU0R1R2R3R4第一节第一节第一节第一节 电桥电桥电桥电桥 1. 1. 1. 1. 直流电桥直流电桥直流电桥直流电桥湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院半桥双

34、臂（同号）半桥双臂（同号）输出电压：输出电压：桥臂桥臂R1R1+RR2R2+R可得：可得：邻臂同号变化，输出为两臂变化之差邻臂同号变化，输出为两臂变化之差。dcabUU0R1R2R3R4第一节第一节第一节第一节 电桥电桥电桥电桥 1. 1. 1. 1. 直流电桥直流电桥直流电桥直流电桥湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院全桥四臂全桥四臂电桥灵敏度电桥灵敏度：可得：可得：邻臂异号，对臂同号，电桥输出为单臂时的邻臂异号，对臂同号，电桥输出为单臂时的四倍，电桥灵敏度是半桥单臂的四倍。若邻四倍，电桥灵敏度是半桥单臂的四倍。若邻臂同号，对臂异号，则电桥输出为臂同号，对臂异号，则电桥输出为0。

35、桥臂桥臂R1R1+RR2R2-RR3R3+RR4R4-R输出电压：输出电压：dcabUU0R1R2R3R4第一节第一节第一节第一节 电桥电桥电桥电桥 1. 1. 1. 1. 直流电桥直流电桥直流电桥直流电桥湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院单臂电桥单臂电桥 全桥四臂全桥四臂工作方式的灵工作方式的灵敏度最高，双敏度最高，双臂半桥次之，臂半桥次之，单臂半桥灵敏单臂半桥灵敏度最低。度最低。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院双臂电桥双臂电桥 R1、 R2为应变为应变片，片， R3、R4为固定电为固定电阻阻。应变片。应变片R1、R2感感受到的应变受到的应变 1 2以及以及产生

36、的电阻增量正负产生的电阻增量正负号相间，可以使输出号相间，可以使输出电压电压Uo成倍地增大。成倍地增大。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院四臂全桥四臂全桥全桥的四个桥臂都为应变片，全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变如果设法使试件受力后，应变片片R1R4产生的电阻增量（或产生的电阻增量（或感受到的应变感受到的应变 1 4）正负号相）正负号相间，就可以使输出电压间，就可以使输出电压Uo成倍成倍地增大。上述三种工作方式中，地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用

37、全桥还能实灵敏度最低。采用全桥还能实现温度自补偿。现温度自补偿。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院全桥的温度补偿原理全桥的温度补偿原理当环境温度升高当环境温度升高时，桥臂上的应变片时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能较小；半桥也同样能克服温漂。克服温漂。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院 应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电应力、弯矩、扭矩、加

38、速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变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，并将其接到测量转换电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理量的专用应变式传路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试件上，然为桥路；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应变仪上读取被后将其接到应变仪上就可直接从应变

39、仪上读取被测试件的应变量。测试件的应变量。五、应变效应的应用五、应变效应的应用湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院四、应变效应的应用四、应变效应的应用 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：第一类第一类是将是将应变片应变片粘贴于某些弹性体上，粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电并将其接到测量转换电路，这样就构成路，这样就构成测量各种物理量的测量各种物理量的专用应变式传感器专用应变式传感器。应变式传感器应变式传感器中，敏感元件一般为中，敏感元件一般为各种弹性体各种弹性体。传感传感元件元件就是就是应变片应变片，测量转换电路测量转换电路一般为一般为桥路桥路； 第

40、二类第二类是将应变片是将应变片贴于被测试件上贴于被测试件上，然后将其接，然后将其接到到应变仪应变仪上就可直接上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变从应变仪上读取被测试件的应变量量。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片2.2电阻式传感器电阻式传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院2.2电阻式传感器电阻式传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院2.2电阻式传感器电阻式传感器标准产品标准产品湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院案例：机器人握力测量案例：机器人握力测量2.2电阻式传感器电阻式传感

41、器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院应变式力传感器应变式力传感器 应变式力传感器应变式力传感器 FFFF湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院2.2电阻式传感器电阻式传感器电阻应变式传感器的应用：测力电阻应变式传感器的应用：测力湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院应变式力传感器应变式力传感器 S型力传感器型力传感器 FFFF湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院各种悬臂梁各种悬臂梁 湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院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湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院应变片在悬臂梁上的

42、粘贴及受力变形应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院应变式荷重传感器的外形及应应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置变片的粘贴位置FR1R2 R4湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院应变式荷重传感器外形及受力位置（续）应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院应变式荷重传感器外形及受力位置（续）应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示贴在荷贴在荷重传感器表重传感器表面的应变片面的应变片在向下力的在向下力的作用下

43、产生作用下产生变形。变形。轴向轴向变短变短，径向径向变长变长。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院测量测量装货量装货量或或判断超载判断超载湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院汽车衡汽车衡称重系统称重系统（参考（参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院荷重传感器计算公式荷重传感器计算公式 当当KF 为常数时，桥路所加的激励源电压为常数时，桥路所加的激励源电压Ui越越高，满量程输出电压高，满量程输出电压Uom也越高。也越高。思考：综合考虑灵敏度与功耗、发思考：综合考虑灵敏度与功耗、发热等因数，热等因数，Ui的取值范围多少为好？的取值

44、范围多少为好？湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院荷重传感器应用估算荷重传感器应用估算 例例现现用用某某荷荷重重传传感感器器称称重重。当当桥桥路路电电压压Ui为为6V时时，测得桥路的输出电压测得桥路的输出电压Uo为为8mV，求被测荷重为多少吨。，求被测荷重为多少吨。 解解从该荷重传感器铭牌上得到从该荷重传感器铭牌上得到Fm=100 103N，KF=2mV/V， 可计算得到可计算得到Uom=12mV。根据上述公式计算得。根据上述公式计算得被测荷重：被测荷重：湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院荷重传感器用于构件的荷重传感器用于构件的称重称重 荷重传感器荷重传感器（共（共3

45、个，个，120度分布，以达到度分布，以达到均衡目的，另两个未拍出）均衡目的，另两个未拍出）底座底座垫块垫块电缆电缆湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院案例：案例：电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。2.2电阻式传感器电阻式传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院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湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院人体秤人体秤 怎样改造，才能适合怎样改造，

46、才能适合盲人盲人使用？使用？湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院吊钩秤吊钩秤 便携式便携式如何将信号传如何将信号传送到计算机中送到计算机中？湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院电子秤中的各类弹性元件电子秤中的各类弹性元件 湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院材料应变的测量材料应变的测量斜拉桥上的斜拉斜拉桥上的斜拉绳应变测试绳应变测试 湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院材料应变的测量（续）材料应变的测量（续）预应力管桩的质量检验：预应力管桩的质量检验：工作人员正在贴应变片工作人员正在贴应变片 应变片粘贴在管桩上，应变片粘贴在管桩上，引出线应良好固

47、定引出线应良好固定湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手数显扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内数显扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺栓的紧固螺栓的装配扭矩装配扭矩。量程。量程2500Nm，耗电，耗电量量10mA，有公制，有公制/英制单位转换、峰值保持、英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。自动断电等功能。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院应变式数显扭矩扳应变式数显扭矩扳手（续）手（续）湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院2.2电阻式传感器电

48、阻式传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院压阻式固态压力传感器压阻式固态压力传感器利用扩散工艺制作的四个利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片半导体应变电阻处于同一硅片上，上，工艺一致性好工艺一致性好，灵敏度相灵敏度相等等，漂移抵消漂移抵消，迟滞、蠕变非，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。常小，动态响应快。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院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、承隔离、承压压膜片膜片可以将可以将腐腐蚀性的气体蚀性的气体、液液体体与与硅膜片硅膜片隔隔离离开来。开来。 湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学

49、院机电分院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信号处理电路理电路p湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固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湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院小型压阻式固态差压传感器（续）小型压阻式固态差压传感器（续）可用于呼吸、透析和注射泵等设备可用于呼吸、透析和注射泵等设备p1进气管进气管p2进气管进气管电缆引出电缆引出湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院小型压阻式固态压力传感器（续）小型压阻式固态压力传感器（续）表压压力传感器表压压力传感器p1进气管进气管湖州

50、职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院汽车子午线轮胎胎压的测量汽车子午线轮胎胎压的测量子午线轮胎子午线轮胎汽车胎压汽车胎压传感器传感器的安装的安装湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院投入式液位计投入式液位计压阻式固态压力传感器的压阻式固态压力传感器的p1进气孔用进气孔用柔性柔性不锈钢隔离膜片隔离不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力。硅，并用硅油传导压力。硅杯杯不与液体相通，耐腐蚀不与液体相通，耐腐蚀。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院投入式液位计外形（续）投入式液位计外形（续）压阻式固压阻式固态压力传态压力传感器感器 与水位与水位成正比成正比的光柱的光柱橡胶橡胶

51、背压管背压管进水孔进水孔湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院投入式液位传感器投入式液位传感器 投入式液位传投入式液位传感器必须使用安装感器必须使用安装支架，适应于深度支架，适应于深度为为几米几米至至几十米，几十米，且混有且混有大大量量污物、污物、杂质的水或其他液杂质的水或其他液体的液位测量。体的液位测量。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院投入式液位计液位的计算投入式液位计液位的计算：安装高度安装高度h0处水的表压处水的表压p1= gh1所以：所以：h=h0+h1=h0+p1/（ g） 例：液位计安装高度为例：液位计安装高度为1m，测得压力为，测得压力为98kPa，求水

52、的，求水的深度深度h。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院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湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院各种悬臂梁各种悬臂梁 湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院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湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2 R4湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院应变式荷重传感器外形及受力位置（续）应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF湖州职业技术学院机电分

53、院湖州职业技术学院机电分院荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示荷重传荷重传感器上的应变感器上的应变片在重力作用片在重力作用下产生变形。下产生变形。轴向变短，径轴向变短，径向变长。向变长。 湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院汽车衡汽车衡湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院汽车衡汽车衡湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院汽车衡汽车衡称重系统称重系统湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量2.2电阻式传

54、感器电阻式传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。2.2电阻式传感器电阻式传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院案例：案例：电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。2.2电阻式传感器电阻式传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院案例：冲床生产记数案例：冲床生产记数 和生产过程监测和生产过程监测2.2电阻式传感器电阻式传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院2.2电阻式传感器电阻式传感器案例：案例：振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。洞、爆破等破坏行为均可及时发现。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院思考题思考题1.金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同?2.采用阻值R=120灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片与阻值R=120的固定电阻组成电桥，供桥电压为10V。当应变片应变为1000时，若要使输出电压大于10mV，则可采用何种工作方式（设输出阻抗为无穷大）？