传感器技术第3讲电阻式传感器

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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小时小时什么是电阻式传感器？什么是电阻式传感器？将位移、应变、振动等非电量的变化转将位移、应变、振动等非电量的变化转换成导电材料的电阻变化的装置，称为电阻换成导电材料的电阻变化的装置，称为电阻式传感器。式传感器。电阻式传感器分电阻式传感器分类：类：1、变阻器式；、变阻器式；2、电阻应变式；、电阻应变

2、式；3、固态压阻式传感器。、固态压阻式传感器。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。ALR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。角位移传感器角位移传感器线位移传感器线位移传感器第一节

3、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)1(1xxRRxUULL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第二节第二节 应变式传感器应变式传感器第二节第二节 应

4、变式传感器应变式传感器一、丝栅式应变片一、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m80m3的金属箔片的金属箔片光刻腐蚀工艺光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，绝缘性好，蠕变及机械滞后小。、耐潮湿，绝缘性好，蠕变及机械滞后小。5、便于成批生产，

5、质量好，成品率高。、便于成批生产，质量好，成品率高。第二节第二节 应变式传感器应变式传感器 金属导体或半导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）”第二节第二节 应变式传感器应变式传感器 设有圆形截面导线设有圆形截面导线,长度为长度为 L L,截面积为截面积为 A A,材料的材料的电阻率为电阻率为，这段导线的电阻值，这段导线的电阻值 R R 为：为：2r

6、LALR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第二节第二节 应变式传感器应变式传感器2rLALR对上式全微分，则：对上式全微分，则：drdrLdLRdR2式中：式中：LdLrdryrdrxLdL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第二节第二节 应变式传感器应变式传感器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的结果d

7、RdRx)21(三、应变片的型号及类型三、应变片的型号及类型三、应变片的型号及类型三、应变片的型号及类型三、应变片的型号及类型三、应变片的型号及类型（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四、四、应变片的粘贴技术和防护应变片的粘贴技术和防护第二节第二节 应变式传感器应

8、变式传感器 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），作用到弹性元件（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

9、变量的测量。成正比，所以，实现了对微小机械变量的测量。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 （二）半桥工作（二）半桥工作 （三）全桥工作（三）全桥工作 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：设环境引起的构件温度变化为设环境引起的构件温度变化为t时，粘贴在试件时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为

10、表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t,则应变片则应变片产生的电阻相对变化为产生的电阻相对变化为:ttRR 1（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、温度误差由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，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tget)(2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。tgeKRR)(2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、应变片的温度误差与补偿六、应变片

11、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tgetttKRRRRRR)(21温度变化形成的总电阻相对变化为：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：tgetttKRRRRRR)(21由温度变化形成的总电阻相对变化表达式得知：0)(tgettKtgetK)(只有只有六、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

12、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 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、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）电路补偿法电路补偿法利用

13、利用电桥相邻相等二臂同时产生电桥相邻相等二臂同时产生太小相等、符号相同的电阻太小相等、符号相同的电阻量不会破坏电桥平衡的特性量不会破坏电桥平衡的特性来达到补偿的目的。来达到补偿的目的。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。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

14、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

15、、称重式料位计七七、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卷扬筒卷扬筒定滑轮定滑轮七七、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 梁的固定

16、端宽度为梁的固定端宽度为b b0 0，自由端宽度，自由端宽度为为b b，梁长为，梁长为L L，梁厚为，梁厚为h h。这种弹性元。这种弹性元件的特点是，其截面沿粱长方向按一定件的特点是，其截面沿粱长方向按一定规律变化，当囊中力规律变化，当囊中力F F作用在自由端时，作用在自由端时，距作用力任何距离距作用力任何距离z z的截面上应力的截面上应力a a相等。相等。因此，沿着这种梁的长度方向上的截面因此，沿着这种梁的长度方向上的截面抗弯模量抗弯模量的变化与弯矩的变化与弯矩M M的变化成正的变化成正比即：比即：EhbFxx26七七、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

17、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。它采用准它采用准s s型的双孔弹性体作型的双孔弹性体作为称重传感器的测力元件，重力为称重传感器的测力元件，重力P P作用在中心线上。四片箔式电阻作用在中心线上。四片箔式电阻应变片粘贴在弹性体双孔的外侧应变片粘贴在弹性体双孔的外侧位置处。双孔弹性体可简化为在位置处。双孔弹性体可简化为在一端受到力偶一端受到力偶M M的作用，其大小与的作用，其大小与重力重力P P及双孔弹性体长度有关。及双孔弹性体长度有关。七七、应变式传感器的应用、应变式传感器的

18、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 它由端部固定并带有惯性质量块它由端部固定并带有惯性质量块m m的的悬臂梁及贴在粱悬臂梁及贴在粱根部的应变片、基座及根部的应变片、基座及外壳等组成，是一种惯性式传感器。外壳等组成，是一种惯性式传感器。测量时，根据所测振动体加速度的测量时，根据所测振动体加速度的方向，把传感器固定在被测部位。当被方向，把传感器固定在被测部位。当被测点的加速度沿图中箭头测点的加速度沿图中箭头n n所示方向时，所示方向时，悬臂粱自由端受惯性力悬臂粱自由端受惯性力F F硼的作用，质量硼的作用，质量块向箭头。相反的方向相对于基座运

19、动，块向箭头。相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻发生变使梁发生弯曲变形，应变片电阻发生变化，产生输出信号，输出信号化，产生输出信号，输出信号大小与加大小与加速度成正比。速度成正比。质量块质量块M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？利用硅的利用硅的压阻效应压阻效应和微电子技术制成的和微电子技术制成的传感器传感器 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、硅膜片第三节第三节 压阻式传感器压

20、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 在半导体材料上施加一作用力时，在半导体材料上施加一作用力时，其其电阻率电阻率将发生显著的变化，这种现象将发生显著的变化，这种现象称为压阻效称为压阻效应。应。什么叫压阻效应？什么叫压阻效应？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 通过扩散杂质使其形成四个通过扩散杂质使其形成四个P P型（力敏）电阻，与硅膜片组成一型（力敏）电阻，与硅膜片组成一体，并组成电桥。当膜片受力后，体，并组成电桥。当膜片受力后，由于半导体的压阻效应，电由于半导体的压阻效应，电阻阻值阻阻值发生变化，使电桥有相应的输出。发生变化，使电桥有相应的

21、输出。ERR EERR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 对扩散硅压力传感器，敏感元件通常都是周边固定的圆膜片。对扩散硅压力传感器，敏感元件通常都是周边固定的圆膜片。如果膜片下部受均匀分布如果膜片下部受均匀分布的压力作用时，由图的压力作用时，由图2 21616所示膜片的所示膜片的应力分布曲线可知以下结论。应力分布曲线可知以下结论。纵向应力横向应力0.635r0.812r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，

22、具有最大的正应力，具有最大的正应力(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，在膜

23、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。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gphhhH1010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、压力测量完完