传感器 第二章 电阻式传感器
合集下载
测试课程第二章 电阻式传感器及其应用
第二章电阻式传感器及其应用主讲人：唐守锋教授第二章电阻式传感器及其应用•一、电位器电阻式传感器•二、弹性敏感元件•三、电阻应变式传感器•四、固态压阻式传感器•五、热电阻传感器•六、气敏和湿敏电阻传感器一、电位器电阻式传感器• 2.1.1电位器传感器原理和结构• 1.电位器的转换原理•电位器的电压转换原理如图2 -2所示，设电阻体长度为z，触点滑动位移量为x，两端输入电压为Ui ，则滑动端输出电压Uo为•对角位移式电位器来说，U o与滑动臂的旋转角度a成正比，即图2 -2电位器的电压转换原理•将电位器的电刷通过机械传动装置与被测对象相连，便可测量机械直线位移或角位移。
• 2.基本结构•由于测量领域的不同，电位器的结构不同，但是其基本结构是相近的。
电位器通常都是由骨架、电阻元件及活动电刷组成。
•根据电位器结构不同，位移电位器分为直线位移电位器和角位移电位器两种，其基本结构分别如图2-3、图2 -4所示。
• 2.1.2电位器传感器负载特性•电位器输出端接有负载电阻时，输出电压与负载大小的关系特性称为负载特性。
接有负载电阻R L 的电位器如图2 -5所示，电位器输出电压U L 为•设电阻相对变化为r = R x /R max ，并设m=R max /R L , m 称负载系数，则上式可写成图2 -5带负载的电位器电路•而理想空载特性为•由于m≠0,即R L不是无限大，使负载特性与空载特性之间产生偏差。
图2 -6是对不同m的负载特性曲线。
• 2.1.3电位器传感器的应用实例• 1.电位器式压力传感器•电位器式压力传感器是利用弹性元件（如弹簧管、膜片或膜盒）把被测压力变换为弹性元件的位移，并使此位移变为电刷触点的移动，从而引起输出电压或电流相应变化。
图2 -6电位器的负载特性曲线族•图2 -7为YCD-150型远程压力表原理图。
它是由一个弹簧管和电位器组成的压力传感器。
电位器固定在壳体上，而电刷与弹簧管的传动机构相连接。
第2章电阻式传感器及应用
2019/11/7
15
4.焊接：检查合格 后用烙铁焊接引出 线，注意不要把端 子扯断。
2019/11/7
16
5.固定：焊接后 用胶布将引线和 被测对象固定在 一起，防止损坏 引线和应变片。
2019/11/7
17
二、应变片的工作原理
金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。
R
l A
l
r2
例如，当x为0.000001时，在工程中常表示为110-6
或m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变(με)。
对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变 最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可能超过 材料的极限强度而导致断裂。
2019/11/7
24
应变片用于测量力F的计算公式：
2019/11/7
19
电阻丝变形过程
• 以圆柱形导体为例：电阻R（根据电阻的定义式）
图2-3 金属电阻丝应变效应
电阻丝 电阻率
电阻丝 截面积
2019/11/7
R
l A
l
r2
电阻丝 长度
电阻丝 半径
20
当导体因某种原因产生应
变时，其长度L、截面积A和 电阻率ρ的变化为dL、dA、 dρ相应的电阻变化为dR。
1）单臂电桥
R1为工作应变片， R2、R3、R4为固定电阻。 假设桥臂R1的阻值变为 R1+Δ R1。 则输出电压：
UO=U14-U24 =[R2/(R1+Δ R1+R2) -R4/(R3+R4）]U
2019/11/7
32
经运算：U0=-[ΔR1R4/（R1+ΔR1+R2）（R3+R4）]U 分子分母同除以R1R3，
第2章 应变式传感器(电阻式传感器)
工艺复杂, 将逐渐被横向效应小、 其他方面性能更优越的箔式应变计所
代替。
(a)
(b)
(c)
图 2.2金属丝式应变计常见形势
第2章 应变式传感器
箔式应变计（实验中用的）的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄 的金属薄栅（厚度一般在0.003～0.01mm）。与丝式应变计相比有如下优 点:
(1) 工艺上能保证线栅的尺寸正确、 线条均匀, 大批量生产时, 阻值离 散程度小。 (2) 可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型小基长（如基长为 0.1 mm）的应变计。 (3) 敏感栅截面积为矩形, 表面积大, 散热好, 在相同截面情况下能通过 较大电流。 (4) 厚度薄, 因此具有较好的可挠性, 它的扁平状箔栅有利于形变的传 递。 (5) 蠕变小, 疲劳寿命高
式中, 应力 l T E (金属或者半导体的弹性模量) E l 其中, ε=Δl/l为轴向应变。 则有
第2章 应变式传感器
k0
R / R
1 2 E
对金属来说, πE很小, 可忽略不计, μ=0.25～0.5, 故k
因此, 将同样长的金属线材做成敏感栅后, 对同样应 变, 应变计敏感栅的电阻变化较小, 灵敏度有所降低。 这 种现象称为应变计的横向效应。
第2章 应变式传感器
下面计算横向效应引起的误差。
图为 应变片敏感栅半圆弧部分的形状。沿轴向应 变为εX ，沿横向应变为εY 。
X
θ
dl
dθ
丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分
第2章 应变式传感器
k0为单根导电丝的灵敏系数, 表示当发生应变时, 其电阻变 化率与其应变的比值。 k0的大小由两个因素引起, 一项是由 于导电丝的几何尺寸的改变所引起, 由（1+2μ）项表示, 另 一项是导电丝受力后, 材料的电阻率ρ发生变化而引起, 由
第2章电阻式传感器01
2. 工作温度范围宽：常温器件适用于55℃～315℃，但大部分器件工作于25℃～125℃。
3. 体积小，使用方便：能够测量其他温度计 无法测量的空间。
4. 易加工成复杂的形状，可大批量生产，易 于集成。
热敏电阻传感器 —应用
1. NTC可以应用于仪表、家用电气设备， 以及中低温干燥箱、恒温箱等场合的温 度测量与控制。
这种传感器主要有两种形式： Pt100和Pt10。 Pt100和Pt10的电阻值在 0℃时分别为100Ω和10Ω， 它们的测温范围均为 -200℃～850℃。
Pt10是用较粗的金属铂丝制成的，耐温性能优于 Pt100 ，主要用于 650℃以上的测温。由于金属铂是 贵金属， Pt10的成本较 Pt100 高，所以在测量低于 650℃以下的温度时，以 Pt100为主，另外 Pt100的 分辨率比 Pt10的分辨率大 10倍。
热电阻式传感器 ?铂热电阻 ?铜热电阻 ?常用连接方式
热敏电阻传感器 ?热敏电阻的分类及特性 ?热敏电阻的应用
应变式传感器 ?应变式传感器工作原理 ?电阻应变片的结构 ?应变片的误差及补偿
铂热电阻传感器
以金属铂作感温元件，再与内引线和保护管一起， 就组成了铂热电阻温度传感器。它通常还与外部测 量电路、控制装置及机械装置连接在一起构成温度 传感器。
1：价格也低。 2：体积大，响应慢，稳定性差，在测量精 度要求不是很高，测量的温度较低时经常用。
铜热电阻在-50℃～150℃的使用范围内， 其电阻值与温度的关系可表示为：
R?t ?? R0 ??1? At ? Bt2 ? Ct3 ??
热电阻式传感器
——常用连接方式（两线制）
热电阻式传感器
——常用连接方式（三线制）
第二章 电阻式传感器
第2章 电阻应变式传感器
2
F
3.2.2 位移传感器
R4 R3 U0 R1 E R2 R1 R2 F
图2.11 应变片式线位移传感器
U
3.2.4 压力传感器
0
= k U ε = kU
3l 4 Eb h
2
F
3.2.3 加速度传感器
作业: 作业:
1. 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 2. 电阻应变式传感器的工作原理? 电阻应变式传感器的工作原理? 3. 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 以及不对称电桥的输出电压变化. 以及不对称电桥的输出电压变化.
3.2 应用
3.2.1 应变式测力与荷重传感器
kU F U 0 = 2 (1 + ) AE
图2.8 受力圆柱上应变片的粘贴
图2.9 受力薄臂环上应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
1 .092 R bδ E
2
F
图2.10 受力等强度梁应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
6l E b0 h
1
Z3 = Z 2Z 4
z1 z3 = z 2 z 4
φ1 + φ3 = φ2 + φ4
或
(R1 + jX1)(R3 + jX3 ) = (R2 + jX2 )(R4 + jX4 )
2.2 电桥的调平衡
在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节. 在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节.对于直流 电桥可采用串联或并联电位器法, 电桥可采用串联或并联电位器法,对于交流电桥一般采用阻 容调平衡法. 容调平衡法.
F
3.2.2 位移传感器
R4 R3 U0 R1 E R2 R1 R2 F
图2.11 应变片式线位移传感器
U
3.2.4 压力传感器
0
= k U ε = kU
3l 4 Eb h
2
F
3.2.3 加速度传感器
作业: 作业:
1. 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 2. 电阻应变式传感器的工作原理? 电阻应变式传感器的工作原理? 3. 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 以及不对称电桥的输出电压变化. 以及不对称电桥的输出电压变化.
3.2 应用
3.2.1 应变式测力与荷重传感器
kU F U 0 = 2 (1 + ) AE
图2.8 受力圆柱上应变片的粘贴
图2.9 受力薄臂环上应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
1 .092 R bδ E
2
F
图2.10 受力等强度梁应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
6l E b0 h
1
Z3 = Z 2Z 4
z1 z3 = z 2 z 4
φ1 + φ3 = φ2 + φ4
或
(R1 + jX1)(R3 + jX3 ) = (R2 + jX2 )(R4 + jX4 )
2.2 电桥的调平衡
在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节. 在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节.对于直流 电桥可采用串联或并联电位器法, 电桥可采用串联或并联电位器法,对于交流电桥一般采用阻 容调平衡法. 容调平衡法.
传感器 第二章 电阻式传感器
山东理工大学机械学院
结论： 1、将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应 变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称横向效应。 2、当实际使用应变片时，使用条件与标定灵敏系数k时的 标定规则不同时，实际k值要改变，由此可能产生较大测 量误差。 3、为了减少横向效应产生的测量误差，一般多采用箔式 应变片，其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，电阻值较小， 因而电阻变化量也就小得多。
山东理工大学机械学院
机械滞后产生的原因： 敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变后所留下的残余 变形所造成的。 减小措施： 选用合适的粘合剂；在新安装应变片后，做三次以上的 加卸载循环后再正式测量。
第二章 电阻式传感器 4、零漂和蠕变 零漂：
山东理工大学机械学院
粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其 电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。
第二章 电阻式传感器 ★粘结剂和粘贴技术 1、粘合剂 合理选择粘合剂：
山东理工大学机械学院
粘合剂必须适合应变片材料和被测试件材料及环境，例如工作温度、 湿度、化学腐蚀等。
对粘合剂要求：
（1）有一定的粘结强度； （2）能准确传递应变，有足够的剪切弹性模量； （3）蠕变、机械滞后小； （4）有足够的稳定性能； （5）耐湿、耐油、耐老化、耐疲劳等。
山东理工大学机械学院
制作工艺：采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘 基片上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，
最后再加上保护层，易实现工业化批量生产。
特点：电阻值高于箔式，形状和尺寸更精确；散热性好，
适于较宽温度范围，应达－197～317℃；电阻值精度高，
达0.01%；无胶结，避免了分选和粘贴。
公式：
第二章 电阻式传感器
2、电阻式传感器原理与应用
dA 2 dr Ar
x
dL L
y
dr r
r为金属丝半径
εx为金属丝轴向应变
εy为金属丝横向应变
➢ 轴向应变εx的数值一般很小， 常以微应变度量；
➢ μ为电阻丝材料的泊松比，一 般金属μ=0.3-0.5；
对金属材料，电阻率几乎不变：
λ为压阻系数，与材质有关；σ为应力值；E为材料的弹性模量；
由于空腔内传压介质的高度比被测溶 液的高度高，因而腰形筒微压传感器处 于负压状态。
为了提高测量的灵敏度，安装了两只 性能完全相同的微压传感器。
液位传感器： 当容器中液体多时，感压膜感受的压力大，将两只微压
传感器的电桥接成正向串联的形式，则输出电压为：
U0 U1 U2 (A1 A2 ) g h
料常用康铜和镍铬合金等。 目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。
半导体应变片：分为体型和扩散型两种。
由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料，因此 它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类 型有关，还与晶向有关(即对晶体的不同方向上 施加力时，其电阻的变化方式不同)。
半导体应变片的特性（与金属应变片相比较)：
✓灵敏系数S：表示应变片变换性能的重要参数。
✓绝缘电阻：应变片与试件间的阻值，越大越好。 一般大于1010Ω。
✓其它性能参数（允许电流、工作温度、应变极限、 滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度 等）。
3.2 测量电路及温度补偿 电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路
将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被测 量的测量。
定义：电阻丝的灵敏度系数S0——表示单位应 变所引起的电阻相对变化。
电阻应变片灵敏度系数S称为“标称灵敏度系 数”，由实验测定。
第2章---电阻式传感器
eebbay
Uxmax / Uxm a x
n
100 %
1 n
100
%
图2-5 理想阶梯特性曲线
电阻式传感器
理论直线：
过中点并穿过阶梯线的直线。 阶梯曲线围绕其上下跳动，从 而带来一定的误差，这就是阶 梯误差。
j
(1 Umax) 2n Umax
1 2n
100%
图2-5 理想阶梯特性曲线
二、非线性电位器
电阻式传感器
2.2 电阻应变式传感器--应变片
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，其电阻值随着所 受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化。
电阻式传感器 一、 电阻应变片的工作原理
提出问题
金属丝受拉或受压时，l、r 和 R 将如
何变化？
电阻式传感器
一.线性电位器的空载特性
当被测量发生变化时，通过电刷触点在 电阻元件上产生移动，该触点与电阻元 件间的电阻值就会发生变化，即可实现 位移(被测量)与电阻之间的线性转换。
电阻式传感器
Ux
Байду номын сангаас
Rx Rmax
U max
x xmax
U max
Rx
Rmax xmax
x kRx
Ux
U max xmax
x
ku x
电阻式传感器 二、 电阻应变片的主要特性
例 如果将100 的电阻应变片贴在弹性
试件上，试件受力横截面积S＝0.5×10－4 m2， 弹性模量E＝2×1011 N/m2，若有F＝5×104 N的
拉力引起应变片电阻变化为1 。试求该应变 片的灵敏系数。
电阻式传感器
二、 电阻应变片的主要特性
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第二章 电阻式传感器
山东理工大学机械学院
二、应变片的类型和材料 ★三种类型：金属丝式，金属箔式和金属薄膜式。
1、金属丝式应变片
应变片短接式
第二章 电阻式传感器 回线式：
山东理工大学机械学院
– 敏感栅丝直径在0.012～0.05mm，以0.025mm左右为最常用；
– 回线的曲率半径r为0.1～0.3mm；
山东理工大学机械学院
3、应变片的优点：
测量应变的灵敏度和精确度高，性能稳定、可靠，可测 1～2με，误差小于1％。 应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、响应速 度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布影响较小。 既可用于静态测量，又可用于动态测量。 测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。 变形范围可从1％～2％至20％。 适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以 及核辐射等恶劣环境下使用。 便于多点测量、远距离测量和遥测。
本章主要研究的内容：应变式传感器和压阻式传感器。
第二章 电阻式传感器
山东理工大学机械学院
第一节 应变式传感器
定义：应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将被测物 变形转换成电阻变化的传感器。 本节内容： 一． 工作原理 二． 应变片的类型和材料 三． 金属应变片的主要特性 四． 转换电路 五． 温度误差及其补偿 六． 应变式传感器举例
值ε。
应变ε(ε=σ/E) → ΔR
扩展应用： 通过弹性敏感元件的作用，可以将应变片测应变的应用 扩展到能引起弹性元件产生应变的各种非电量的测量， 如位移、力、力矩、压力等物理量，从而构成各种电阻 应变式传感器。
第二章 电阻式传感器
山东理工大学机械学院
第二章 电阻式传感器
山东理工大学机械学院
第二章 电阻式传感器
第二章 电阻式传感器
山东理工大学机械学院
用横向、径向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：
R l 1 2 R l
令：
（2－3）
k0
R / R
1 2
/
受力后材料几何尺寸变化（1+2μ）；材料电阻率的变化（Δρ/ρ）/ε。 对于金属材料而言，以前者为主，则k0≈1+2μ，对半导体，k0值主要是由 电阻率相对变化所决定。 通常金属丝的灵敏系数k0=2左右。
– 基片用厚度为0.03mm左右的薄纸（称纸基），或用粘结剂和有机 树脂基膜制成（称胶基），粘贴性能好，能保证有效地传递变形。
– 引线多用0.15～0.30mm直径的镀锡铜线与敏感栅相接。
回线式主要特点：因制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴， 所以最为常用。但因弯曲部的变形使其横向效应较大。
第二章 电阻式传感器
制作工艺：箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为 0.003～0.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方 法，制成适用于各种需要的形状。
第二章 电阻式传感器
山东理工大学机械学院
第二章 电阻式传感器
山东理工大学机械学院
第二章 电阻式传感器 箔式应变片的优点：
1.
山东理工大学机械学院
2.
3. 4.
第二章 电阻式传感器
山东理工大学机械学院
★应变片的基本结构及测量原理
1、丝绕式应变片结构： 合金电阻丝（φ0.025mm左右）绕成敏感栅； 敏感栅粘贴在绝缘的基底1 ； 电阻丝的两端焊接引出线4； 敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层3。 参数：l—基长，b—基宽，l×b—使用面积 规格：以使用面积和电阻值表示，例如3×10mm2，120Ω。
第二章 电阻式传感器
2
山东理工大学机械学院
1
图2-21 电阻应变片的基本结构 1-敏感Байду номын сангаас;2-基底;3-覆盖层;4-引线
第二章 电阻式传感器
山东理工大学机械学院
2、应变片的测量原理：
直接用应变片测量受力应变时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在
外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随 同变形，其电阻值发生相应变化ΔR 。 应用转换电路和仪器测出ΔR，根据式（2-3），可得弹性试件的应变
第二章 电阻式传感器
山东理工大学机械学院
第二章 电阻式传感器
第二章 电阻式传感器
山东理工大学机械学院
第二章 电阻式传感器
山东理工大学机械学院
基本原理：将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经转 换电路变成电量输出。 电阻材料：导体、半导体、电解质溶液等。 物理学原理：导体、半导体的长度或内应力变化、温度变 化导致电阻变化。 被测参数：力、压力、应变、加速度等。 主要优点：结构简单，性能稳定，灵敏度较高，有的可用 于动态测量。
可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，栅长l最小可做到 0.2mm，以适应不同的测量要求。 与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流 大，提高了输出灵敏度。 横向效应可以忽略。 蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。
箔式应变片的缺点：
电阻值的分散性大，有的能相差几十欧坶，故需要作阻值调整。
第二章 电阻式传感器 3、金属薄膜应变片
山东理工大学机械学院
短接式：
–两端用直径比栅丝直径粗5～10倍的镀银丝短接而成， 有效克服了横向效应。
–由于焊点多，易在焊点处出现疲劳损坏，制造工艺要
求高，使用较少。
金属丝常用的材料有康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁镍
铬合金以及贵金属（铂、铂钨合金）等。
第二章 电阻式传感器 2、金属箔式应变片
山东理工大学机械学院
第二章 电阻式传感器
山东理工大学机械学院
一、工作原理 ★金属的电阻应变效应
定义：当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将 发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。 一根长l ，截面积为S ，电阻率为ρ的金属丝电阻为: （2－1）
第二章 电阻式传感器
山东理工大学机械学院
如图2-1所示
第二章 电阻式传感器
山东理工大学机械学院
当电阻丝受到轴向拉力F作用时，电阻值ΔR的变化引起电阻 的相对变化为:
R l S R l S
（2－2）
Δl/l=ε，为金属导体电阻丝的轴向应变，常用单位 με（με=1×10-6 mm/mm）
假设Δr/r为径向应变，且由材料力学知，
Δr/r= μΔl/l，式中为金属材料的泊松比。