第2-1章电位器式电阻传感器
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
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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。
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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。
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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。
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应变片用于测量力F的计算公式：
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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
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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
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经运算：U0=-[ΔR1R4/（R1+ΔR1+R2）（R3+R4）]U 分子分母同除以R1R3，
第二章 应变式传感器
电位器式电阻传感器
核心器件：线绕电位器、电阻应变片等。 主要应用：力学参数的测量(位移、压力、荷
重、加速度等)。
电位器式电阻传感器
一、线绕式电位器传感器 1.线绕式电位器的结构和工作原理
⑴ 空载特性
U0
Ui
Rx R
Ui
x L
条件： RL
U0
SV x
，
SV
Ui L
等截面线绕式电位器
4只应变片
一端固定，一端自由，厚度为h, 长度L0 ，自由端力F 的作用点到应 变片的距离为L ，该点的协强：
6FL bh2
应 变 ：
E
6FL Ebh2
R1 R4
R2
R3
L
L0
F
h
b
6FL A bh : 截 面 积
EhA
此位置上下两侧分别粘有4只应变片，R1、R4同侧；R3 、R2同侧，
这两侧的应变方向刚好相反，且大小相等，可构成全差动电桥。
F h
L0
二、应变式加速度传感器 ⒈ 基本原理：F = ma 。
扩散应变电桥
壳体
硅梁
对于梁式传感器当集中质量块的质量
为m 时： F m a EhA R
h
6KS L R
b
L
集中质量块
a EhA R
6KS Lm R
实际应用中a 不是恒量(也不能是恒量),所以
x2
需要分析其动态响应 (二阶传感器)。设传感器的
1
E
n
R1
R1 1 n
1
n
R1 R1
1
n
R1
金属应变片ΔR 较小，在要求不高时非线性误差可以忽略，半导体则必须补偿。
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。
电位器式传感器
x后，A点到电刷间的阻值为：
x Rx xmax Rmax
(2-1)
若把它当作分压器使用，假定加在电位器A、B之间的电压为
Umax，则空载输出电压为：
x U x xmax U max
(2-2)
图2.2所示为电位器式角度传感器。其中 1为电阻丝；2为滑臂；3为骨架。作变阻 器使用时，电阻Rα与角度α的关系为：
2(b h)
At
KU
U max xmax
I
2(b h)
At
(2.5) (2.6)
式中，KR、KU分别为电阻灵敏度、电压灵敏度；ρ为导线 电阻率；A为导线横截面积；n为线绕电位器绕线总匝数。
由此看出：线性线绕电位器的电阻灵敏度和电压灵敏 度除与电阻率ρ有关外，还与骨架尺寸h和b、导线横截面 积A（导线直径d）、绕线节距t等结构参数有关；电压灵 敏度还与通过电位器的电流I的大小有关。
总阻值的变化就使得在每个电压阶跃中还产生一小阶跃。
这个小电压阶跃亦即次要分辨脉冲为
11
Un
Umax
(
n
1
) n
j
(2-8)
式中：U max
n
j 为电刷短接第
1
j
和
j+1
匝时的输出电压；
U max
j n
为电刷仅接触第 j 匝时的输出电压。
因此，在大的阶跃中还有小的阶跃。这种小的阶跃应
有(n-2)次，这是因为在绕线始端和终端的两次短路中，将
传感器技术及应用
电位器式传感器
电位器作为传感器，可将机械位移或其他能转换为位 移的非电量转换为与其有一定函数关系的电阻值的变化。 常用来测量位移、压力、加速度等物理量。由于结构简单、 尺寸小、重量轻、价格便宜、精度较高、性能稳定、输出 信号大、受环境（如温度、湿度、电磁场干扰等）影响较 小，且可实现线性的或任意函数的变换，因而在自动检测 和自动控制中有着广泛的用途。
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
第2章 电阻式传感器习题
{6、电子秤中所使用的应变片应选择应变片；为提高集成度，测量气体压力应选择；一次性、几百个应力试验测点应选择应变片。
A. 金属丝式B. 金属箔式C. 电阻应变仪D. 固态压阻式传感器7、应变测量中，希望灵敏度高、线性好、有温度自补偿功能，选择的测量转换电路。
AA 单臂半桥 B 双臂半桥C全桥四臂全桥8、测量温度不可用传感器。
A. 热电阻B. 热电偶C. 电阻应变片D.热敏电阻A 提高测量灵敏度B 减小非线性误差C 提高电磁兼容性D 减小引线电阻影响、9、MQN型气敏电阻使用时一般随氧气浓度增加，电阻。
灵敏度。
A.减小B. 增大C. 不变10、TiO2型气敏电阻使用时一般随气体浓度增加，电阻。
A.减小B. 增大C. 不变11、湿敏电阻使用时一般随周围环境湿度增加，电阻。
A.减小B. 增大C. 不变12、MQN型气敏电阻可测量的浓度，TiO2型气敏电阻的浓度。
A. CO2B. N2C. 气体打火机间的有害气体D 锅炉烟道中剩余的氧气。
…13、湿敏电阻利用交流电作为激励源是为了。
A 提高灵敏度B 防止产生极化、电解作用C 减小交流电桥平衡难度14、使用测谎器时，被测人员由于说谎、紧张而手心出汗，可用传感器来测量A应变片B热敏电阻 C 气敏电阻D湿敏电阻15、某NTC的特性如图曲线1所示。
将它与电视机的显像管的灯丝串连，求：（1）指出各曲线代表的电阻。
（2）在室温（25℃）时的阻值为_____Ω，在150℃时的阻值为_____Ω。
（3）电视机上电的瞬间，流过显像管灯丝的电流接近于_____。
当该PTC的温度上升到150℃（PTC与一个专用加热电阻封装在一个壳体内），显像管的【灯丝电流显著_____（增大/减小）。
采用该电路，可以达到使显像管_____（快/慢）启动的目的。
三、问答题1、解释应变效应、压阻效应。
2、电阻应变传感器在单臂电桥测量转换电路在测量时由于温度变化产生误差的过程。
电阻应变式传感器进行温度补偿的方法是什么四、分析与计算题1、有一等截面圆环受力如图所示，为测压力在环内表面贴有四个同类型的应变片，请在图上随意画出环上四应变片的位置编号，并说明各自产生的应变类型及对应变片阻值的影响2、采用阻值R=120 灵敏度系数K=的电阻金属应变片与阻值R=120 的固定电阻组成电桥，供桥电压为10V。
第二章 电阻式传感器
4 1
3
4
5
2
3
图1薄膜型半导体应变片 1–锗膜 2--绝缘层
3–金属箔基底 4--引线
2
1
图2扩散型半导体应变片 1--N型硅 2--P型硅扩散层 3--二氧化硅绝缘层 4–铝电极 5--引线
型号的编排规则
电阻应变计型号的编排规则如下：类别、基底材料种类、标准电阻---敏感栅 长度、敏感栅结构形式、极限工作温度、自补偿代号（温度和蠕变补偿）及接 线方式。如B F 350 -- 3 AA 80 （23） N6 – X的含义是：
而引起的（称“压阻效应”）。 εx
对金属材料，以前者为主，则KS≈ 1+2μ；对半 导体， KS值主要由电阻率相对变化所决定。实验 表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与
轴向应变成正比。其它金属或合金，KS在1.8～4.8
范围内。
dR R
KS
x
(2) 半导体应变片的工作原理
的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片，其 结构如图所示。
2）薄膜型半导体应变片 这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有
绝缘层的试件上而制成，其结构示意图见图1。 3）扩散型半导体应变片 将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型
导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型 半导体应变片。图2为扩散型半导体应变片示意图。这是一种 应用很广的半导体应变片。
半导体应变片是利用半导体
材料的压阻效应而制成的一种纯
1
电阻性元件。
2 3
对一块半导体材料的某一轴 12 3
向施加一定的载荷而产生应力时，
它的电阻率会发生变化，这种物 理现象称为半导体的压阻效应。
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第2-1章电位器式电阻传感器
2.1 电位器式传感器—分类
•光电电位器 主要由电阻体、光电导层和导电电极等组成。 是一种非接触式电位器，用光束代替电刷。 具有耐磨性好，精度、分辨率高，寿命长（可达亿万次循
Umax
eba
n Umax
1 100% n
2.5 理想阶梯曲线
第2-1章电位器式电阻传感器
18
2.1 电位器式传感器
行程分辨率:在电刷行程内, 能使电位器产生一个可测 出变化的电刷最小行程与 整个行程之比的百分数
xmax
eby
n xmax
1 100% n
第2-1章电位器式电阻传感器
19
2.1
❖ 大的阶跃为主要分辨脉冲 ❖ 小的阶跃为次要分辨脉冲
第2-1章电位器式电阻传感器
14
2.1 电位器式传感器
❖ 视在脉冲为二者之和：
UUmUn
Un
11 Umax(n1n)j
❖ 例：一个电位器，总电压为10V，匝数为10，电刷 从第5匝到第6匝过程中，j 计算电压j+1的变化情况。
第2-1章电位器式电阻传感器
AA
第2-1章电位器式电阻传感器
11
2.1 电位器式传感器
❖ 电阻灵k R敏度XR：mmaaxx
nR2(bh)
nt
At
❖ 电压灵敏度k ：uU Xm ma a x xIX R m maax xI2(bA h)t
结论：线性线绕电位器的电阻灵敏度和电压灵敏度除与电阻 率ρ有关外,还与骨架尺寸h和b、导线横截面积A(导线直径 d）、绕线节距t等结构参数有关;电压灵敏度还与通过电位 器的电流I的大小有关第。2-1章电位器式电阻传感器
环）、可靠性好等优点。
当无光照射时，因光电导材料暗 电阻极大，电阻带与电极之间可 视为断路，当窄光束4（电刷）照 射在窄间隙上时，电阻带与电极 接通，这样在外电源E的作用下， 负载电阻上输出的电压随着光束 （电刷）移动而变化。
1-光电导层；2-基体；3-薄膜电阻 带；4-电刷窄光束；5-光第电2级-1章电位器式电阻传感器
12
2.1 电位器式传感器
二、阶梯特性、阶梯误差、分辨率
❖ 电刷在与一匝导线接触过程中，虽有小位移，但阻 值无变化。
❖ 当电刷离开这一匝，接触下一匝时，电阻突然增加， 特性曲线出现阶跃。
❖ 其阶跃值即视在分辨脉冲为
U Umax n
第2-1章电位器式电阻传感器
13
2.1 电位器式传感器
❖ 在移动过程中，会使得临近的两匝短路，电位器总匝数从n 减小到(n-1)，总阻值的变化使得在视在分辨率之中还产生了 次要分辨脉冲，即大的阶跃之中还有小的阶跃。
电位器式传感器
从图中可见，在理想 情况下，特性曲线每 个阶梯的大小完全相 同,，则通过每个阶梯 中点的直线即是理论 直线，阶梯曲线围绕 它上下跳动，从而带 来一定误差,这就是阶
梯误差。
第2-1章电位器式电阻传感器
20
2.1
电位器式传感器 电位器的阶梯误差 γj 通常以理想阶梯 特性曲线对理论特性
直线的最大偏差值与
最大输出电压值的百
分数表示，即
(1 Umax)
j
2n Umax
1 100% 2n
第2-1章电位器式电阻传感器
21
2.1 电位器式传感器
❖ 阶梯误差和分辨率的大小都是由线绕电位器本身工 作原理所决定的，是一种原理性误差，它决定了电 位器可能达到的最高精度。在实际设计中的改善方 法：
2➢.按1结构电形式位不同器：式传感器—分类
电位 电器 位式 器传 式传 感感器器
线绕 线式 绕电 式阻传感器 非线非 绕线 式绕式电阻传感器
薄膜电位器 导电塑料电位器 光电电位器
➢按特性不同： ❖线性电位器式传感器 ❖ 非线性电位器式传感器
第2-1章电位器式电阻传感器
7
2.1 电位器式传感器
2.1.1 线性电位器 特征：骨架截面处处相等，由材料和截面 均匀的电阻丝按等节距绕制。 电位器输出端接负载，其输出特性称为负 载特性，不接负载或负载无穷大，输出特性 称空载特性。
第2-1章电位器式电阻传感器
一、空载特性2.1 电位器式传感器
线性电位器的理想空载特性曲线应具有严格的线性关系。
A、C全长为xmax，总电阻为Rmax； A、B长为x
A、B间电阻Rx为：
如果R在x A、xCm x之ax间•加R上m电ax压Umax,
A、B间电压Ux为：
Ux
x xmax
•Umax
当电阻丝直径与材质一定时，则电阻R随导线长度l而变化。 第2-1章电位器式电阻传感器
薄膜电位器 导电塑料电位器 光电电位器
第2-1章电位器式电阻传感器
3
2.1 电位器式传感器—分类
• 薄膜电位器 薄膜电位器通常有两种：一种是碳膜电位器，另一种是金
属膜电位器。 碳膜电位器是在绝缘骨架表面喷涂一层均匀的电阻液，
经烘干聚合制成电阻。电阻液由石墨、碳膜、树脂材料配合 而成。
金属膜电位器是在绝缘基体上用高温蒸镀或电镀方法，涂 上一层金属膜而制成。金属膜为合金锗铑、铂铜、铂铑锰等。 •导电塑料电位器
9
下图所示为2电.1位器电式角位度器传感式器传。 感器
R max•Rmax
如果在电位器A、B两端加上
电位器式角度传感器
电压Umax , 则输出电压为：
U
•Umax
第2-1章电位器式电阻传感器
max
10
2.1 电位器式传感器
❖ 对某一匝节距为Rt线l圈来2说(b，电h)阻变化骨量架为宽：和高
第2章 电阻式传感器
2.1 电位器式电阻传感器
第2-1章电位器式电阻传感器
1
2.1 电位器式传感器—工作原理
常见的有（电线视位位机移移信或、号角复位读移机）、收电音位机器音量调节器电信。号
转换元件
位移
第2-1章电位器式电阻传感器
2
2➢.按1结构电形式位不同器：式传感器—分类
电位 电器 位式 器传 式传 感感器器 线绕 线式 绕电 式阻传感器 非线非 绕线 式绕式电阻传感器
15
j 2.1 j+1电位
16
工程上2常.把1实际电阶梯位曲器线简式化成传理想感阶器梯曲线,如图2-5
所示。
2.5 第2-1章电位器式电阻传感器 理想阶梯曲线
17
2.1 电位器式传感器
电压分辨率:在电刷行程内, 电位器输出电压阶梯的最大 值与最大输出电压Umax之比 的百分数