第三章电阻式传感器
第三章电阻式传感器
工学院电子系
传感器与检测技术
灵敏度系数K受两个因素影响
一是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2μ
二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即
（∆ρ/ρ）/ε。 对金属材料：1+2μ＞＞(∆ ρ/ρ)/ε 对半导体材料：(∆ ρ/ρ)/ε＞＞1+2μ
大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对
变的关系，得到应力值σ为 ：
R K R
σ=E·ε
第三章电阻式传感器
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传感器与检测技术
3.2 应变片的温度误差及补偿
3.2.1 应变片的温度误差
由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差， 称为应变片的温度误差。
产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。
1) 电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：
传感器与检测技术
第3章 电阻式传感器
3.1 工作原理
3.2 电阻应变片的温度误差及补偿
3.3 电阻应变片的测量电路
3.4 电阻式传感器的应用
第三章电阻式传感器
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3.1 工作原理
应变
物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象
弹性应变
当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的 应变
弹性元件
具有弹性应变特性的物体
第三章电阻式传感器
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应变式传感器
是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器
工作原理：
当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等 的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相 连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量 输出。输出的电量大小反映被测量的大小。
变化与应变成正比，即K为常数。
第三章电阻式传感器
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3.1.2 电阻应变片种类
常用的电阻应变片有两种： 金属电阻应变片 半导体应变片
第三章电阻式传感器
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金属电阻应变片
电阻丝
衬底
蚀刻箔片 衬底
(a)丝式
1 2
引出导线
(b)箔式
K12
第三章电阻式传感器
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半导体应变片
12
K
半导体敏感条
衬底 引线
第三章电阻式传感器
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分析：当半导体应变片受轴向力作用时 半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有
关： E
式中： π——半导体材料的压阻系数;
σ——半导体材料的所受应变力;
E——半导体材料的弹性模量;
第三章电阻式传感器
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Rt=R0(1+α0Δt) 第三章电阻式传感器
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式中: Rt——温度为t时的电阻值； R0——温度为t0时的电阻值； α0——温度为t0时金属丝的电阻温度系数； Δt——温度变化值，Δt=t-t0。
当温度变化Δt时，电阻丝电阻的变化值为：
ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt
第三章电阻式传感器
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由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为
Rt R R
R0
R0
0t K0(g s)t
[ 0 K 0 ( g s )]t
结论：因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化
量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数 （K0, α0, βs）以及被测试件线膨胀系数βg有关。
为：
ls=l0(1+βsΔt)
lg=l0(1+β第gΔ三章t)电阻式传感器
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当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加 变形Δl、附加应变εβ和附加电阻变化ΔRβ分别 为：
l lg ls (g s)l0t
l l0
(g
s )t
R K0R0 K0R0(g s)t
第三章电阻式传感器
第三章电阻式传感器
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一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：
R l
A
第三章电阻式传感器
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当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长Δl，横截面 积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影 响而改变了Δρ，从而引起电阻值变化量为 ：
dR＝ Ld＋ dLLdA
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2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响
当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时：环境温度变 化不会产生附加变形。
当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时：环境温度变 化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。
设电阻丝和试件在温度为0℃时的长度均为l0, 它们的线
膨胀系数分别为βs和βg，若两者不粘贴，则它们的长度分别
结构：应变Hale Waihona Puke 传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成
应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量
第三章电阻式传感器
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3.1.1 应变效应
•电阻应变片的工作原理是基于应变效应 •即导体或半导体材料在外界力的作用下产 生机械变形时，其电阻值相应发生变化， 这种现象称为“应变效应”。
沿径向缩短， 轴向应变和径向应变的关系可表示为 ：
drdL
r
L
μ为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。
第三章电阻式传感器
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推得：
dR
d
R (12)
定义：电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变
所引起的电阻相对变化量。其表达式为
dR
d
K R 12
KR R
12
A A A2
电阻相对变化量：
dRddLdA R LA
式中：dL/L——长度相对变化量，用应变ε表示为
dL L
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dA/A——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为 电阻丝的半径，微分后可得dA=2πr dr，则 ：
dA 2 dr Ar 材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，
ε——半导体材料的应变。 第三章电阻式传感器
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因此：
R(12E)
R
实验证明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略， 因而半导体应变片的灵敏系数为：
R
K R E
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测量原理：在外力作用下，被测对象产生微
小机械变形，应变片随着发生相同的变化， 同时应变 片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量 为ΔR时，便可得到被测对象的应变值， 根据应力与应
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15第3章_电气式传感(1)
Rx kl x s xp Rp R
x
B
C
A
x
xp
灵敏度
dR dx
kl
e0 ey
e0
x
ey
x
x pey e0
1.1 变阻器式传感器
x x pey e0 kley
e0
ey
0
x
Hale Waihona Puke xp1.1 变阻器式传感器
后接分压电路
R p Rx
e0
Rx
ey
RL
V
ey
A
dl
l
A
2
dA
l A
d
代入 R l / A
dR R
dl l
dA A
d
1.2 电阻应变式传感器
金属丝 A r 2 金属丝体积不变
dR dl l
dr r dl l
2 d
2 dr r
d
有
R
器(differential transformer)）
2.1 自感型(self-inductance)(可变磁阻式)
原理:电磁感应
线圈
由电磁学原理可知： L W m i 其 中 ： L 电 感 ； W 线 圈 匝 数 ； i 电 流 ；
m 电 流 i产 生 的 磁 通
基于金属导体的应变效应(strain effect)，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 发生变化象。
1.2 电阻应变式传感器
x
B
C
A
x
xp
灵敏度
dR dx
kl
e0 ey
e0
x
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x
x pey e0
1.1 变阻器式传感器
x x pey e0 kley
e0
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0
x
Hale Waihona Puke xp1.1 变阻器式传感器
后接分压电路
R p Rx
e0
Rx
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RL
V
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A
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l
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2
dA
l A
d
代入 R l / A
dR R
dl l
dA A
d
1.2 电阻应变式传感器
金属丝 A r 2 金属丝体积不变
dR dl l
dr r dl l
2 d
2 dr r
d
有
R
器(differential transformer)）
2.1 自感型(self-inductance)(可变磁阻式)
原理:电磁感应
线圈
由电磁学原理可知： L W m i 其 中 ： L 电 感 ； W 线 圈 匝 数 ； i 电 流 ；
m 电 流 i产 生 的 磁 通
基于金属导体的应变效应(strain effect)，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 发生变化象。
1.2 电阻应变式传感器
机械工程测试基础 第三章 传感器
R 1 2 E x R
3.3.1 电阻式传感器 R / R Sg E
x
●优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵 敏系数大，输出大，可不需放大器连接，使得测量系 统简化。 ●缺点：电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；测 量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变， 且分散度大 。 分析表明，金属丝应变片与半导体应变片工作原 理的主要区别在于：前者利用导体形变引起电阻变化， 后者利用半导体电阻率变化引起电阻变化。
3.1 概述 2)按工作的物理基础分类: 见表3-1：机械式,电气式,光学式,流体式等.
3.1 概述 3)按信号变换特征: 能量转换型和能量控制型. 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.
dR d (1 2 ) x R
或
dR / R
x
1 2
d /
x
灵敏系数： 令
Sg dR / R
x
1 2 E , (d / E x )
Sg称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单 位变形时，电阻相对变化量的大小。 显然，sg 越大，单位变形引起的电阻相对变化 量越大。
机械工程测试技术基础
第三章
常用传感器与敏感元件
本章学习要求：
1.掌握传感器的分类方法 2.掌握常用传感器测量原理、 特点及其应用 3.掌握传感器选用原则
第三章 常用传感器与敏感元件
3.1 概述
1. 传感器定义 传感器是直接感受规定的被测量，并能按一定 规律将被测量转换成同种或别种量值输出的装置。 物理量 电量
Rp
xp
3.3.1 电阻式传感器 R / R Sg E
x
●优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵 敏系数大，输出大，可不需放大器连接，使得测量系 统简化。 ●缺点：电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；测 量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变， 且分散度大 。 分析表明，金属丝应变片与半导体应变片工作原 理的主要区别在于：前者利用导体形变引起电阻变化， 后者利用半导体电阻率变化引起电阻变化。
3.1 概述 2)按工作的物理基础分类: 见表3-1：机械式,电气式,光学式,流体式等.
3.1 概述 3)按信号变换特征: 能量转换型和能量控制型. 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.
dR d (1 2 ) x R
或
dR / R
x
1 2
d /
x
灵敏系数： 令
Sg dR / R
x
1 2 E , (d / E x )
Sg称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单 位变形时，电阻相对变化量的大小。 显然，sg 越大，单位变形引起的电阻相对变化 量越大。
机械工程测试技术基础
第三章
常用传感器与敏感元件
本章学习要求：
1.掌握传感器的分类方法 2.掌握常用传感器测量原理、 特点及其应用 3.掌握传感器选用原则
第三章 常用传感器与敏感元件
3.1 概述
1. 传感器定义 传感器是直接感受规定的被测量，并能按一定 规律将被测量转换成同种或别种量值输出的装置。 物理量 电量
Rp
xp
第3章 电阻应变式传感器
一个是由电阻丝几何尺寸引起的；另一个由电阻丝电 阻率引起的。对金属电阻丝来讲后一项数值很小，可 以忽略不计，则上式简化为：
dR ≈ (1+ 2µ)ε R 上式表明了电阻相对变化率与应变成正比。比 值S一般称为电阻应变片的应变系数或灵敏度
dR S = R =1+ 2µ dR = Sε R
ε
(二)金属电阻应变片的结构及参数
1. 结构形式
金属电阻应变片有丝式和箔式两种。都是 由敏感栅、基底、粘结剂和引线等组成。
1. 结构形式
1. 结构形式
1) 敏感栅 敏感栅用来感受应变并转换为电阻的变化。 金属丝电阻应变片的敏感栅由具有高电阻 率的金属丝(康铜或镍铬合金等，直径 0.015~0.05mm左右)绕成。
∵
∆R = SRε
2. 金属应变片的主要参数
2. 金属应变片的主要参数
i. 基长l 基长l 基宽b ii. 基宽b iii.电阻值 电阻值R iii. 电阻值R 灵敏度S iv. 灵敏度S v. 允许电流
二、应变片的测量电路
测量过程 力、压力 敏感元件 应变变化 应变片 电阻变化 电阻应变仪 电压或电流的变化 并显示和记录 按 激 励 电 压 性 质
讨论
3) 电桥联接的规律 电阻变化符号相反的联入相邻臂中 电阻变化符号相同的联入相对臂中 4) 桥臂电阻数与输出之关系
∆R ∵U0 ∝ R
2∆R ∆R ∴ = ∝U0 2R R
单纯的增加桥臂电阻数不会增加输出， 单纯的增加桥臂电阻数不会增加输出，但 可以起平均作用及消除干扰的作用 起平均作用及消除干扰的作用。 可以起平均作用及消除干扰的作用。
按能量关 系分类
按输出信号 分类
传感器的命名
××
第3章 电阻式传感器原理及其应用
第3章 电阻式传感器原理及其应用
3.1 电阻应变式传感器
3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 传感器的工作原理 电阻应变片的结构和分类 电阻应变式传感器的测量电路 电阻应变式的粘贴 电阻应变式传感器的应用
3.2 压阻式传感器
3.2.1 压阻式传感器的结构 3.2.2 压阻式传感器的工作原理 3.2.3 压阻式传感器的应用
金属箔式电阻应变片的结构 它的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。 它的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。将合金 先轧成厚度为0.002mm~0.01mm的箔材，经过热 的箔材， 先轧成厚度为 的箔材 处理后在一面图刷一层0.03~0.05mm厚的树脂胶， 厚的树脂胶， 处理后在一面图刷一层 厚的树脂胶 再经聚合固化形成基底。 再经聚合固化形成基底。 在另一面经照相制版、光刻、 在另一面经照相制版、光刻、腐蚀等工艺制成敏感 焊上引线， 栅，焊上引线，并涂上与基底相同的树脂胶作为覆 盖片。 盖片。
若 接入的两个应变片对于电源输入端对称， 接入的两个应变片对于电源输入端对称，且满足两 个应变片在工作时所产生的电阻增量大小相等符号 相反时，电桥的输出电压变化为： 相反时概述
电阻式传感器是利用一定的方式将被测量的变化 电阻式传感器是利用一定的方式将被测量的变化 转化为敏感元件电阻参数的变化， 转化为敏感元件电阻参数的变化，再通过电路转变成 电压或电流信号的输出，从而实现非电量的测量。 电压或电流信号的输出，从而实现非电量的测量。 可用于各种机械量和热工量的检测， 可用于各种机械量和热工量的检测，如用来测量 压力、位移、应变、速度、加速度、 力、压力、位移、应变、速度、加速度、温度和湿度 它结构简单，性能稳定，成本低廉， 等。它结构简单，性能稳定，成本低廉，在许多行业 得到了广泛应用。 得到了广泛应用。 由于构成电阻的材料及种类很多， 由于构成电阻的材料及种类很多，引起电阻变化 的物理原因也很多， 的物理原因也很多，这就构成了各种各样的电阻式传 感元件以及由这些元件构成的电阻式传感器。 感元件以及由这些元件构成的电阻式传感器。
3.1 电阻应变式传感器
3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 传感器的工作原理 电阻应变片的结构和分类 电阻应变式传感器的测量电路 电阻应变式的粘贴 电阻应变式传感器的应用
3.2 压阻式传感器
3.2.1 压阻式传感器的结构 3.2.2 压阻式传感器的工作原理 3.2.3 压阻式传感器的应用
金属箔式电阻应变片的结构 它的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。 它的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。将合金 先轧成厚度为0.002mm~0.01mm的箔材，经过热 的箔材， 先轧成厚度为 的箔材 处理后在一面图刷一层0.03~0.05mm厚的树脂胶， 厚的树脂胶， 处理后在一面图刷一层 厚的树脂胶 再经聚合固化形成基底。 再经聚合固化形成基底。 在另一面经照相制版、光刻、 在另一面经照相制版、光刻、腐蚀等工艺制成敏感 焊上引线， 栅，焊上引线，并涂上与基底相同的树脂胶作为覆 盖片。 盖片。
若 接入的两个应变片对于电源输入端对称， 接入的两个应变片对于电源输入端对称，且满足两 个应变片在工作时所产生的电阻增量大小相等符号 相反时，电桥的输出电压变化为： 相反时概述
电阻式传感器是利用一定的方式将被测量的变化 电阻式传感器是利用一定的方式将被测量的变化 转化为敏感元件电阻参数的变化， 转化为敏感元件电阻参数的变化，再通过电路转变成 电压或电流信号的输出，从而实现非电量的测量。 电压或电流信号的输出，从而实现非电量的测量。 可用于各种机械量和热工量的检测， 可用于各种机械量和热工量的检测，如用来测量 压力、位移、应变、速度、加速度、 力、压力、位移、应变、速度、加速度、温度和湿度 它结构简单，性能稳定，成本低廉， 等。它结构简单，性能稳定，成本低廉，在许多行业 得到了广泛应用。 得到了广泛应用。 由于构成电阻的材料及种类很多， 由于构成电阻的材料及种类很多，引起电阻变化 的物理原因也很多， 的物理原因也很多，这就构成了各种各样的电阻式传 感元件以及由这些元件构成的电阻式传感器。 感元件以及由这些元件构成的电阻式传感器。
传感检测系统-常见传感器原理及应用
R
a bc
转轴
Usc
U0
线绕式电位器
电位器式传感器的应用
航空飞行高度传感器
无线电高度 气压高度 真空膜盒高度表
5 4
H3
2 1
齿轮
齿弧
电刷轴
精密 电位器
杠杆机构
X
真空膜盒
壳体
真空膜盒高度表
UO
电位器式传感器的应用
电位器式压力传感器
弹性敏感元件膜盒的内腔,通 入被测流体,在流体压力作用 下,膜盒硬中心产生弹性位移, 推动连杆上移,使曲柄轴带动 电位器的电刷在电位器绕组上 滑动,输出一个与被测压力成 比例的电压信号。
只对导 磁物体 起作用
对接地 的金属 起作用
只对导电 良好的金 属起作用
对磁性 物体起 作用
接近开关的特点
接近开关与被测物不接触、不会产生机械 磨损和疲劳损伤、工作寿命长、响应快、无 触点、无火花、无噪声、防潮、防尘、防爆 性能较好、输出信号负载能力强、体积小、 安装、调整方便。
缺点是触点容量较小、输出短路时易烧 毁。
3.3.2 电容式传感器
Capacitive transducer
将被测量变化转换成电容量变化的传感器。它 的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用 的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质 的电容器。
可以应用于位移、振动、角度、加速度等参数 的测量中。
电容式传感器工作原理及结构形式
电容传感器的理想公式为
3.3.1.2 应变式传感器
电阻应变传感器是一种利用电阻应变片将应变转 换为电阻变化的传感器。
被测量 电阻应变片 电阻变化
任何非电量能转化为应变量
应变片
F
当受到外力时，导体变长变细，电阻增加，R->R+△R
机械工程测试技术基础张军第三章2
§3-4 电感传感器
被测机械量——电感量（互感量） 分类：自感型——（可变磁阻式、电涡流式) 互感型——（差动变压器式） 变换原理：基于电磁感应
一、可变磁阻式电感传感器
工作原理 ： 由电工学知，线圈自感量L为
W——线圈匝数 Rm ——磁路总磁阻
如果空气隙δ较小，而且不考虑磁路的铁损时，总磁阻
测量电路
§3-6 压电式传感器
被测机械量——压电敏感元件的电荷输出
一、压电材料与压电效应
压电效应
正压电效应：某些晶体在其表面施加力，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，在其表面出现电荷，形成电场；当外力消失时，材料重新回复到原来状态，这种现象成为正压电效应。 逆压电效应：将这些晶体置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外电场作用导致物质的机械变形的现象，称为逆压电效应，或称为电致伸缩效应。
六、应用
正压电效应测力（加速度、扭矩） 逆压电效应振动送料器、执行器
加速度计
力传感器
YDS-78Ⅰ型石英压电传感器 测力范围：5000N 分辨率：0.01N 线性误差：<±1% 电荷灵敏度：3.8～4.2pc/N 绝缘电阻：>5×1013Ω 固有频率：50KHz 工作温度：-60～+140℃ 重量：10克 尺寸：ф18mm×7mm 获省科技成果一等奖
工作原理：电涡流现象： 金属板置于一只线圈附近，相互距离为δ。当线圈中有一高频交变电流I通过时，便产生磁通φ1。此交变磁通通过邻近的金属板，金属板上便产生感应电流i1。这种涡电流也将产生交变磁通φ1。根据楞次定律，涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反，φ1总是抵抗φ的变化。由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗Z发生变化，变化程度与距离δ有关。
被测机械量——电感量（互感量） 分类：自感型——（可变磁阻式、电涡流式) 互感型——（差动变压器式） 变换原理：基于电磁感应
一、可变磁阻式电感传感器
工作原理 ： 由电工学知，线圈自感量L为
W——线圈匝数 Rm ——磁路总磁阻
如果空气隙δ较小，而且不考虑磁路的铁损时，总磁阻
测量电路
§3-6 压电式传感器
被测机械量——压电敏感元件的电荷输出
一、压电材料与压电效应
压电效应
正压电效应：某些晶体在其表面施加力，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，在其表面出现电荷，形成电场；当外力消失时，材料重新回复到原来状态，这种现象成为正压电效应。 逆压电效应：将这些晶体置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外电场作用导致物质的机械变形的现象，称为逆压电效应，或称为电致伸缩效应。
六、应用
正压电效应测力（加速度、扭矩） 逆压电效应振动送料器、执行器
加速度计
力传感器
YDS-78Ⅰ型石英压电传感器 测力范围：5000N 分辨率：0.01N 线性误差：<±1% 电荷灵敏度：3.8～4.2pc/N 绝缘电阻：>5×1013Ω 固有频率：50KHz 工作温度：-60～+140℃ 重量：10克 尺寸：ф18mm×7mm 获省科技成果一等奖
工作原理：电涡流现象： 金属板置于一只线圈附近，相互距离为δ。当线圈中有一高频交变电流I通过时，便产生磁通φ1。此交变磁通通过邻近的金属板，金属板上便产生感应电流i1。这种涡电流也将产生交变磁通φ1。根据楞次定律，涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反，φ1总是抵抗φ的变化。由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗Z发生变化，变化程度与距离δ有关。
电阻式传感器
结构简单
电阻式传感器的特点： 输出精度较高
线性和稳定性好
2
第3章 电阻式传感器
电阻式传感器的分类
1．变阻器式传感器 敏感元件：弹性敏感元件 转换元件 ：电位器 特点：结构简单、价格便宜、输出信号功率大， 主要用于测量变量变化较大的场合。
２．电阻应变式传感器 敏感元件：弹性敏感元件 转换元件 ：电阻应变片 特点：用于测量变化量相对较小的场合，其灵敏度较高。
电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、350Ω， 500Ω和1000Ω 等多种规格，以120Ω最为常用。 应变片的电阻值越大，允许的工作电压就大， 传感器的输出电压也大，相应地应变片的尺寸 也要增大，在条件许可的情况下，应尽量选用 高阻值应变片。
28
第3章 电阻式传感器
三、电阻应变片的特性
2．应变片的灵敏系数
V
V
无量纲！
12
第3章 电阻式传感器
3 .剪应变 物体受剪切力作用，发生只有形状变化没有 体积变化的弹性形变，称为剪应变，
以γ表示。
所谓剪切力是指大小相等、方向相反 而作用线平行的一对力。
x tg
d
无量纲！
F
x
A
F
d
13
第3章 电阻式传感器
三、弹性模量
在正比极限范围内，应力与应变的变化关系 是线性的，它们的比值是一恒量，这就是著名的 虎克定律。对于不同的材料，可以有不同的比例 系数，此比值称为该物质的弹性模量（modulus of elasticity )，单位为: N ·m-2。
31
第3章 电阻式传感器 4. 机械滞后
应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性 与卸载特性不重合，即为机械滞后。
测试技术第三章1
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传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息， 传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并 按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。 按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。 狭义上讲， 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。 号的装置。
3) 应变片的主要参数
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1）几何参数：表距L和丝栅宽度 ，制造厂常用 ×L ）几何参数：表距 和丝栅宽度 和丝栅宽度b，制造厂常用b× 表示。 表示。 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）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。 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 ）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、横向灵敏度等）。 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。
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百分表式电阻应变位移传感器
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量程 全量程输出 电测综合误差系数 WBD－ 10 0-10mm 1000uε ≤±2uε WBD－ 30 0-30mm 3000uε ≤±6uε WBD－ 50 0-50mm 5000uε ≤±10uε WBD－ 100 0-100mm 10000uε ≤±20uε
直线型
3
旋转型
1 2 3
3.2 电阻式传-变阻总长;RL负载电阻;x-电刷移动量. 等效电路分析: 2 1 x xp 3 Ein Rx
Ein 1+
R p Rx Rx RL Rx + RL
Rp-Rx Eout RL
传感器与自动检测技术@余成波第三章重点
一、电阻式传感器1.应变式电阻传感器的概念及使用原理：是一种利用电阻应变效应，由电阻应变片和弹性敏感元件组合起来的传感器。
将应变片粘贴在各种弹性敏感元件上，当弹性敏感元件感受到外力、位移、加速度等参数的作用，弹性敏感元件产生应变，再通过粘贴在上面的电阻应变片将其转换成电阻的变化。
2.应变式电阻传感器的的组成及各部分作用：通常，它主要是由敏感元件、基底、引线和覆盖层等组成。
其核心元件是电阻应变片（敏感元件），它主要作用是敏感元件实现应变—电阻的变换。
3.根据敏感元件材料与结构的不同，应变片可分为，金属电阻应变片和半导体式应变片。
4.金属电阻应变片（1）金属电阻应变片基本结构由盖层、敏感栅、基底及引线四部分组成。
①敏感栅可由金属丝、金属箔制成，它是转换元件，被粘贴在基底上。
②用黏合剂粘贴在传感器弹性元件或试件上的应变片通过基底把应变传递到敏感栅上。
（1—敏感栅2—基底3—引线4—盖层5—黏合剂）③同时基底起绝缘作用。
④盖层起绝缘保护作用。
焊接于敏感栅两端引线连接测量导线之用。
目前，常用的金属电阻应变片主要有：金属丝式应变片、箔式应变片、及金属薄膜应变片等结构形式。
（2）金属电阻应变片工作原理：金属电阻应变片的工作原理是利用金属材料的电阻定律。
当应变片的结构尺寸发生变化时，其电阻也发生相应的变化。
6.半导体应变片（1）半导体应变片结构：是用半导体材料，采用与丝式应变片相同方法制成的半导体应变片。
图中1为基片，2为半导体敏感条，3为外引线，4为引线联接片，5为内引线。
（2）半导体应变片原理工作原理是基于半导体材料的压阻效应。
所谓压阻效应是指，当半导体材料的某一轴向受外力作用时，其电阻率 发生变化的现象。
半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为，（3）半导体应变片的特点 半导体应变片最突出的优点是体积小，灵敏度高，频率响应范围很宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接使用，使测量系统简单；但它具有温度系数大，应变时非线性比较严重的缺点。
传感器的类型ppt课件
▪ 传感器是将感知到的各种信号转换成易测量 的信号，把相应的信号输入计算机，计算机 发出指令，控制各执行机构。
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§3-1传感器的定义
一、传感器的定义（ Transducer/Sensor ） ▪ 定义：将被测参量转换为与之对应的，易
于测量，传输和处理的信号的装置。
GB7665一87：能够感受规定的被测量并按 照一定规律转换成可用输出信号的器件或 装置。
.
§3-2-2 电位计式传感器
回转型变阻器式传感器，其电阻值随转角而变化。
其灵敏度
S
dR
d
k
式中α—转角[rad]
kα—单位弧度对应的电阻值。
.
§3-2-2 电位计式传感器
非线性变阻器式传感器，或称为函数电位器。 当被测量与电刷位移x之间具有某种函数关系时， 通过它可以获得输出电阻与输入被测量的线性关 系。设r(x)为电位器任意瞬时位置（微小区间Δx） 内的电阻，则电阻位移为x时总电阻值为：
KS由两部分组成：
前一部分是（1+2μ），由材料的几何尺寸变化引起，一般
金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；
后一部分为
l
/，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。
/l
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
第三章 传感器
§3-1 §3-2 §3-3 §3-4 §3-6
传感器的概念 电阻式传感器 电容式传感器 电感式传感器 压电式传感器
.
第三章 传感器
▪ 传感器是人类五官的延长，又称之为电五 官；
信息 传感器技术 通信技术 计算机技术
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§3-1传感器的定义
一、传感器的定义（ Transducer/Sensor ） ▪ 定义：将被测参量转换为与之对应的，易
于测量，传输和处理的信号的装置。
GB7665一87：能够感受规定的被测量并按 照一定规律转换成可用输出信号的器件或 装置。
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§3-2-2 电位计式传感器
回转型变阻器式传感器，其电阻值随转角而变化。
其灵敏度
S
dR
d
k
式中α—转角[rad]
kα—单位弧度对应的电阻值。
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§3-2-2 电位计式传感器
非线性变阻器式传感器，或称为函数电位器。 当被测量与电刷位移x之间具有某种函数关系时， 通过它可以获得输出电阻与输入被测量的线性关 系。设r(x)为电位器任意瞬时位置（微小区间Δx） 内的电阻，则电阻位移为x时总电阻值为：
KS由两部分组成：
前一部分是（1+2μ），由材料的几何尺寸变化引起，一般
金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；
后一部分为
l
/，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。
/l
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
第三章 传感器
§3-1 §3-2 §3-3 §3-4 §3-6
传感器的概念 电阻式传感器 电容式传感器 电感式传感器 压电式传感器
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第三章 传感器
▪ 传感器是人类五官的延长，又称之为电五 官；
信息 传感器技术 通信技术 计算机技术