第二章 电阻式传感器
机械工程测试技术_课后习题及答案
机械工程测试技术课后习题及答案第一章传感器及检测系统的基本概念1、检测系统由哪几部分组成？说明各部分的作用2、怎样选择仪表的量程大小？3、测量误差可以分为哪几类？引起各类误差的原因是什么？4、传感器按照被测物理量来分，可以分为哪几种？5、某电路中的电流为10A，用甲乙两块电流表同时测量，甲表读数为10.8A，乙表读数为9.5A，请计算两次测量的绝对误差和相对误差。
6、用1.0级量限100V的电压表甲，0.5级量限250V的电压表乙分别测量某电压，读数皆为80V，试比较两次测量结果的准确度。
7、有三台测温仪表，量程均为0～800℃，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500℃的温度，要求相对误差不超过2.5%，选哪台仪表合理？解答：1、一个完整的工程检测系统包括：传感器、信号调理电路、信号处理电路和显示记录部分。
各部分作用：传感器——感受被测量，并将其转换为电信号；信号调理电路——将传感器输出信号进行放大和转换；信号处理电路——对电信号进行计算和分析；显示记录部分——显示记录测试结果。
2、应根据被测量的大小，兼顾仪表的准确度等级和量程，使其工作在不小于满度值2/3以上的区域。
3、测量误差可以分为：系统误差、随机误差和疏失误差三类。
引起的原因如下:系统误差——仪器误差、零位误差、理论误差、环境误差和观察者误差等随机误差——温度、磁场，零件摩擦、间隙，气压和湿度的变化，测量人员分辨本领的限制等疏失误差——操作、读数、记录和计算等方面的人为误差等4、传感器按被测物理量可以分为：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、温度传感器、压力传感器等。
5、绝对误差：△I= I﹣I=10.8-10=+0.8A；△I= I﹣I=9.5-10=﹣0.5A相对误差：γ甲=△I甲/ I0=+0.8/10=8%；γ乙=△I乙/ I0=﹣0.5/10=﹣5%6、最大绝对误差：△V m甲=±K%·V m甲=±1.0%×100=±1.0V；△V m乙=±K%·V m乙=±0.5%×250=±1.25V最大相对误差：γm甲=△V m甲/ V=±1.0/80=±1.25%；γm乙=△V m乙/ V=±1.25/80=±1.56%故：甲表测量结果的准确度高于乙表。
自动检测技术及应用 第2版第2章 电阻式传感器及应用
根据电源的不同，可将电桥分为直流电桥和
交流电桥。
电桥按读数方法可分为平衡电桥（零读法）
和不平衡电桥（偏差法）两种。
平衡电桥仅适合与测量静态参数，而不平衡 电桥对静、动态参数都可测量。 我们只讨论直流不平衡电桥。
1．直流不平衡电桥的工作原理
直流电桥电路如下图，它的四个桥臂由电阻R1、R2、 R3、R4组成。它们可以全部或部分是应变片。
为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔 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。
３.应变片的粘贴：
1)去污：采用手持砂 轮工具除去构件表面的
油污、漆、锈斑等，并
用细纱布交叉打磨出细 纹以增加粘贴力 ，用 浸有酒精或丙酮的纱布 片或脱脂棉球擦洗。
2.贴片：在应变片的 表面和处理过的粘贴表
第2章 电阻式传感器及其应用
本章学习电阻式传感器的原理及应用， 包括：电阻应变片、电位器、热电阻、 气敏电阻及湿敏电阻等。
§2.1 电阻应变式传感器
应变效应：导体或半导体材料在外界力的作用 下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生
变化，这种现象称为应变效应。
电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转
34端接直流电压U 12端输出电压U0
初始状态下，电桥是平衡的，输出为零。
当其中一个桥臂（或两个、三个、四个）上受
到应变作用后，则阻值将发生变化，桥路失去平
衡，就会有信号U0输出。
当电桥平衡时, 有：R1R4=R2R3 或 则：Uo=0 电桥平衡条件：相邻两臂电阻的比值应相等, 或相对 两臂电阻的乘积相等。 当电桥不平衡时：
例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大； 又如，某些半导体受拉时，将变大，导致R变大。
传感器与检测技术第四版 第二章
R3 R4 ( R1
R2 )
IL=0时电桥平衡
电桥平衡条件： R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4
R1
R2
Uo
RL
R3
R4
U
当电桥后面接放大器时, 电桥输出端看成开路
U0
R1R4 R2 R3 U ( R1 R2 )( R3 R4 )
应变片工作时，其电阻变化 R
U0
U
( R1 R1 )( R4 R4 ) ( R2 R2 )( R3 R3 ) ( R1 R1 R2 R2 )( R3 R3 R4 R4 )
则U0
Uk 4
1 2 3 4
结论：
U0
Uk 4
1
2
3
4
① Ri R 时，电桥的输出电压与应变成线性关系 。
② 若相邻两桥臂的应变极性一致，输出电压为两者之差； 若相邻两桥臂的应变极性不同，输出电压为两者之和。
③ 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和； 反之则为两者之差。
低频(10~60Hz)振动测量中得到广泛的应用， 但不适用于频率较高的振动和冲击
5. 应变式扭矩传感器 扭矩：M=Fl
6. 应变式张力传感器
2.2 压阻式传感器
2.2.1 半导体的压阻效应
定义：单晶半导体材料沿某一轴向受外力作用时，其电阻率会 发生变化
压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。 主要用于测量压力、加速度和载荷等参数
R (1 2 E)
R
: 纵向应变 : 泊松比
: 压阻系数 : 应力值
电阻式传感器教学课件
智能化与网络化的趋势
智能化
随着人工智能和物联网技术的发展，电阻式传感器正朝着智能化方向发展，通过集成数 据处理、通信和自适应调节等功能，实现传感器自校准、自诊断和自适应调节等智能化
特性。
网络化
网络化是电阻式传感器未来发展的重要趋势之一，通过将传感器接入互联网，可以实现 远程监控、数据共享和协同工作等功能，为工业自动化、智能家居等领域的应用提供了
、灵敏度和迟滞等参数。
温度校准法
在规定温度范围内，测试传感器 在不同温度下的输出值，绘制温 度特性曲线，并计算温度系数和
热时间常数等参数。
噪声校准法
测试传感器在噪声环境下的输出 值，分析噪声水平、信噪比和动
态范围等参数。
校准与标定的注意事项
确保标准计量器具的准确性和可 靠性，以保证校准和标定的准确
选择对被测量敏感的材料，如金 属、半导体、陶瓷等。
基底材料
要求具有良好的绝缘性能和稳定性 ，如玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯等。
引线材料
要求具有良好的导电性能和耐腐蚀 性，如铜、镍等。
结构设计
测量元件设计
封装设计
根据被测量物理量，设计相应的测量 元件，如热敏电阻、光敏电阻等。
保证传感器在恶劣环境下稳定工作， 同时便于安装和连接。
便利。
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06
电阻式传感器的未来发展与挑战
新材料与新工艺的发展
新材料
随着科技的发展，新型材料如纳米材料、石墨烯等在电阻式传感器中的应用逐渐增多，这些新材料具有更高的敏 感性和稳定性，为传感器性能的提升提供了新的可能。
新工艺
随着微纳加工技术的进步，电阻式传感器的尺寸越来越小，精度越来越高，同时3D打印等新兴制造技术的引入， 使得传感器能够实现快速、低成本的制造。
传感器与检测技术第2章-1_应变式传感器
E 4
R1 R
R2 R
R3 R
R4 R
EK 4
1
2
3
4
当仅桥臂AB单臂工作时，理想输出电压为
Ug E R E K
4R 4
44
电桥分类
B R1=R
A
Ug
R2=R C
R3=R’ R4=R’
E
D
第一对称电桥
2、第一对称电桥
若电桥桥臂两两相等，即R1 =R2=R ， R3=R4=R′ ， 则 称
16
2.1数 （二）横向效应 （三）动态特性
17
应变片的电阻值 R
• 应变片在未经安装也不受外力情况下， 于室温下测得的电阻值
• 电阻系列：60、120、200、350、500、1000 Ω
电阻值大
可以加大应变片承受电压， 输出信号大， 敏感栅尺寸也增大
18
25
设环境引起的构件温度变化为Δt（℃）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αt ，则应变片产生的电阻相对变化为
R R
1
t t
26
由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当
Δt 存在时，引起应变片的附加应变，其值为
2t g s t
βg—试件材料线膨胀系数；βs—敏感栅材料线膨胀系数。
金属箔式应变片
13
金属薄膜应变片
• 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， 再加上保护层，易实现工业化批量生产
• 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范 围广，易实现工业化生产
• 问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系
15
检测技术及仪表 电阻传感器 第二章
常用应变片二（箔式）
箔式应变片
原理： 它是利用光刻腐蚀法将电 阻箔材在绝缘基底上制成各种 图形的应变片； 优点： 敏感栅尺寸准确，线条均 匀； 其弯头横向效应可以忽略； 可通过较大的电流； 散热性好，寿命长； 生产效率高；
箔式应变片的外形
二、种类
（3）金属薄膜应变片 采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基
d dR R K (1 2 )
压阻效应 （2-6）
应变效应
灵敏系数K 受两个因素影响：一个是应变片受力后材料几何 尺寸的变化， 即 1+2μ ；另一个是应变片受力后材料的电阻率 发生的变化， 即（dρ/ρ）/ε。
对金属材料来说，电阻丝灵敏系数表达式中1+2μ的值要比
(dρ/ρ)/ε大得多;
（2-2）
由公式（2-2）可以看出，当 R 2 R 4 R1R 3时电桥
平衡，此时电桥输出 U o 0 。
Ui R1 R2 R3 R4 Uo ( ) 4 R1 R2 R3 R4
（2-3）
单臂
半桥
全桥
一个桥臂是应变片
二个桥臂是应变片
四个桥臂均是应变片
1
单臂 R1 R2
基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置， 盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保 护敏感栅。
一、结构 （3） 引线 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引 线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、 抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可 制作引线。
二、种类
金属电阻应变片：丝式、箔式和薄膜式三种。 （1）丝式应变片是将金属丝按图示形状弯曲后 用粘合剂贴在衬底上而成,使用时只要将应变片贴 于弹性体上就可构成应变式传感器。
传感器及其工作原理的教案
传感器及其工作原理的教案第一章：传感器概述1.1 传感器的定义与作用介绍传感器的概念解释传感器在现代科技领域中的重要性1.2 传感器的分类温度传感器压力传感器光传感器湿度传感器其他传感器1.3 传感器的性能指标灵敏度准确度响应时间稳定性第二章：传感器的工作原理2.1 电阻式传感器介绍电阻式传感器的工作原理探讨电阻式传感器的应用实例2.2 电容式传感器解释电容式传感器的工作原理分析电容式传感器的应用场景2.3 电磁式传感器探讨电磁式传感器的工作原理举例说明电磁式传感器的应用2.4 光电式传感器介绍光电式传感器的工作原理讨论光电式传感器的应用领域第三章：传感器的选择与应用3.1 传感器选择的考虑因素测量范围精度要求响应时间环境条件3.2 传感器的应用实例工业自动化智能家居医疗设备环境监测3.3 传感器与微控制器的接口设计介绍传感器与微控制器接口的基本原理探讨接口设计中的注意事项第四章：传感器的安装与维护4.1 传感器的安装方法固定传感器连接传感器的电路传感器的校准4.2 传感器的维护与保养定期检查传感器的工作状态清洁传感器更换传感器配件4.3 传感器故障排除与维修分析传感器故障的原因介绍传感器维修的基本方法第五章：传感器技术的未来发展5.1 新型传感器的发展趋势微型化智能化网络化多功能化5.2 传感器在物联网中的应用物联网的基本概念传感器在物联网中的重要作用5.3 传感器技术的创新与挑战探讨传感器技术的创新方向分析传感器技术面临的挑战与解决方案第六章：传感器在温度测量中的应用6.1 温度传感器概述介绍温度传感器的种类及工作原理解释温度传感器在温度测量中的重要性6.2 热电阻传感器探讨热电阻传感器的工作原理分析热电阻传感器的应用实例6.3 热电偶传感器介绍热电偶传感器的工作原理讨论热电偶传感器在高温测量中的应用6.4 集成温度传感器解释集成温度传感器的工作原理探讨集成温度传感器的优势及应用第七章：压力传感器的原理与应用7.1 压力传感器概述介绍压力传感器的概念及作用解释压力传感器在各种领域的应用7.2 应变片式压力传感器探讨应变片式压力传感器的工作原理分析应变片式压力传感器的应用实例7.3 压阻式压力传感器介绍压阻式压力传感器的工作原理讨论压阻式压力传感器在工业中的应用7.4 微机电系统（MEMS）压力传感器解释MEMS压力传感器的工作原理探讨MEMS压力传感器的优势及应用第八章：光传感器的原理与应用8.1 光传感器概述介绍光传感器的基本概念解释光传感器在光电技术中的应用8.2 光电二极管传感器探讨光电二极管传感器的工作原理分析光电二极管传感器的应用实例8.3 光敏电阻传感器介绍光敏电阻传感器的工作原理讨论光敏电阻传感器在光照检测中的应用8.4 光强传感器解释光强传感器的工作原理探讨光强传感器在光学测量中的应用第九章：湿度传感器的原理与应用9.1 湿度传感器概述介绍湿度传感器的基本概念解释湿度传感器在环境监测中的重要性9.2 电容式湿度传感器探讨电容式湿度传感器的工作原理分析电容式湿度传感器的应用实例9.3 电阻式湿度传感器介绍电阻式湿度传感器的工作原理讨论电阻式湿度传感器在湿度测量中的应用9.4 露点传感器解释露点传感器的工作原理探讨露点传感器在气象观测中的应用第十章：传感器在自动化控制系统中的应用10.1 自动化控制系统概述介绍自动化控制系统的基本概念解释自动化控制系统在社会生产中的作用10.2 传感器在自动化控制中的应用探讨传感器在工业自动化中的重要作用分析传感器在技术中的应用10.3 传感器在智能控制系统中的应用介绍传感器在智能家居中的应用讨论传感器在无人驾驶技术中的应用10.4 传感器技术的创新与发展趋势分析传感器技术在自动化控制系统中的创新方向探讨传感器技术在未来发展趋势中的挑战与解决方案第十一章：传感器的数据处理与信号转换11.1 传感器信号的预处理介绍传感器信号预处理的重要性探讨滤波、放大、线性化等预处理方法11.2 模拟-数字转换解释模拟-数字转换（ADC）的原理分析ADC在传感器应用中的关键作用11.3 数字信号处理介绍数字信号处理的基本概念探讨数字滤波、特征提取等信号处理技术11.4 数据融合与信息提取解释数据融合的概念及意义探讨多传感器数据融合的方法和技术第十二章：无线传感器网络（WSN）12.1 无线传感器网络概述介绍无线传感器网络的基本概念解释无线传感器网络在物联网中的应用12.2 WSN的组成与工作原理探讨WSN的节点、通信协议和数据处理机制分析WSN在环境监测、军事等领域中的应用12.3 WSN的关键技术介绍WSN中的低功耗通信、数据融合、路由协议等关键技术讨论这些技术在实际应用中的挑战和解决方案12.4 WSN的发展趋势与挑战分析WSN在未来发展中的机遇与挑战探讨WSN在物联网中的作用及其发展方向第十三章：传感器在生物医学领域的应用13.1 生物医学传感器概述介绍生物医学传感器的基本概念解释生物医学传感器在医疗诊断中的重要性13.2 生物传感器类型与应用探讨生物传感器包括的光学生物传感器、电化学生物传感器等分析这些传感器在血糖检测、酶活性监测等领域的应用13.3 生物医学传感器的集成与微系统技术介绍生物医学传感器集成技术探讨微流控芯片、MEMS等技术在生物医学传感器中的应用13.4 生物医学传感器的发展趋势与挑战分析生物医学传感器在未来发展中的机遇与挑战探讨生物医学传感器在精准医疗和健康管理中的作用及其发展方向第十四章：传感器的安全性与标准化14.1 传感器的安全性介绍传感器安全性的重要性探讨传感器在防止数据泄露、防止故障等方面的安全措施14.2 传感器标准化与兼容性解释传感器标准化的重要性讨论传感器接口、通信协议等标准化问题14.3 传感器产品的认证与质量控制介绍传感器产品认证的流程与标准探讨质量控制对传感器性能和可靠性的影响14.4 传感器行业的未来发展分析传感器行业在未来发展中的趋势探讨传感器技术在智能制造、物联网等领域的应用前景第十五章：传感器的创新与挑战15.1 传感器技术的创新方向探讨新型传感器、传感器材料、传感器集成等方面的创新趋势15.2 传感器面临的挑战与解决方案分析传感器在精度、响应时间、功耗等方面的挑战讨论解决这些挑战的可能方法和途径15.3 传感器技术在可持续发展中的作用介绍传感器在节能减排、环境保护等方面的作用探讨传感器技术在促进可持续发展中的潜力15.4 传感器的未来：从智能传感器到自适应系统展望智能传感器、自适应系统等领域的发展前景探讨传感器技术在未来科技和产业变革中的作用和地位重点和难点解析本文主要介绍了传感器及其工作原理、选择与应用、安装与维护、未来发展等方面的内容。
《电阻式传感器 》课件
绕制或印刷导电线路
在弹性元件上绕制或印刷导电线路，确保 线路的电阻值和稳定性。
04
电阻式传感器的实际应用 案例
压力传感器
01
压力传感器是一种常见的电阻式传感器，它能够将压力信号转换为电 信号，从而实现压力的测量和控制。
02
在汽车工业中，压力传感器被广泛应用于发动机控制、气瓶压力监测 、空调系统等。
市场发展与竞争格局
市场需求
随着工业自动化、智能制造等领域的发展， 电阻式传感器的市场需求不断增长。
竞争格局
国内外企业在电阻式传感器市场上展开激烈竞争， 技术、品质和服务成为竞争的关键因素。
市场趋势
未来电阻式传感器市场将朝着智能化、小型 化、集成化、高精度和高可靠性的方向发展 。
06
总结与展望
电阻式传感器的重要地位
温度影响
电阻式传感器的电阻值会受到温度的影响，导致测量结果的误差。因此，需要采 取一定的温度补偿措施。
稳定性
经过长时间使用和多次测量后，电阻式传感器仍能保持其基本特性的能力，是衡 量传感器性能的重要指标。
响应时间与恢复时间
响应时间
电阻式传感器对输入物理量变化做出 反应的时间，即从输入变化到输出变 化所需的时间。
原材料准备
根据设计要求，准备所需的敏感材料、弹 性材料和辅助材料。
性能测试与校准
对制造完成的电阻式传感器进行性能测试 和校准，确保其测量精度和稳定性达到预 期要求。
制造弹性元件
根据设计图纸，采用机械加工或成型工艺 制造弹性元件。
组装与调整
将敏感元件、弹性元件和导电线路组装在 一起，并进行必要的调整和测试，以确保 传感器性能符合要求。
生物材料
结合生物材料，开发出具有生物 相容性和生物活性的传感器，用 于医疗、生物监测等领域。
第二章电阻应变式传感器
线性，灵敏度*4
9 05:14
2018/10/6
恒流源电桥补偿法： 全等臂电桥，恒流源，单臂工作：
' U 0 I
R3R1 RR1 I R1 R2 R3 R4 R1 4 R R1 U 0 I
非线性
近似线性：
R3R1 IR R1 R1 R2 R3 R4 4 R
7
相对桥臂相加 相邻桥臂相减
U R1 05:14 4 R 1
2018/10/6
单臂工作：R1-应变片，R2-补偿片，R3、R4固定电阻
U 0
(2) 交流电桥： 原理：相同 ； 输入输出：直流 平衡条件： Z1Z3 Z2 Z4
Z ze j
交流， 电阻
阻抗
z1z3 z2 z4
平衡 输出 C1R4 C2 R3
H K y / Kx
横向效应系数
2018/10/6 5 05:14
机械滞后： 粘接 --- 过热/过载 残余变形 蠕变和零漂： 粘接 内应力
不重合
预载/重复加载
滑移
固化，增大弹性膜量
应变极限：非线性误差达到10%的应变值，过载能力
(2) 动态特性： 力传导：机械应变
基底
胶层
敏感栅
滞后
正弦响应：幅值降低
非线性误差：
' U0 U0 IRR1 /(4 R) IRR1 /(4 R R1 ) R1 / R1 eL ' U0 IRR1 /(4 R R1 ) 4 R1 / R1
(4) 电桥的温度效应及其补偿： 温度效应：标准状态（t=20C，p=760mmHg，f=10mmHg），（理想） 实际温度：偏差 --- 特性改变 --- 输出改变
第2-2章 电阻式传感器2013-3
x
RA y
B
C 轴向应变 x 造成电阻增加，横向应 变 y 造成电阻减少。
RB
x y
R圆弧 R直线
25
2.2 应变式电阻传感器
26
2.2 应变式电阻传感器
3.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。
原因：敏感栅 基底和粘结剂 材料性能，或 使用中的过载 过热，产生的 残余变形。
应变效应 结构型传感器 应变片
12
R E R
压阻效应 物性型传感器
R 1 2 x R
K0 R / R
R
x
常数
R 1 2
x
1 2
金属丝应变灵敏度系数
金属丝灵敏系数
K0表示金属丝产生单位应变时，电阻相对变化的大小。 对于材料一定的金属导体，泊松比为常数，则灵敏系 数为常数。R
最大工作电流：对已安装的应变片，允许通过敏 感栅而不影响其工作特性的最大电流称为应变片 最大工作电流Imax.
I k , 但工作电流过大，会使应变片过热，增大零漂及蠕变，甚 至烧毁应变片
30
7. 标称电阻 标称电阻:未安装、也不受力的情况下，在室温下 测得的应变片电阻值。 常用：60、120、200、350、500、1000（欧姆） 通常情况下：R越大，应变片承受电压的能力越 强，输出信号就越大。敏感栅的尺寸可能也越大 （材料：电阻率大）。
应变片由电阻丝（敏感栅）、基底和盖层、引线和粘合剂组成。 基底盖层：固定敏感栅形状、尺寸等 保护层，防潮、 粘合剂：粘贴作用，传递应变 防腐蚀、防损。纸基和胶基（ 0.02~0.4mm） 引线： 0.1~0.15mm的低阻镀锡铜线。