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1、1,第五章 电阻传感器,本章学习电阻式传感器的原理及应用，包括：电位器、电阻应变片等。,2,第一节 电位器式电阻传感器,电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于电气和电子设备中，当它作为一种传感元件时，可以把机械位移转换成与之成一定函数关系的电阻或电压输出。,电位式传感器可以测量位移、压力、加速度、容量、高度等多种物理量。,根据电位器的输出特性，电位器可分为线性电位器和非线性电位器。,3,一、线性电位器 线性电位器由绕于骨架上的电阻丝线圈和沿电位器滑动的滑臂，以及安装在滑臂上的电刷组成。线绕电位器传感元件有直线式、旋转式或两者相结合的形式。,4,5,直线位移电位式传感器示意图,6,电位器式角度传
2、感器,7,阶梯特性和阶梯误差：,从理论上讲，电位器的特性曲线是位移x的连续函数。但对线绕电位器而言，电刷的直线位移x的变化是不连续的，所以得到的电阻变化也是不连续的，或输出电压Uo的变化是一个阶梯形的曲线,即电刷每移动一个节距，输出电阻或输出电压都有一个微小的跳跃。,8,分辨率：,绕线式电位器的分辨率是指电位器所能反映的输入量的最小变化量与全量程输入量的比值。,9,一般情况下，电位器接有负载，如图所示，接入负载时，由于负载电阻与电位器的比值为有限值，所以负载特性曲线与理想空载特性有一定差异。负载特性偏离理想空载特性的偏差称为电位器的负载误差，对于线性电位器，负载误差即为其非线性误差。,10,二
3、、非线性电位器,非线性电位器是指在空载时其输出电压（或电阻）与电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器，也称函数电位器。它可以实现指数函数、对数函数、三角函数及其他函数，因此可满足控制系统的特殊要求，也可满足传感、检测系统最终获得线性输出的要求。常用的非线性线绕电位器有变骨架式、变节距式、分路电阻式及电位给定式四种。,11,变骨架高度式非线性电位器,对称变骨架高度式非线性电位器,12,三、非线绕式电位器,合成膜电位器的电阻体是用具有某一电阻值的悬浮液喷涂在绝缘骨架上形成电阻膜而制成的。,13,金属膜电位器是在绝缘基体上用真空蒸发的方法或电镀的方法涂覆层金属膜或复合金属膜,14,导电塑料电位器
4、又称实心电位器，这种电位器的电阻是由塑料粉及导电材料（碳黑、超细金属粉等）的粉料经塑压而成。,15,导电玻璃釉电位器又称金属陶瓷电位器，它是以合金、金属氧化物或难溶化合物等为导电材料，以玻璃釉粉为粘合剂，混合烧结在陶瓷或玻璃基体上制成的。,16,四、电位器式传感器应用,压力测量,位移测量,17,18,19,20,第二节 电阻应变式传感器,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换电路等组成。,21,一、工作原理应变片的工作原理,金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。,22,应变效应,金属电阻应
5、变片的基本原理基于电阻应变效应：即，导体产生机械形变时它的电阻值发生变化。一根长L,截面积为S,电阻率为的金属丝电阻为:,当电阻丝受到轴向拉力F作用时，金属丝几何尺寸变化引起电阻的相对变化,电阻值R的相对变化为:,23,径向应变为：（截面积相对变化量）,其中轴向应变为：,24,用轴向、径向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：,表示金属丝受力后引起两个方面的变化：材料几何尺寸变化（1+2），材料电阻率的变化（/）,令：,金属丝的灵敏度系数k0表示单位应变能引起的电阻相对变化的能力,25,对金属导体而言,有.,(M1),=,对半导体,存在,(M2),=,其中 是压阻系数,是轴向应力;,E是弹性模量,
6、26,金属应变片灵敏系数 k0 主要由材料的几何尺寸引起的 通过弹性元件可将位移、压力、振动等物理量将应力转换为应变进行测量，这是应变式传感器测量应变的基本原理。,对于金属电阻丝=0.250.5(钢=0.285)k01+2 k01.52,27,二、应变片的种类与结构,应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前箔式应变片应用较多。箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大，散热条件较好，测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处
7、理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度。,28,箔式应变片的外形,29,半导体应变片及金属丝式应变片的结构,半导体应变片外形,金属丝式应变片的内部结构,30,金属应变片结构：网状敏感栅高阻金属丝、金属箔 基片绝缘材料 盖片保护层,31,应变片主要性能指标举例,32,三、测量转换电路不平衡电桥,金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。例如，有一金属箔式应变片，标称阻值R0为100，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0
8、.2N，受拉后应变片的阻值R 的变化量仅为2 10-5，所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。,33,电阻应变片的测量电路,直流电桥平衡条件,当RL时，电桥输出电压为,当电桥平衡时，Uo=0，则有,34,电压灵敏度 应变片单臂工作时：电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。,由于R1R1，分母中R1/R1可忽略:,电桥电压灵敏度定义为,35,分析：电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择；电桥电压灵敏度是
9、桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。,36,与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为,理想情况（略去分母中的R1/R1项）：,实际情况（保留分母中的R1/R1项）：,非线性误差及其补偿方法,37,减小和消除非线性误差的方法,差动电桥,38,半桥差动：在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂。该电桥输出电压为,若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得,可知：Uo与R1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。,39,全桥差动：电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，两个受压应变，
10、将两个应变符号相同的接入相对桥臂上。若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，则,结论：全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍。,40,四、应变效应的应用,应变效应可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。,41,应变式力传感器,F,F,F,F,42,各种悬
11、臂梁,F,F,固定点,固定点,电缆,43,应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,应变式荷重传感器外形及受力位置,F,F,45,汽车衡,汽车衡称重系统,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,人体秤,吊钩秤,便携式,应变式数显扭矩扳手,可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2500N.m，耗电量10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。,52,压阻式固态压力传感器 利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。,53,压阻式固
12、态压力传感器的隔离、承压膜片,隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片 隔离开来。,54,压阻式固态 压力传感器 内部结构,信号处理电路,55,小型压阻式固态压力传感器,高压进气口,低压进气口,绝对压力传感器,56,57,58,59,60,61,投入式液位计,压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。,62,投入式液位计外形,压阻式固态压力传感器,光柱 显示器,橡胶 背压管,63,64,电阻应变仪,下图所示的静态应变仪测量范围：19999；分辨率：1；电桥电压：直流2.5V；应变片：120或其他阻值；测量点数：8/16点；,65,电阻应变仪,接线端子,66,与计算机接口的多路电阻应变测量模块,
