1、第第3講講 電阻式傳感器電阻式傳感器目的：目的：1、了解電阻式傳感器丈量原理；、了解電阻式傳感器丈量原理； 2、掌握丈量方法。、掌握丈量方法。內容：內容：1、電位器式傳感器；、電位器式傳感器； 2、應變式傳器；、應變式傳器； 重點重點 3、壓阻式傳感器。、壓阻式傳感器。 難點難點學時：學時：2小時小時什么是電阻式傳感器？什么是電阻式傳感器？ 將位移、應變、振動等非電量的變化轉換成導電資料的電阻變化的安裝，稱為電阻式傳感器。電阻式傳感器分類：電阻式傳感器分類： 1 1、變阻器式；、變阻器式； 2 2、電阻應變式；、電阻應變式； 3 3、固態壓阻式傳感器。、固態壓阻式傳感器。第一節第一節 電位器式

2、傳感器電位器式傳感器1、什么是電位器傳感器？、什么是電位器傳感器？ 基于在勻質導體中，電阻基于在勻質導體中，電阻R與其長度與其長度L成正比成正比的關系制造的一種位移量的電阻式傳感器。的關系制造的一種位移量的電阻式傳感器。ALR式中式中:R電阻電阻; 電阻率；電阻率；L導體長度；導體長度；A橫面積橫面積第一節第一節 電位器式傳感器電位器式傳感器2、電位器傳感器的類型、電位器傳感器的類型1角位移電阻式傳感器角位移電阻式傳感器2線位移的電阻式傳感器。線位移的電阻式傳感器。角位移傳感器角位移傳感器線位移傳感器線位移傳感器第一節第一節 電位器式傳感器電位器式傳感器3、電位器傳感器的原理、電位器傳感器的原

3、理輸出電壓輸出電壓UL與與位移位移X呈非線性呈非線性關系。只需關系。只需RL無限大時輸出電無限大時輸出電壓壓UL與位移與位移X間間才是線性關系。才是線性關系。a角位移電阻式角位移電阻式 b線位移電阻式傳感線位移電阻式傳感)1 (1xxRRxUULL第一節第一節 電位器式傳感器電位器式傳感器2、電位器傳感器的類型、電位器傳感器的類型1角位移電阻式傳感器角位移電阻式傳感器2線位移的電阻式傳感器。線位移的電阻式傳感器。高精度位移傳感器高精度位移傳感器第二節第二節 應變式傳感器應變式傳感器第二節第二節 應變式傳感器應變式傳感器一、絲柵式應變片一、絲柵式應變片標距：標距：0.2mm 200mm短接式應變

4、片短接式應變片二、箔式應變片二、箔式應變片m80m3的金屬箔片的金屬箔片光刻腐蝕工藝光刻腐蝕工藝箔式應變片的優點：箔式應變片的優點：1、尺寸準確，線條均勻，靈敏系數、電阻值離散小。、尺寸準確，線條均勻，靈敏系數、電阻值離散小。2、橫向效應小，粘結面積大，粘貼結實，散熱性好。、橫向效應小，粘結面積大，粘貼結實，散熱性好。3、光刻腐蝕可制成各種應變花及小標距應變片。、光刻腐蝕可制成各種應變花及小標距應變片。4、耐潮濕，絕緣性好，蠕變及機械滯后小。、耐潮濕，絕緣性好，蠕變及機械滯后小。5、便于成批消費，質量好，廢品率高。、便于成批消費，質量好，廢品率高。第二節第二節 應變式傳感器應變式傳感器 金屬導

5、體或半導體在遭到外力作用時，會產生相應的應變，其電阻也將隨之發生變化，這種物理景象稱為“應變效應，用來產生應變效應的細導體稱為“應變絲敏感柵第二節第二節 應變式傳感器應變式傳感器 設有圓形截面導線,長度為 L ,截面積為 A ,資料的電阻率為，這段導線的電阻值 R 為：2rLALR當導體受力時，其長度當導體受力時，其長度L L，截面積，截面積 A A ，電阻率，電阻率 相應發生相應發生變化為變化為dLdL、d(r2)d(r2)、d,d,因此引起電阻變化因此引起電阻變化dRdR第二節第二節 應變式傳感器應變式傳感器2rLALR對上式全微分，那么：對上式全微分，那么：drdrLdLRdR2式中：式

6、中：LdLrdryrdrxLdL電阻絲軸向應變電阻絲軸向應變電阻絲徑向應變電阻絲徑向應變軸向應變與徑向軸向應變與徑向應變的關系是：應變的關系是：y= -x第二節第二節 應變式傳感器應變式傳感器電阻變效率為幾何項和壓阻效應項綜合的結果電阻變效率為幾何項和壓阻效應項綜合的結果dRdRx)21 (三、應變片的型號及類型三、應變片的型號及類型三、應變片的型號及類型三、應變片的型號及類型三、應變片的型號及類型三、應變片的型號及類型一應變片的挑選一應變片的挑選1、外觀檢查、外觀檢查2、丈量應變片的初始電阻值、丈量應變片的初始電阻值二構件外表處置二構件外表處置三貼片三貼片四固化四固化五導線焊接與固定五導線焊

7、接與固定接線端子接線端子六粘貼質量檢查六粘貼質量檢查七應變片的防潮維護七應變片的防潮維護四、應變片的粘貼技術和防四、應變片的粘貼技術和防護護四、應變片的粘貼技術和防四、應變片的粘貼技術和防護護第二節第二節 應變式傳感器應變式傳感器 應變片直接感受應變或應力。應變片直接感受應變或應力。 丈量時，將應變片粘貼在彈性元件試件上，當外力丈量時，將應變片粘貼在彈性元件試件上，當外力作用到彈性元件試件上時，彈性元件被緊縮或拉伸，作用到彈性元件試件上時，彈性元件被緊縮或拉伸，即產生微小的機械變形，粘貼在彈性元件上的應變片感遭到即產生微小的機械變形，粘貼在彈性元件上的應變片感遭到應力應力的作用，根據虎克定律，

8、應變的作用，根據虎克定律，應變與應力與應力成正比，成正比，=E 又由應變效應可知，應變片的應變又由應變效應可知，應變片的應變與電阻值的相對變化與電阻值的相對變化dR/R成正比，所以，實現了對微小機械變量的丈量。成正比，所以，實現了對微小機械變量的丈量。五、應變式傳感器丈量電路五、應變式傳感器丈量電路一單臂義務一單臂義務 U E K/ 4 二半橋義務二半橋義務 U E K/ 2 三全橋義務三全橋義務 U E k 六、應變片的溫度誤差與補償六、應變片的溫度誤差與補償1 1應變片的電阻絲具有一定溫度系數；應變片的電阻絲具有一定溫度系數； 1、溫度誤差、溫度誤差 應變片的阻值受環境溫度應變片的阻值受環

9、境溫度(包括被測試件的溫包括被測試件的溫度度)影響很大。主要要素有兩點：影響很大。主要要素有兩點： 設環境引起的構件溫度變化為t時，粘貼在試件外表的應變片敏感柵資料的電阻溫度系數為t,那么應變片產生的電阻相對變化為:ttRR 12 2電阻絲資料與測試資料的線膨脹系數不同。電阻絲資料與測試資料的線膨脹系數不同。1、溫度誤差、溫度誤差由于敏感柵資料和被測構件資料兩者線膨脹系數不同，當由于敏感柵資料和被測構件資料兩者線膨脹系數不同，當t t 存在時，引起應變片的附加應變，其值為存在時，引起應變片的附加應變，其值為tget)(2式中e 試件資料的線性膨脹系數； g為敏感柵資料的線膨脹系數。tgeKRR

10、 )(2相應的電阻相對變化為：相應的電阻相對變化為：六、應變片的溫度誤差與補償六、應變片的溫度誤差與補償六、應變片的溫度誤差與補償六、應變片的溫度誤差與補償1、溫度誤差、溫度誤差tgetttKRRRRRR)(21溫度變化構成的總電阻相對變化為：六、應變片的溫度誤差與補償六、應變片的溫度誤差與補償1 1單絲自補償應變片單絲自補償應變片選擇與膨脹使應選擇與膨脹使應變片產生電阻變化相反的敏感柵資料。變片產生電阻變化相反的敏感柵資料。 2、溫度補償、溫度補償常見的溫度補償措施有主要有以下三方面：常見的溫度補償措施有主要有以下三方面：tgetttKRRRRRR)(21由溫度變化構成的總電阻相對變化表達式

11、得知：0)(tgettKtgetK)(只需只需六、應變片的溫度誤差與補償六、應變片的溫度誤差與補償1 1單絲自補償應變片單絲自補償應變片2、溫度補償、溫度補償常見的溫度補償措施主要有以下三方面：常見的溫度補償措施主要有以下三方面：2 2雙絲組合式自補償應變片雙絲組合式自補償應變片由兩種不同電阻溫度系數由兩種不同電阻溫度系數( (一種為正值，一種為負值一種為正值，一種為負值) )的的資料串聯組成敏感柵資料串聯組成敏感柵 六、應變片的溫度誤差與補償六、應變片的溫度誤差與補償1 1單絲自實償應變片單絲自實償應變片 2、溫度補償、溫度補償常見的溫度補償措施有主要有以下三方面：常見的溫度補償措施有主要有

12、以下三方面：2 2雙絲組合式自補償應變片雙絲組合式自補償應變片3 3電路補償法電路補償法利用利用電橋相鄰相等二臂同時產生電橋相鄰相等二臂同時產生太小相等、符號一樣的電阻太小相等、符號一樣的電阻量不會破壞電橋平衡的特性量不會破壞電橋平衡的特性來到達補償的目的。來到達補償的目的。 六、應變片的溫度誤差與補償六、應變片的溫度誤差與補償要到達完全補償，需滿足以下三個條件要到達完全補償，需滿足以下三個條件 Rl和R2須屬于同一批號，即它們的電阻溫度系數、線膨脹系數、應變靈敏系數都應一樣，兩片的初始電阻值也要求一樣； 用于粘補助償片的構件和粘貼義務片的試件兩者資料必需一樣，即要求兩者線膨脹系數相等； 兩應

13、變片處于同一溫度環境中。 七、應變式傳感器的運用七、應變式傳感器的運用應變式傳感器廣泛運用于稱重和測力領域。應變式傳感器廣泛運用于稱重和測力領域。 一是作為敏感元件，直接用于被測試件的應變丈量；二是作為轉換元件，經過彈性元件構成傳感器，用以對任何能轉變成彈性元件應變的其他物理量作間接丈量。 應變式傳感器有兩種類型：應變式傳感器有兩種類型：1 1、柱式力傳感器、柱式力傳感器2 2、梁式力傳感器、梁式力傳感器七、應變式傳感器的運用七、應變式傳感器的運用 ( (一一) )柱式力傳感器原理柱式力傳感器原理外形圖內部圖七、應變式傳感器的運用七、應變式傳感器的運用 ( (一一) )柱式力傳感器原理柱式力傳

14、感器原理外形圖展開圖七、應變式傳感器的運用七、應變式傳感器的運用 ( (一一) )柱式力傳感器運用柱式力傳感器運用1 1、稱重式料位計、稱重式料位計七、應變式傳感器的運用七、應變式傳感器的運用 ( (一一) )柱式力傳感器運用柱式力傳感器運用2 2、電子皮帶秤、電子皮帶秤電子皮帶稱的稱重框架表示圖電子皮帶稱的稱重框架表示圖七、應變式傳感器的運用七、應變式傳感器的運用 ( (一一) )柱式力傳感器運用柱式力傳感器運用2 2、電子吊車秤、電子吊車秤荷重傳感器安裝在吊車上的方式荷重傳感器安裝在吊車上的方式傳感器傳感器防改動臂防改動臂信號電纜信號電纜荷重傳感器安裝在鋼絲繩固定端方式荷重傳感器安裝在鋼絲

15、繩固定端方式傳感器傳感器動滑輪動滑輪卷揚筒卷揚筒定滑輪定滑輪七、應變式傳感器的運用七、應變式傳感器的運用 ( (二二) )梁式力傳感器原理梁式力傳感器原理 梁的固定端寬度為梁的固定端寬度為b0b0，自在端寬度，自在端寬度為為b b，梁長為，梁長為L L，梁厚為，梁厚為h h。這種彈性元。這種彈性元件的特點是，其截面沿粱長方向按一定件的特點是，其截面沿粱長方向按一定規律變化，當囊中力規律變化，當囊中力F F作用在自在端時，作用在自在端時，距作用力任何間隔距作用力任何間隔z z的截面上應力的截面上應力a a相等。相等。因此，沿著這種梁的長度方向上的截面因此，沿著這種梁的長度方向上的截面抗彎模量抗彎

16、模量的變化與彎矩的變化與彎矩M M的變化成正的變化成正比即：比即：EhbFxx26七、應變式傳感器的運用七、應變式傳感器的運用 ( (二二) )梁式力傳感器運用梁式力傳感器運用 1 1、手提電子稱、手提電子稱 手提式電子秤，本錢低，稱重手提式電子秤，本錢低，稱重精度高，攜帶方便，適于購物時用。精度高，攜帶方便，適于購物時用。 它采用準s型的雙孔彈性體作為稱重傳感器的測力元件，重力P作用在中心線上。四片箔式電阻應變片粘貼在彈性體雙孔的外側位置處。雙孔彈性體可簡化為在一端遭到力偶M的作用，其大小與重力P及雙孔彈性體長度有關。 七、應變式傳感器的運用七、應變式傳感器的運用 ( (二二) )梁式力傳感

17、器運用梁式力傳感器運用 2 2、應變式加速度傳感器、應變式加速度傳感器 它由端部固定并帶有慣性質量塊它由端部固定并帶有慣性質量塊m m的的懸臂梁及貼在粱根部的應變片、基座及懸臂梁及貼在粱根部的應變片、基座及外殼等組成，是一種慣性式傳感器。外殼等組成，是一種慣性式傳感器。 丈量時，根據所測振動體加速度的丈量時，根據所測振動體加速度的方向，把傳感器固定在被測部位。當被方向，把傳感器固定在被測部位。當被測點的加速度沿圖中箭頭測點的加速度沿圖中箭頭n n所示方向時，所示方向時，懸臂粱自在端受慣性力懸臂粱自在端受慣性力F F硼的作用，質量硼的作用，質量塊向箭頭。相反的方向相對于基座運動，塊向箭頭。相反的

18、方向相對于基座運動，使梁發生彎曲變形，應變片電阻發生變使梁發生彎曲變形，應變片電阻發生變化，產生輸出信號，輸出信號大小與加化，產生輸出信號，輸出信號大小與加速度成正比。速度成正比。 質量塊質量塊M第三節第三節 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 什么叫壓阻式傳感器？什么叫壓阻式傳感器？ 利用硅的壓阻效應和微電子技術制成的傳感器利用硅的壓阻效應和微電子技術制成的傳感器 特點：特點： 靈敏度高、動態呼應好、精度高、易于微靈敏度高、動態呼應好、精度高、易于微型化和集成化等型化和集成化等構造：構造： 1 1、固定環、固定環 2 2、力敏電阻、力敏電阻 3 3、硅膜片、硅膜片第三節第三節 壓阻式傳感器壓阻式傳感器

19、 一、壓阻效應與壓阻系數一、壓阻效應與壓阻系數 在半導體資料上施加一作用力時，在半導體資料上施加一作用力時，其電阻率將發生顯著的變化，這種景象其電阻率將發生顯著的變化，這種景象稱為壓阻效應。稱為壓阻效應。 什么叫壓阻效應？什么叫壓阻效應？第三節第三節 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 二、義務原理二、義務原理 經過分散雜質使其構經過分散雜質使其構成四個成四個P P型力敏電阻，型力敏電阻，與硅膜片組成一體，并組與硅膜片組成一體，并組成電橋。當膜片受力后，成電橋。當膜片受力后，由于半導體的壓阻效應，由于半導體的壓阻效應，電阻阻值發生變化，使電電阻阻值發生變化，使電橋有相應的輸出。橋有相應的輸出。 ERR

20、EERR半導體的應變效應半導體的應變效應 彈性元件的虎克定律彈性元件的虎克定律 得得第三節第三節 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 二、義務原理二、義務原理 對分散硅壓力傳感器，敏感元件通常都是周邊固定的圓膜片。對分散硅壓力傳感器，敏感元件通常都是周邊固定的圓膜片。假設膜片下部受均勻分布的壓力作用時，由圖假設膜片下部受均勻分布的壓力作用時，由圖216216所示膜片的所示膜片的應力分布曲線可知以下結論。應力分布曲線可知以下結論。 縱向應力橫向應力0.635r0.812r第三節第三節 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 二、義務原理二、義務原理(1)(1)在膜片的中心處，在膜片的中心處，r=0r=0，具有最大的正應力，具有最