1、2022-5-271第第2 2章章 电阻式传感器电阻式传感器n概述概述n教学任务和经典应用案例教学任务和经典应用案例n第一节第一节 电位器式传感器电位器式传感器n第二节第二节 应变式传感器应变式传感器n第三节第三节 压阻式传感器压阻式传感器n电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用2022-5-271.概述概述 电阻式传感器电阻式传感器是一种能被被测量是一种能被被测量( (如如位移、位移、等等) )的变化转换成敏感元件电阻的变化，再通过变换电路转的变化转换成敏感元件电阻的变化，再通过变换电路转换为相应电压或电流信号输出的一种传感器。它的种类较多，有换为相应电压或电流信号输出的一种传感器。它的种类较
2、多，有电位器式。应变式。压阻式、热阻、热敏、气敏、湿敏等多种。电位器式。应变式。压阻式、热阻、热敏、气敏、湿敏等多种。一般来说，电阻式传感器的结构简单，性能稳定，灵敏度较高，一般来说，电阻式传感器的结构简单，性能稳定，灵敏度较高，有的还使用于动态测量。有的还使用于动态测量。 教材的本章内容包括：教材的本章内容包括：第一节第一节 电位器式传感器电位器式传感器第二节第二节 应变式电阻传感器（重点）应变式电阻传感器（重点） （原理、结构、特性、转换电路、应用等）（原理、结构、特性、转换电路、应用等）2.3 压阻式传感器（简单介绍，与应变式比较）压阻式传感器（简单介绍，与应变式比较）2022-5-27
3、3各种常用的电阻式传感器各种常用的电阻式传感器教学任务和经典应用案例教学任务和经典应用案例任务任务1：直滑式电位器控制气缸活塞行程直滑式电位器控制气缸活塞行程2022-5-275任务任务2：电子台秤的重量检测电子台秤的重量检测日常生活中常用的电子秤日常生活中常用的电子秤 根据电子台秤的称重范围及使用要求，选根据电子台秤的称重范围及使用要求，选用悬臂梁式电阻应变传感器作为测力传感器。用悬臂梁式电阻应变传感器作为测力传感器。 结构示意图结构示意图 内部结构内部结构 第一节 电位器式传感器1.常见电位器式传感器2022-5-2782.2. 电位器式传感器工作原理电位器式传感器工作原理导体的电阻导体的
4、电阻R R可表示为：可表示为：LRA 由上式可见：在由上式可见：在均质导体均质导体中，电阻与其长度中，电阻与其长度成成正比正比。2022-5-279(1)(1)、直线式（滑线式）电阻器、直线式（滑线式）电阻器11电阻丝；电阻丝；22骨架；骨架；33滑臂滑臂图图 电位器式传感器原理图电位器式传感器原理图 如果把它作为变阻器使用，假定全长为如果把它作为变阻器使用，假定全长为xmax的电位器其总电阻的电位器其总电阻为为Rmax，电阻沿长度均匀分布，则当滑臂由，电阻沿长度均匀分布，则当滑臂由A向向C移动移动x后，后，A点到电点到电刷间的阻值为：刷间的阻值为：maxmaxxxRRx 若把它当作分压器使用
5、，假定加在电位器若把它当作分压器使用，假定加在电位器A A、C C之间的电压为之间的电压为U Umaxmax，则空载输出电压为：，则空载输出电压为： 右图所示为电位器式角度传感器。其中右图所示为电位器式角度传感器。其中1 1为电为电阻丝；阻丝；2 2为滑臂；为滑臂；3 3为骨架。作变阻器使用时，电阻为骨架。作变阻器使用时，电阻R R与角度与角度的关系为：的关系为：图图 电位器式角度传感器原理图电位器式角度传感器原理图maxmaxxxUUx(2)(2)、角度式（旋转式）电阻器、角度式（旋转式）电阻器maxmaxRR 作分压器使用时，空载输出电压作分压器使用时，空载输出电压U与角度与角度的关系为的
6、关系为 :maxmaxUU 一般情况下电位器接有负载，并且负载电阻和电位器电阻的比一般情况下电位器接有负载，并且负载电阻和电位器电阻的比值为有限值，带负载的电位器电路如下图所示。负载电阻为值为有限值，带负载的电位器电路如下图所示。负载电阻为R RL L，此，此时时电位器输出电压电位器输出电压U U L L为：为： max2maxmaxxLLLxxR RUUR RR RR 可见，输出电压可见，输出电压U UL L与位移与位移X X呈非线呈非线性关系。只有当性关系。只有当R RL L=时，输出电压时，输出电压U UL L与位移与位移X X间才是线性关系。间才是线性关系。任务任务1：直滑式电位器控制
7、气缸活塞行程直滑式电位器控制气缸活塞行程应用应用2 2：机器人原理：电机原理：电机-转角转角 -电位器电位器 -电阻电阻应用3：机器人第二节 应变式传感器 应变式电阻传感器是目前用于测量应变式电阻传感器是目前用于测量力、压力、力矩、位移、应力、压力、力矩、位移、应变、加速度、质量等变、加速度、质量等参数最为广泛的传感器之一。它是基于电阻应参数最为广泛的传感器之一。它是基于电阻应变效应制造的一种测量变效应制造的一种测量微小微小机械变量的传感器。机械变量的传感器。 应变式电阻传感器有应变式电阻传感器有金属丝金属丝、金属箔式金属箔式、薄薄膜式膜式和和半导体式半导体式等几种。应变式电阻传感器性能等几种
8、。应变式电阻传感器性能稳定、精度较高。可作为高精度测量传感器，前稳定、精度较高。可作为高精度测量传感器，前三种应变式电阻传感器的灵敏度较低。三种应变式电阻传感器的灵敏度较低。金属丝式金属丝式 金属箔式金属箔式 半导体式半导体式 S形拉压式形拉压式 柱式柱式 悬臂梁式悬臂梁式桥式桥式 轮辐式轮辐式 31-敏感元件；2-保护层；3-引线；4-基底。电阻应变片的结构：电阻应变片的结构： 应变式电阻传感器的核心元件是应变式电阻传感器的核心元件是电阻电阻应变片应变片。金属电阻应变片由敏感栅（电。金属电阻应变片由敏感栅（电阻丝）、基片（底）、覆盖层和引线等阻丝）、基片（底）、覆盖层和引线等部分组成。部分组
9、成。 敏感栅是转换元件，由金属丝或金属箔制成，它被粘敏感栅是转换元件，由金属丝或金属箔制成，它被粘贴在基体上，通过基体把应变传递给它。贴在基体上，通过基体把应变传递给它。 基底起绝缘及保持敏感栅、引线的几何形状和相对位基底起绝缘及保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置的作用，厚度一般为置的作用，厚度一般为0.020.05mm0.020.05mm。 覆盖片（保护层）起保护敏感栅作用。覆盖片（保护层）起保护敏感栅作用。 引出线焊接于敏感栅两端，作连接测量导线之用。引出线焊接于敏感栅两端，作连接测量导线之用。粘结剂将敏感栅、基底、覆盖片粘接在一起。常用的粘粘结剂将敏感栅、基底、覆盖片粘接在一起。常用的
10、粘结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙稀酸型、聚酯树脂型、结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙稀酸型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等。环氧树脂型和酚醛树脂型等。 应变效应应变效应 金属导体或半导体材料在受到外力的作用时，会产生金属导体或半导体材料在受到外力的作用时，会产生相应的相应的机械变形（又称应变），机械变形（又称应变），其电阻值也将随之发生变其电阻值也将随之发生变化，这种现象称为化，这种现象称为应变效应应变效应。用具有应变效应的细导体做。用具有应变效应的细导体做成的电阻称为成的电阻称为电阻应变片电阻应变片。 电阻应变式传感器主要由电阻应变式传感器主要由电阻应变片电阻应变片和和测量转换电路测量转
11、换电路等组成。等组成。1.1.电阻应变片工作原理电阻应变片工作原理1.1.电阻应变片工作原理电阻应变片工作原理 设有一长度为设有一长度为L L、截面积为、截面积为A A、半径为半径为r r、电阻率为、电阻率为 的金属单丝，的金属单丝，它的电阻值它的电阻值R R可表示为：可表示为：2llRAr 当导体受轴向力当导体受轴向力F F拉伸（或压缩）时，其拉伸（或压缩）时，其l l, A, A和和均均发生变化。因而电阻随之变化。由上式可得电阻的相对变发生变化。因而电阻随之变化。由上式可得电阻的相对变化化dRdR为：为： dRdlddARlA 上式中上式中 称为称为轴向线应变轴向线应变（纵向应变纵向应变）
12、，常用单位为微），常用单位为微应变应变。 1 1=10=10-6-6mm/mmmm/mm。dll2022-5-2721根据上式，电阻丝的应变效应为：根据上式，电阻丝的应变效应为：212dRddR 上式，说明应变片电阻变化率是上式，说明应变片电阻变化率是几何效应（几何效应（1+21+2）项和项和压阻压阻效应效应d d/ /项项综合综合的结果。的结果。 由由A=A= r r2 2 ，根据材料力学中的根据材料力学中的泊松泊松效应效应，对于弹性材料在弹性范围内的横向应变，对于弹性材料在弹性范围内的横向应变(dr/r)(dr/r)与纵与纵向应变向应变( (dl/l)dl/l)之比为常数，之比为常数， ；
13、 泊泊松比。松比。2dAdrAr/dr rdr rdl ldl l 2022-5-2722 灵敏度系数的物理意义是灵敏度系数的物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化单位应变所引起的电阻相对变化。 当金属材料确定后，应变片的电阻变化率取决于当金属材料确定后，应变片的电阻变化率取决于材料材料的几何形状变化的几何形状变化，其灵敏度系数为：，其灵敏度系数为： 对于金属材料，由于对于金属材料，由于压阻效应极小压阻效应极小，即，即d d/ /1 1因因此有：此有：12dRR /12dR RK 金属材料的电阻相对变化与电阻丝轴向应变金属材料的电阻相对变化与电阻丝轴向应变成正比成正比。2022-5-2723d
14、 d/ /项的数值远比（项的数值远比（1+21+2）项大，即项大，即半导体电阻变化率取决于材料的电阻率变化半导体电阻变化率取决于材料的电阻率变化，因，因此：此：/dR Rd dE dRER灵敏度系数为：/dR RKE 常用的应变片灵敏度系数大致是：金属导体应变片约常用的应变片灵敏度系数大致是：金属导体应变片约为为2 2左右，半导体应变片约为左右，半导体应变片约为100200.100200.2022-5-27243.测量原理测量原理E在外力作用下，被测对象产生微小机在外力作用下，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
15、。当测得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应变片电阻值变化量 R时，便可得到被测时，便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系，对象的应变值。根据应力与应变的关系，得到应力值得到应力值 为：为： 式中，式中， 为为试件的应力；试件的应力； 为为试件的应变；试件的应变；E为试件材料的弹性模量。为试件材料的弹性模量。二、测量电路二、测量电路 1. 1. 直流电桥电路直流电桥电路 直流桥式电路直流桥式电路 由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来，同时要把电阻相对变化测量出来，同时要把电阻相对变化R/
16、 RR/ R转换为电压或电流的变化。转换为电压或电流的变化。因此，需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测因此，需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路，通常采用量电路，通常采用直流电桥直流电桥和和交流电桥交流电桥。1423R RR R310123414231234()()R ER EURRRRR RR RERRRR 当电桥各桥臂满足如下条件时：当电桥各桥臂满足如下条件时： 电桥输出电压为电桥输出电压为0 0，电桥处于平衡状态。，电桥处于平衡状态。 应变片测量电桥时，在工作前应使电桥平衡，初始条件为：应变片测量电桥时，在工作前应使电桥平衡，初始条件为： 1234R
17、RRRR2. 电桥工作方式电桥工作方式 常见的桥路构成包括常见的桥路构成包括单臂、双臂和全桥单臂、双臂和全桥几种形式几种形式 。(1) 单臂半桥单臂半桥 桥路中只有一个桥臂参与构件的机械桥路中只有一个桥臂参与构件的机械变形。变形。R1为电阻应变片，为电阻应变片，R2、R3、R4为固为固定电阻（即定电阻（即 R2= R3= R4=0）。起始时，）。起始时，应变片应变片R，未承受应变，电桥平衡：，未承受应变，电桥平衡：R1R4=R2R3，此时，此时U0=0。当应变片。当应变片R1承受承受应变时，若应变时，若R1增大为增大为R1+ R1，此时，电，此时，电桥的输出电压桥的输出电压 为为:02 (2)
18、R RUERRR 通常情况下，通常情况下， RR所以：所以：04ERUR由电阻由电阻-应变效应，则上式可以写成：应变效应，则上式可以写成：04EUk(2) 双臂半桥双臂半桥 双臂电桥电路将两个应变片接入电桥相邻桥臂上。半桥测双臂电桥电路将两个应变片接入电桥相邻桥臂上。半桥测量时，桥路中相邻的两个桥臂参与构件的机械变形。电阻量时，桥路中相邻的两个桥臂参与构件的机械变形。电阻R1、R2为应变片，为应变片，R3、R4为固定电阻。为固定电阻。当应变片承受应变时，当应变片承受应变时，R1增大为增大为R1+ R，同时同时R2减小为减小为R2- R，输出的桥压为，输出的桥压为 ：022EREUkR(3) 四
19、臂全桥四臂全桥电阻电阻R1、R2、R3、R4均为应变片。桥路中四个桥臂全部参与构均为应变片。桥路中四个桥臂全部参与构件机械变形。当应变片承受应变时，则件机械变形。当应变片承受应变时，则R1和和R3增大增大 R，R2和和R4减小减小 R，构成全桥差动电路。此时输出电压为单臂电桥输出电压的四，构成全桥差动电路。此时输出电压为单臂电桥输出电压的四倍倍 :0RUEk ER上述三种工作方式中，四臂全桥工作方式的灵敏度最高，半桥上述三种工作方式中，四臂全桥工作方式的灵敏度最高，半桥次之，单臂电桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温次之，单臂电桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度变化的自
20、动补偿，因此，一般采用四臂全桥电路。度变化的自动补偿，因此，一般采用四臂全桥电路。 用应变片测量时用应变片测量时，由于环境温度变化所引起的电阻变由于环境温度变化所引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从从而产生很大的测量误差而产生很大的测量误差，这种误差，这种误差称称为为应变片的应变片的温度误差温度误差，又称又称热输出热输出。 1)1) 敏感敏感栅电阻随温度的变栅电阻随温度的变化引起的误差。化引起的误差。当环境温度当环境温度变化变化tt时时，敏感栅材料电阻温度系数为敏感栅材料电阻温度系数为tt，则引起的电则引起的电阻相对变化为
21、阻相对变化为：()ttRtR 2) 试件材料的线膨胀引起的误差。引起的误差。当温度变化当温度变化t t时，时，因试件材料和敏感栅材料的线性膨胀系数不同，应变片产因试件材料和敏感栅材料的线性膨胀系数不同，应变片产生附加拉长或缩短，引起的电阻相对变化：生附加拉长或缩短，引起的电阻相对变化：2()()egRKtR因此，由于温度变化形成的总的电阻相对变化为：因此，由于温度变化形成的总的电阻相对变化为： 12()()()()ttegRRRtKtRRR 1 1） 单丝自补偿法单丝自补偿法 结构简单，制造方便。结构简单，制造方便。2 2） 组合式自补偿法组合式自补偿法 应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属
22、丝串接组应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成。一种类型是选用两者具有不同符号的电阻温度系数。成。一种类型是选用两者具有不同符号的电阻温度系数。3 3） 电路补偿法电路补偿法 电路相临两臂增加相同电阻，对电桥输电路相临两臂增加相同电阻，对电桥输出无影响。这种方法简便，但补偿块的设置受到现场环境出无影响。这种方法简便，但补偿块的设置受到现场环境条件的限制。条件的限制。31 电阻应变片可广泛应用于应变应力、弯矩、扭矩、电阻应变片可广泛应用于应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量测量，分为两大类：加速度、位移等物理量测量，分为两大类： 第一类是将应变片贴于弹性体上，将其接至测量转第一类
23、是将应变片贴于弹性体上，将其接至测量转换电路，构成测量各种物理量的专用应变式传感器。换电路，构成测量各种物理量的专用应变式传感器。 第二类是将应变片贴于被测试件上，将其接到应变第二类是将应变片贴于被测试件上，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。仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。 三、电阻应变式传感器 321.1.准备：试件准备：试件在粘贴部位的表面，在粘贴部位的表面，用砂布或砂轮在与轴向成用砂布或砂轮在与轴向成4545的方向交叉的方向交叉打磨打磨清洗净打磨面清洗净打磨面划线，确定贴片坐划线，确定贴片坐标线标线均匀涂一薄层粘结剂作底；均匀涂一薄层粘结剂作底；应变材料
24、应变材料外表和阻值检查外表和阻值检查刻划轴刻划轴向标记向标记清洗。清洗。涂胶：在准备好的试件表面和应变计基涂胶：在准备好的试件表面和应变计基底上均匀涂一薄层粘结剂。底上均匀涂一薄层粘结剂。 2.2.贴片：将涂好胶的应变计与试件，按坐贴片：将涂好胶的应变计与试件，按坐标线对准贴上标线对准贴上用手指顺轴向滚压，去除用手指顺轴向滚压，去除气泡和多余胶液气泡和多余胶液按固化条件固化处理。按固化条件固化处理。3.3.测量测量 ：从分开的端子处，预先用万用：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。的应变片。1.1.应变片的粘贴应变片的粘贴
25、334.4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。注意不要把端子扯断。5.5.固定：固定： 焊接后用胶布将引线和被测对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。象固定在一起，防止损坏引线和应变片。 6.6.防护：在安装好的应变计和引线上涂防护：在安装好的应变计和引线上涂以中性凡士林油、石蜡以中性凡士林油、石蜡( (短期防潮短期防潮) )；或；或石蜡石蜡松香松香黄油的混合剂黄油的混合剂( (长期防潮长期防潮) )；或环氧树脂、氯丁橡胶、清漆等或环氧树脂、氯丁橡胶、清漆等( (防机械防机械划伤划伤) )作防护用，以保证应变计工作
26、性能作防护用，以保证应变计工作性能稳定可靠。稳定可靠。2.2.电阻应变式传感器的应用：测力电阻应变式传感器的应用：测力FR 1 R4R22022-5-2735任务任务2：电子台秤的重量检测电子台秤的重量检测日常生活中常用的电子秤日常生活中常用的电子秤 案例案例1 1：电子台秤的重量检测电子台秤的重量检测根据电子台秤的称重范围及使用要求，选根据电子台秤的称重范围及使用要求，选用悬臂梁式电阻应变传感器作为测力传感器。用悬臂梁式电阻应变传感器作为测力传感器。 结构示意图结构示意图 内部结构内部结构 案例案例2 2：冲床生产记数和生产过程监测：冲床生产记数和生产过程监测38案例案例3 3：汽车衡：汽车
27、衡（参考无锡市奥拓自动化有限公司）（参考无锡市奥拓自动化有限公司） 系统由摄像机、栏杆机、地感线圈、系统由摄像机、栏杆机、地感线圈、红绿信号灯、射频读卡器、图象采集卡、红绿信号灯、射频读卡器、图象采集卡、照明系统、电脑、打印机等组成。汽车照明系统、电脑、打印机等组成。汽车在过磅过程中无须人员看管，自动进行。在过磅过程中无须人员看管，自动进行。 工作流程：工作流程： 1 1、系统管理员将射频卡发给司机，上面已录入汽车车号等内容，、系统管理员将射频卡发给司机，上面已录入汽车车号等内容，到离秤台几米远时，读卡器检测到车辆到来，在判定秤台上无车辆到离秤台几米远时，读卡器检测到车辆到来，在判定秤台上无车
28、辆过磅时，进口栏杆机打开，让车辆通过，开上秤台；过磅时，进口栏杆机打开，让车辆通过，开上秤台； 2 2、在车辆停稳后，摄像机自动拍下车辆车号的照片，保存在电脑、在车辆停稳后，摄像机自动拍下车辆车号的照片，保存在电脑里；里； 3 3、电脑读取仪表的称重数据并保存；、电脑读取仪表的称重数据并保存； 4 4、称重完毕，出口栏杆机抬起，让汽车驶出秤台；、称重完毕，出口栏杆机抬起，让汽车驶出秤台； 5 5、出口处磅单打印机，司机撕下打印好的磅单离开；、出口处磅单打印机，司机撕下打印好的磅单离开； 6 6、系统可以联网运行，远距离传送数据和图像资料。、系统可以联网运行，远距离传送数据和图像资料。参考运行价
29、格参考运行价格 RMB25000RMB25000元元/ /套套39案例案例4 4：称重式料位计：称重式料位计 41案例案例5 5：梁式应变式加速度传感器：梁式应变式加速度传感器 第三节 压阻式传感器压阻式传感器压阻式传感器: :指利用单晶硅材料的压阻效应制成的传感指利用单晶硅材料的压阻效应制成的传感器器( (单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出) )。应用：应用：压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量
30、（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。的测量和控制。半导体应变片外形半导体应变片外形44一、压阻效应的原理一、压阻效应的原理 应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为：应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为：212dRddR 因此，对半导体材料而言，电阻变化更多的取决于电阻率因此，对半导体材料而言，电阻变化更多的取决于电阻率的变化为：的变化为：dRdER/dR RKE 其中，式中其中，式中为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关；及应力方向与晶轴方向
31、之间的夹角有关；为试件的应力，为试件的应力，E E为半为半导体材料的弹性模量。导体材料的弹性模量。为试件的应变。为试件的应变。 且，半导体单晶的应变灵敏系数为：且，半导体单晶的应变灵敏系数为：45二、压阻效应的应用二、压阻效应的应用 信 号处 理电路压阻式固态压力传感器内部结构压阻式固态压力传感器内部结构46小型压阻式固态压力传感器高压进气口低压进气口低压进气口绝对压力传感器绝对压力传感器案例案例1 1：投入式液位计：投入式液位计 进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导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。压力而与液体相通。 48 压阻式固态压力传感器 光柱光柱 显示器显示器 橡胶橡胶 背压管背压管 案例案例1 1：投入式液位计：投入式液位计案例案例2 2：扩散硅式压力传感器：扩散硅式压力传感器
