1、2 第二章第二章 电阻式传感器原理与应用电阻式传感器原理与应用 电阻式传感器的基本原理基本原理是将被测非电量的变化将被测非电量的变化转变成电阻值的变化转变成电阻值的变化，通过测量电阻值达到测量非电量的目的。(分类及应用)按工作原理按工作原理变阻器式（电位器式）变阻器式（电位器式）电阻应变式电阻应变式压阻式压阻式热电阻式（温度检测时具体讲）热电阻式（温度检测时具体讲）M 精度高，测量范围广；M 频率响应特性好；M 结构简单，尺寸小，重量轻；M 可在高低温、高速、高压等恶劣环境下工作；M 易于实现小型化，固态化；M 价格低廉，品种多样，便于选择；M 但在大应变状态具有明显非线性；M 由于输出信号微
2、弱，抗干扰能力差；M 只能测出为应变片区域的平均应变。特点：特点：2.1 应变式传感器各种电子秤各种电子秤广泛应用于广泛应用于机械秤包装机机械秤包装机吊秤吊秤 当弹性元件感受被测物理量时，其表面产生应变应变，粘贴在弹性元件表面的电阻应变片的电阻值将随着弹性元件弹性元件的应变而相应变化相应变化。2.1 应变式传感器电阻应变式传感器由弹性元件弹性元件和电阻应变片电阻应变片构成。应用原理：应用原理：通过测量电阻应变片的电阻值变化，可以用来测量位移位移、加速度加速度、力力、力矩力矩、压力压力等参数。应用：应用：应变片外力作用被测对象表面产生微小机械变形 电阻值发生相应变化 应变片敏感栅随同变形 位移、
3、力、力矩加速度、压力弹性敏感元件 应变 应变传感器实物两端梁悬臂梁扭矩传感器压力传感器位移传感器测力传感器n2.1.1 金属电阻应变片工作原理n2.1.2 电阻应变片的主要特性n2.1.3 测量电路n2.1.4 应变式传感器应用2.1 应变式传感器2.1.1 金属电阻应变片的工作原理1.电阻应变效应SlRF l、S、R 电阻应变效应：金属丝的电阻值随着其在外力作用外力作用下发生机械形变机械形变（拉伸或压缩）的大小而发生相应变化相应变化的现象。设一根长度l，截面积S，电阻率为 的金属丝，其电阻为 SlRlnlnlnlnSdSldldRdRSlRSSllRR导数的概念：xy对于半径为r的圆导体，S
4、=r2，S/S=2r/r又由材料力学可知，在弹性范围内，Errll/,/,/)21(ERR 为导体的纵向应变纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；为电阻丝材料的泊松比泊松比，一般金属=0.30.5；为压阻系数压阻系数，与材质有关；为应力值应力值；E为材料的弹性模量弹性模量；电阻丝的灵敏系数/210RRk21/0k材料的电阻率随应变引起的（压阻效应）（压阻效应）金属电阻应变片：k0值主要由几何尺寸变化所决定，k01+2半导体应变片：k0值主要是由电阻率相对变化所决定0kRR灵敏系数灵敏系数：通常为单位应变所引起的电阻值的相对变化。材料的几何尺寸变化引起的 （应变效应）（应变效应）n金属丝式
5、n金属箔式 n金属薄膜式回线式短接式 n金 属n半导体材料 2.应变片的基本结构与种类 敏感栅 核心金属应变片 基 底 绝缘 覆盖层 保护 丝式敏感栅 箔式 薄膜式（1）金属丝式应变片0)21(KRR 金属电阻丝应变片的基本结构 1-基底；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线 对于金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略，因此 由此可见，应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比，并且对同一电阻材料，K0=1+2是常数。其灵敏度系数 多在1.73.6之间。0K 丝式应变片：由电阻丝、基底、覆盖层、引出线和粘结剂组成。敏感栅（2）金属箔式应变片 在绝缘基底上，将厚度为0.0030.0
6、1mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。横向效应可以忽略。蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。电阻值的分散性大 阻值调整 工艺复杂，成本高，不适合高温环境工作优点：优点：缺点：缺点：（3）金属薄膜应变片 优点：应变灵敏系数大 允许电流密度大 工作范围广 易实现工业化生产缺点：难控制电阻与温度和时间的变化关系 电阻应变片必须被粘在试件或弹性元件上才能工作2.1.2 电阻应变片的主要特性n选用应变片时，要考虑应变片的性能参数，主要
7、有：应变片 的电阻值、灵敏度、允许电流和应变极限等。n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n电阻系列：60、120、200、350、600、1000 可以加大应变片承受电压 电阻值大 输出信号大 敏感栅尺寸也增大 1.灵敏系数RRk/实验条件：试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致试件材料的泊松系数=0.285的钢材。电阻应变片的灵敏系数k 电阻丝的灵敏系数k0 粘结层传递变形失真存在有横向效应 原因：当金属丝做成应变片后，其电阻的应变特性与金属单丝情况不同，必须用实验方法对应变片的电阻的应变特性重新测定。（实验结果）2.横向效应敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成纵
8、栅：纵向拉应变x，电阻横栅：横向压应度y 电阻 K (箔式应变片)yxy 应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。3.温度误差及其补偿（1）温度误差 温度误差：由于测量现场环境温度改变而给测量带来的附加误差。产生因素电阻温度系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响电阻温度系数的影响 敏感栅电阻随温度的变化关系表示式为：敏感栅材料电阻温度系数 T温度变化值)1(0TRRT0TTTn当环境温度变化T 时，电阻丝相对变化为00TTRRR
9、RT线膨胀系数的影响 当温度变化T时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化。0000()TTgsRR KR KT2200TTgllllT210()TTTgsllllT 0()TTgslTlTllllsTT00110lsg粘贴在试件上的应变丝的长度应变丝的线膨胀系数试件的线膨胀系数相应的虚假应变输出为000/()TTgsRRTTKK 由上面的推导可得，由于温度变化而引起的总电阻变化为000()TTTgsRRRRTR KT 总附加虚假应变量 由此可知，由于温度变化而引起的附加电阻给测量带来误差，该误差不仅与环境温度有关，还与应变片本身的性能参数
10、（，）及试件的线膨胀系数 有关。0Ksg 电桥补偿法 U0R1R4R3UFFR10143()BUA R RR R01143()()0tBBtUA RRRRRR011143()()tBBtUA RRR RRR R11RRKBRBRn优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好n缺点：在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完缺点：在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完 全一致的情况，因而影响补偿效果。全一致的情况，因而影响补偿效果。(2)温度补偿 单丝自补偿法单丝自补偿法 自补偿法自补偿法 组合式自补偿法组合式自补偿法 线路
11、补偿法线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻电桥补偿法、热敏电阻常用的最好的补偿方法014UAR R K 应变片的自补偿法 n定义：粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温 度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法 称为应变片自补偿法应变片自补偿法。n应变片自补偿方法：a.选择式自补偿应变片 b.双金属敏感栅自补偿应变片 a.选择式自补偿应变片 优点：容易加工，成本低缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。实现温度补偿的条件为 当被测试件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料，使下式成立 即可达到温度自补偿的目的。0)(0tKt
12、sgt)(0sgKR1R2组合自补偿法b.双金属敏感栅自补偿应变片（组合式自补偿应变片）敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成 选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足 t2t1)()(RR通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达0.45m/的高精度)()(/111222112221ggttKKRRRRRR热敏电阻补偿 T KRtUiR1RR4R3U0R2RtR5 分流电阻分流电阻 UURt U=Ui-URtK应变片主要性能指标举例应变片主要性能指标举例 电桥分类电桥分类直流电桥交流电桥平衡电桥不平衡电桥单臂电桥半桥全桥2.1.3
13、 电阻应变片的测量电路 1.直流电桥 直流电桥的工作原理直流电桥的工作原理)()()(-214343214321L3241LRRRRRRRRRRRRRRRRRUI 时电桥平衡时电桥平衡平衡条件平衡条件:R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 R1R2R4R3UILRLL0I 当电桥后面接放大器时,由于放大器的输入电阻远比电桥电阻大的多，所以电桥输出端可以看成开路.电桥的输出式为：)(432132410RRRRRRRRUU当电桥各臂均有相应的电阻增量时)()()(44332211332244110RRRRRRRRRRRRRRRRUU若采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R 时，)2)(2
14、()(4321324143210RRRRRRRRRRRRRRRUU当Ri R (i=1,2,3,4)时，略去上式中的高阶微小量，则 RRRRRRRRUU432104432104UKU高阶分量包括：RRRRRRRRRRRR222243213241；上式表明：Ri R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。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。电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大
15、工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。单臂电桥，即R1桥臂变化R，理想的线性关系 RRUU402.单臂电桥非线性误差及其补偿实际输出电压 10211424RRRRURRRUU电桥的相对非线性误差为 KRRRRRRUU2121121112111100减小非线性误差采用的措施为：（1）采用半桥差动电桥 R1R2F4332211110RRRRRRRRRUUU0R1R1R4R3UR2R2RRUU20R1R2R3R4=R，R1R2=R 严格的线性关系电桥灵敏度比单臂时提高一倍温度补偿作用输出电压为：输出电压为：RRUU0如果四个桥臂电阻都由应变片替代，且使
16、两个应变片受拉，另两个受压，并将应变符号相同的应变片接到相对的桥臂上，这种接法称为全桥差动工作电路。条件：条件：R1R2R3R4=R且且R1R2=R3R4=R优点：没有非线性误差；电压灵敏度是使用单只应变片的4倍，能温度补偿U0R1R1UR2R2R4R4R3R3(2)采用全桥差动电路2.1.4 应变式传感器的应用 应变片能将应变应变直接转换成电阻的变化电阻的变化其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应变弹性元件应变式传感器的组成：弹性元件、应变片、附件（补偿元件、保护罩等）被测物理量：荷重或力主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等
17、。力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等1.应变式力传感器应变式力传感器R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF（1）柱（筒）式力传感器）柱（筒）式力传感器（a）实心圆柱）实心圆柱 （b）空心圆筒）空心圆筒 lFlESEE 弹性元件的弹性模量（2）梁式力传感器）梁式力传感器b0hEbhlF26结构简单，易加工，灵敏度高适合于5000N以下的载荷 等截面悬臂梁等截面悬臂梁0b 梁固定端宽度为 ，自由端宽度为 ，梁长为 ，梁厚为特点：n其截面沿梁长方向按一定规律变化；n集中力F作用在自由端时，距作用力任何距离的截面上应力相等；n梁长度方向上的截面抗弯模量W的
18、变化与弯矩M的变化成正比；即:b常数206hblFWMb0hlhEhblF206等强度悬臂梁等强度悬臂梁 双端固定梁双端固定梁EbhlF243薄壁圆环式力传感器薄壁圆环式力传感器 21)2/(32EbhhRF在外力作用下，各点的应力差别较大 0()()0URRUfKf FRRRUFR 测量型号特点用途520456高量程，抗冲力工业称重，测力，动态轨迹衡等 520457体积小，重量轻工业自动控制，料斗，料罐，耐压 520458高精度，应用面广吊钩秤，测力，机电结合秤520459轴套式，抗侧向力工业自动化控制，杆件测力，料斗秤 520460高精度，低价格料斗秤，皮带秤，平台秤，容器秤 520461
19、剪切式，低蠕动单轨吊秤，料斗秤，皮带秤520462高量程，动态范围大吊挂式料斗秤，电子衡器 520463高精度，低价格电子天平，电子计价秤，人体秤520464高精度，性能稳定，自动复位 电子汽车衡，料斗秤 520465精度高，抗疲劳，抗偏载能力强用于握力器等健身器材520466结构小，量程大，精度高使用于各种力值，称重等测量520467精度高，抗疲劳，抗偏载能力强使用于各种电子计价秤，厨房应变式力传感器产品展示及用途应变式力传感器应变式力传感器 FFFF各种悬臂梁各种悬臂梁FF固定点固定点固定点固定点电缆电缆各种悬臂梁各种悬臂梁 应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变式荷
20、重传感器的外形及应变片的粘贴位置应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2 R4应变式荷重传感器外形及受力位置应变式荷重传感器外形及受力位置FF应变式荷重传感器外形及受力位置应变式荷重传感器外形及受力位置FF荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。向变短，径向变长。汽车衡汽车衡汽车衡汽车衡汽车衡称重系统汽车衡称重系统电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示电子天平电子天平 电子天平的精度可达电子天平的精度可达十万分之一十万分之一人体秤人体秤 吊钩秤吊钩秤 便携式
21、便携式 应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力。常见的结构形式有筒式、膜片式和组合式等。（1 1）筒式压力传感器）筒式压力传感器 筒式压力传感器见下图，通常用于测量较大的压力。它的一端为盲孔，另一端为法兰盘与被测系统联接。应变片贴于筒的外表面，工作片贴于空心部分，补偿片贴在实心部分。2.应变式压力传感器 筒式压力传感器1工作片2补偿片（2）膜式应变式压力传感器）膜式应变式压力传感器 r膜片R1R2 R3R4膜片式压力传感器膜片式压力传感器 222)3()1(83xrhpr222)31()1(83xrhpt)3)(1(832222xrEhpr)(1(832222xrEhpt时，0
22、x,tr222183rEhptr时，rx2243)0(0hprrtt；此时222143rEhpr筒式压力传感器筒式压力传感器膜片式压力传感器膜片式压力传感器 3.应变式加速度传感器在低频（在低频（1060Hz）振动测量中得到广泛的应用）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。但不适用于频率较高的振动和冲击。应变式加速度传感器结构示意图应变式加速度传感器结构示意图1等强度梁等强度梁 2质量块质量块 3壳体壳体 4电阻应变片电阻应变片 测量原理测量原理：将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度a 运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变形被
23、粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压，即可得出加速度a值的大小。适用范围适用范围：不适用于频率较高的振动和冲击场合，一般适用频率为1060 Hz范围。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。压力传感器因其高精度与小体积等特点，广泛适用于水利水电、海洋勘测等领域的水、液位测量。昆山双桥传感器测控技术有限公司开发了CYG900X专用海洋波浪测试采集仪，实现了无
24、人职守的长期长距离高精度海洋波浪与潮汐测试。CYG900X采集仪主要由高速单片处理器，完成整个系统的调度控制功能。由定时电路记录采集时间，并准确控制采样间隔时间、采样持续时间等工作参数，实现自动定时采集无人职守的功能。采集数据存储于内部大容量闪存，大容量闪存实现长时间采集要求，采集时间可长达30天以上。通过RS232串口通讯接口设置工作参数，采样频率、采样间隔时间、采样持续时间等均可通过软件设定。采集信号采用频率信号传输，有效地解决了远距离信号传输衰减严重的难点，可以传输100米以上的距离。应用案例压力传感器在海洋波浪采集的应用 通过USB通信口，提取采集数据，对于采集后的数据，具有一定的自动数据分析和统计功能，提取出对于用户来说有价值的数据，如：最大值，最小值，以及平均值。通过相应的配套软件，还可以利用采集数据画出海浪的变化曲线图，得出某一地域的某一时间段的海浪变化特点。系统应用图：End the 2.1
