北理工傳感器與自動檢測技術課件02電阻式傳感器

1第二章電阻式傳感器電阻元件非電量電阻變化23§2-1電位器式傳感器4一、線繞電位器式傳感器精密電位器

機械位移信號電信號轉換元件位移51、線繞電位器的結構672、線繞電位器的輸出特性電阻靈敏度電壓靈敏度線性電位器（1）空載下8（2）負載下令分壓系數負載系數9負載誤差相對負載誤差

一定，對K求一階導數，并令其=0，得：令分壓系數負載系數10例2-1設電位器總電阻，要求負載誤差

0.1%，確定負載電阻。4、階梯特性、誤差和分辨率3、減小電位器負載誤差的方法——負載系數減小法11階梯誤差電壓分辨率行程分辨率12二、非線繞電位器式傳感器1、薄膜電位器2、導電塑料電位器基體、電阻膜帶、電刷、轉軸、導電環合成膜電位器金屬膜電位器3、光電電位器無接觸式電位器集成光電子技術光電導層暗電阻:絕緣體明電阻:良導體優點：精度、壽命、分辨率、可靠性高、阻值范圍寬缺點：溫度范圍窄、輸出電流小、輸出阻抗較高結構復雜、體積和重量大13三、電位器式傳感器的應用1、航空飛行高度傳感器142、液面高度測試儀153、電位器式位移傳感器16一、電阻應變計的結構導電材料的應變電阻效應§2-2電阻應變計的原理及特性金屬電阻應變計半導體電阻應變計：柵狀敏感柵基底粘結劑蓋層引線傳遞應變應變計工作的物理基礎——電阻應變效應17二、導電材料的應變電阻效應18軸向線應變其中，單位：“微應變”，徑向線應變軸向線應變泊淞比19（1）金屬材料的應變電阻效應（2）半導體材料的應變電阻效應——金屬材料的電阻相對變化與線應變成正比——半導體材料的電阻相對變化與線應變成正比金屬絲材的應變靈敏系數半導體材料的應變靈敏系數20（3）導電絲材的應變電阻效應金屬半導體幾何尺寸變化電阻率變化金屬絲材的應變電阻效應以結構尺寸變化為主，

Km=1.8~4.8幾何尺寸變化壓阻效應半導體材料的應變電阻效應主要基于壓阻效應21三、電阻應變計的特性1、靜態特性（1）靈敏系數K應變計的靈敏系數導電絲材的靈敏系數（2）橫向效應及橫向效應系數K與K0相同嗎？22雙向應變比雙向靈敏系數比標定條件下：橫向效應橫向效應系數直角橫柵、箔式應變計如何減小橫向效應23橫向效應系數的測定方法：R1R2兩式相除：24（3）機械滯后Zj（4）蠕變和零漂P0（5）應變極限非線性誤差達到10%的應變值——應變極限25（6）絕緣電阻幾十~幾百兆歐2、動態特性（1）對正弦應變波的響應26相對誤差27（2）對階躍應變波的響應（3）疲勞壽命恒幅交變力作用下，連續工作至疲勞損壞時的循環次數——疲勞壽命28四、應變計的溫度特性及補償1、熱輸出及原因（1）敏感柵電阻值（T）（2）線膨脹系數不匹配由于溫度變化引起的應變輸出熱輸出29例2-2：解：2、熱輸出的補償方法（1）單絲自補償30（2）雙絲自補償（3）橋路補償法——相同的應變片——平衡電阻31五、電阻應變計的分類金屬絲式應變計金屬箔式應變計半導體應變計箔式應變計的優點：減小橫向效應接觸面大增大輸出電流強度3233靈敏度高半導體應變計體型擴散型：感壓硅膜34§2-3測量電路及電阻應變儀例2-3：

變化

電阻應變計電橋電路機械應變U(I)變化電阻應變儀放大、顯示35一、應變電橋雙臂應變電橋單臂應變電橋全臂應變電橋直流電橋：R交流電橋:R、L、C不平衡橋式：偏差測量法（動態）平衡橋式：零位測量法（靜態）半等臂電橋全等臂電橋工作方式橋臂關系電源負載工作臂電壓輸出橋：功率輸出橋：U、I電源端對稱輸出端對稱36二、直流電橋及輸出特性初始平衡條件：或此時1、電壓輸出橋的輸出特性37ABC：ADC：電橋平衡條件：38橋臂比：線性部分：非線性部分：39討論：全等臂電橋半等臂對輸出端對稱電橋線性部分：40（1）電橋的靈敏度（2）電橋的非線性補償措施：加減特性，雙臂或四臂差動工作方式K：金屬半導體（3）電橋的加減特性對象：全等臂電橋、對輸出端對稱電橋“相鄰臂相減，相對臂相加”41①一個橋臂R1工作，②兩個相鄰橋臂工作，42③兩個相對橋臂工作，④全臂工作，43電橋加減特性——“相鄰臂相減，相對臂相加”例2-4：分析橋路補償塊法進行溫度補償的原理解：44例2-5解：45例2-6

利用全橋測量提高靈敏度并實現溫度補償。解：

462、功率輸出橋的輸出特性輸出功率最大的條件：47（1）全等臂電橋（2）半等臂對輸出端對稱電橋48討論：（1）電壓橋與功率橋的輸出特性規律相同，非線性誤差也一樣。（2）相對臂相加，相鄰臂相減。（3）電壓橋輸出電壓為功率橋的兩倍。全等臂電橋、半等臂對輸出端對稱電橋半等臂對電源端對稱電橋49平衡條件或三、交流電橋及其平衡1、交流電橋平衡條件50（1）電阻調平法2、交流電橋的調平方法①串聯電阻法②并聯電阻法51（2）電容調平法①差動電容法②阻容調平法52§2-4電阻應變式傳感器的應用一、應變式傳感器的特點1、優點①應用和測量范圍廣②精度和靈敏度高③頻率響應特性好對復雜環境的適應性強商品化④⑤2、缺點①大應變下的非線性②屏蔽措施③不能測應力梯度的變化0.1%~0.01%幾十~上百KHz53二、應變計的使用1、應變計的型號代號542、應變計的選用（1）選擇類型(a)、(f)、(i)：直角應變花(b)、(g)：45。應變花(c)：±45。應變花(d)、(e)：縱向、橫向應變計鏈(h)：殘余應變計55例2-9

裂紋探測應變計56例2-10

膜片式應變壓力傳感器周邊固定的圓形金屬膜片徑向應變切向應變徑向負應變切向正應變57（2）材料考慮（3）阻值選擇（4）尺寸選擇敏感柵、基底材料電阻應變儀：120Ω提高靈敏度：大阻值

應變梯度較大：柵長較小

瞬態及高頻動態應變：柵長較小

3、應變計的使用方法（1）粘結劑的選擇（2）應變片的粘貼①②③④⑤⑥準備涂膠貼片復查接線防護594、應用舉例例2-11

筒形結構的稱重傳感器FFF彈性元件傳感元件(應變片)被測非電量電阻應變（1）應變式力傳感器電子自動秤60F61（2）應變計式加速度傳感器慣性系統：aF適用頻率：10~60Hz62（3）應變計式位移傳感器測量范圍：0.1um~0.1mm角位移傳感器63（4）應變式扭矩傳感器力矩：轉動狀態L、D——扭矩軸的軸長、軸直徑G——扭矩軸的彎曲系數T——扭矩扭矩角：單位：N.m壓縮力拉伸力軸的扭轉彈性形變程度64參考文獻：“電阻應變式傳感器彈性元件的設計探討”，

《傳感器世界》，2001年7期2、“差動電阻式傳感器及自動化網絡測量系統在安全監測系統中的應用”，傳感器世界》，2001年9期65

粘貼在拉伸試件上的4個應變計，有（a）、（b）、（c