電阻式傳感器-課件

2023/9/261第2章電阻式傳感器概述教學(xué)任務(wù)和經(jīng)典應(yīng)用案例第一節(jié)電位器式傳感器第二節(jié)應(yīng)變式傳感器第三節(jié)壓阻式傳感器電阻式傳感器的應(yīng)用2023/8/21第2章電阻式傳感器概述12023/9/261.概述

電阻式傳感器是一種能被被測量(如位移、力、壓力、扭矩、加速度等)的變化轉(zhuǎn)換成敏感元件電阻的變化，再通過變換電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓或電流信號輸出的一種傳感器。它的種類較多，有電位器式。應(yīng)變式。壓阻式、熱阻、熱敏、氣敏、濕敏等多種。一般來說，電阻式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，靈敏度較高，有的還使用于動態(tài)測量。教材的本章內(nèi)容包括：第一節(jié)電位器式傳感器第二節(jié)應(yīng)變式電阻傳感器（重點(diǎn)）（原理、結(jié)構(gòu)、特性、轉(zhuǎn)換電路、應(yīng)用等）2.3壓阻式傳感器（簡單介紹，與應(yīng)變式比較）2023/8/21.概述電阻式傳感器是一種能被被測22023/9/263各種常用的電阻式傳感器2023/8/23各種常用的電阻式傳感器32.教學(xué)任務(wù)和經(jīng)典應(yīng)用案例：任務(wù)1：直滑式電位器控制氣缸活塞行程2.教學(xué)任務(wù)和經(jīng)典應(yīng)用案例：任務(wù)1：直滑式電位器控制氣缸活塞42023/9/265任務(wù)2：電子臺秤的重量檢測日常生活中常用的電子秤2023/8/25任務(wù)2：電子臺秤的重量檢測日常生活中常用的5根據(jù)電子臺秤的稱重范圍及使用要求，選用懸臂梁式電阻應(yīng)變傳感器作為測力傳感器。結(jié)構(gòu)示意圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)根據(jù)電子臺秤的稱重范圍及使用要求，選用懸臂梁式電阻應(yīng)變傳感器6第一節(jié)電位器式傳感器1.常見電位器式傳感器第一節(jié)電位器式傳感器1.常見電位器式傳感器72023/9/2682.電位器式傳感器工作原理導(dǎo)體的電阻R可表示為：由上式可見：在均質(zhì)導(dǎo)體中，電阻與其長度成正比。2023/8/282.電位器式傳感器工作原理導(dǎo)體的電阻R可82023/9/269(1)、直線式（滑線式）電阻器1—電阻絲；2—骨架；3—滑臂圖

電位器式傳感器原理圖

如果把它作為變阻器使用，假定全長為xmax的電位器其總電阻為Rmax，電阻沿長度均勻分布，則當(dāng)滑臂由A向C移動x后，A點(diǎn)到電刷間的阻值為：2023/8/29(1)、直線式（滑線式）電阻器1—電阻絲；9若把它當(dāng)作分壓器使用，假定加在電位器A、C之間的電壓為Umax，則空載輸出電壓為：

右圖所示為電位器式角度傳感器。其中1為電阻絲；2為滑臂；3為骨架。作變阻器使用時，電阻Rα與角度α的關(guān)系為：圖

電位器式角度傳感器原理圖(2)、角度式（旋轉(zhuǎn)式）電阻器

作分壓器使用時，空載輸出電壓Uα與角度α的關(guān)系為

:若把它當(dāng)作分壓器使用，假定加在電位器A、C之間的電壓10

一般情況下電位器接有負(fù)載，并且負(fù)載電阻和電位器電阻的比值為有限值，帶負(fù)載的電位器電路如下圖所示。負(fù)載電阻為RL，此時電位器輸出電壓UL為：

可見，輸出電壓UL與位移X呈非線性關(guān)系。只有當(dāng)RL=∞時，輸出電壓UL與位移X間才是線性關(guān)系。一般情況下電位器接有負(fù)載，并且負(fù)載電阻和電位器電阻的113.電位器式傳感器應(yīng)用任務(wù)1：直滑式電位器控制氣缸活塞行程3.電位器式傳感器應(yīng)用任務(wù)1：直滑式電位器控制氣缸活塞行程12應(yīng)用2：應(yīng)用2：13機(jī)器人原理：電機(jī)->轉(zhuǎn)角

->電位器

->電阻應(yīng)用3：機(jī)器人機(jī)器人原理：電機(jī)->轉(zhuǎn)角應(yīng)用3：機(jī)器人14第二節(jié)應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式電阻傳感器是目前用于測量力、壓力、力矩、位移、應(yīng)變、加速度、質(zhì)量等參數(shù)最為廣泛的傳感器之一。它是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)制造的一種測量微小機(jī)械變量的傳感器。應(yīng)變式電阻傳感器有金屬絲、金屬箔式、薄膜式和半導(dǎo)體式等幾種。應(yīng)變式電阻傳感器性能穩(wěn)定、精度較高?？勺鳛楦呔葴y量傳感器，前三種應(yīng)變式電阻傳感器的靈敏度較低。金屬絲式金屬箔式半導(dǎo)體式第二節(jié)應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式電阻傳感器是目前用于15S形拉壓式柱式懸臂梁式橋式輪輻式S形拉壓式柱式懸臂梁式橋式輪輻式1631-敏感元件；2-保護(hù)層；3-引線；4-基底。電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：31-敏感元件；2-保護(hù)層；3-引線；4-基底。電阻應(yīng)變片的17應(yīng)變式電阻傳感器的核心元件是電阻應(yīng)變片。金屬電阻應(yīng)變片由敏感柵（電阻絲）、基片（底）、覆蓋層和引線等部分組成。①敏感柵是轉(zhuǎn)換元件，由金屬絲或金屬箔制成，它被粘貼在基體上，通過基體把應(yīng)變傳遞給它。②基底起絕緣及保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置的作用，厚度一般為0.02~0.05mm。③覆蓋片（保護(hù)層）起保護(hù)敏感柵作用。④引出線焊接于敏感柵兩端，作連接測量導(dǎo)線之用。粘結(jié)劑將敏感柵、基底、覆蓋片粘接在一起。常用的粘結(jié)劑類型有硝化纖維素型、氰基丙稀酸型、聚酯樹脂型、環(huán)氧樹脂型和酚醛樹脂型等。應(yīng)變式電阻傳感器的核心元件是電阻應(yīng)變片。金屬電18一、應(yīng)變式傳感器工作原理應(yīng)變效應(yīng)金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在受到外力的作用時，會產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械變形（又稱應(yīng)變），其電阻值也將隨之發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。用具有應(yīng)變效應(yīng)的細(xì)導(dǎo)體做成的電阻稱為電阻應(yīng)變片。電阻應(yīng)變式傳感器主要由電阻應(yīng)變片和測量轉(zhuǎn)換電路等組成。1.電阻應(yīng)變片工作原理一、應(yīng)變式傳感器工作原理應(yīng)變效應(yīng)金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料191.電阻應(yīng)變片工作原理設(shè)有一長度為L、截面積為A、半徑為r、電阻率為

的金屬單絲，它的電阻值R可表示為：當(dāng)導(dǎo)體受軸向力F拉伸（或壓縮）時，其l,A和ρ均發(fā)生變化。因而電阻隨之變化。由上式可得電阻的相對變化dR為：

上式中稱為軸向線應(yīng)變（縱向應(yīng)變），常用單位為微應(yīng)變

。1

=10-6mm/mm。1.電阻應(yīng)變片工作原理設(shè)有一長度為L、截面積為A、半202023/9/2621根據(jù)上式，電阻絲的應(yīng)變效應(yīng)為：上式，說明應(yīng)變片電阻變化率是幾何效應(yīng)（1+2μ）項(xiàng)和壓阻效應(yīng)dρ/ρ項(xiàng)綜合的結(jié)果。由A=r2

，根據(jù)材料力學(xué)中的泊松效應(yīng)，對于彈性材料在彈性范圍內(nèi)的橫向應(yīng)變(dr/r)與縱向應(yīng)變(dl/l)之比為常數(shù)，；

泊松比。2023/8/221根據(jù)上式，電阻絲的應(yīng)變效應(yīng)為：上212023/9/26222.靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)的物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化。當(dāng)金屬材料確定后，應(yīng)變片的電阻變化率取決于材料的幾何形狀變化，其靈敏度系數(shù)為：①對于金屬材料，由于壓阻效應(yīng)極小，即dρ/ρ﹤﹤1因此有：金屬材料的電阻相對變化與電阻絲軸向應(yīng)變成正比。2023/8/2222.靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)的物理意222023/9/2623②對于半導(dǎo)體，由于dρ/ρ項(xiàng)的數(shù)值遠(yuǎn)比（1+2μ）ε項(xiàng)大，即半導(dǎo)體電阻變化率取決于材料的電阻率變化，因此：依半導(dǎo)體材料的壓電電阻效應(yīng)可知：由此可得半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻變化率的表達(dá)式為：靈敏度系數(shù)為：③常用的應(yīng)變片靈敏度系數(shù)大致是：金屬導(dǎo)體應(yīng)變片約為2左右，半導(dǎo)體應(yīng)變片約為100~200.2023/8/223②對于半導(dǎo)體，由于dρ/ρ項(xiàng)的數(shù)值232023/9/26243.測量原理在外力作用下，被測對象產(chǎn)生微小機(jī)械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化，同時應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測得應(yīng)變片電阻值變化量

R時，便可得到被測對象的應(yīng)變值。根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，得到應(yīng)力值

為：式中，

為試件的應(yīng)力；

為試件的應(yīng)變；E為試件材料的彈性模量。2023/8/2243.測量原理在外力作用下，被測對象產(chǎn)生微24二、測量電路

1.直流電橋電路

直流橋式電路由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小，要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測量出來，同時要把電阻相對變化ΔR/R轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。因此，需要有專用測量電路用于測量應(yīng)變變化而引起電阻變化的測量電路，通常采用直流電橋和交流電橋。當(dāng)電橋各橋臂滿足如下條件時：電橋輸出電壓為0，電橋處于平衡狀態(tài)。二、測量電路1.直流電橋電路直流橋式電路由于25應(yīng)變片測量電橋時，在工作前應(yīng)使電橋平衡，初始條件為：2.電橋工作方式

常見的橋路構(gòu)成包括單臂、雙臂和全橋幾種形式。(1)單臂半橋

橋路中只有一個橋臂參與構(gòu)件的機(jī)械變形。R1為電阻應(yīng)變片，R2、R3、R4為固定電阻（即

R2=

R3=

R4=0）。起始時，應(yīng)變片R，未承受應(yīng)變，電橋平衡：R1R4=R2R3，此時U0=0。當(dāng)應(yīng)變片R1承受應(yīng)變時，若R1增大為R1+

R1，此時，電橋的輸出電壓為:應(yīng)變片測量電橋時，在工作前應(yīng)使電橋平衡，初26通常情況下，

R＜＜R所以：由電阻-應(yīng)變效應(yīng)，則上式可以寫成：(2)雙臂半橋

雙臂電橋電路將兩個應(yīng)變片接入電橋相鄰橋臂上。半橋測量時，橋路中相鄰的兩個橋臂參與構(gòu)件的機(jī)械變形。電阻R1、R2為應(yīng)變片，R3、R4為固定電阻。當(dāng)應(yīng)變片承受應(yīng)變時，R1增大為R1+

R，同時R2減小為R2-

R，輸出的橋壓為：通常情況下，R＜＜R所以：由電阻-應(yīng)變效應(yīng)，則上式可以寫成27(3)四臂全橋電阻R1、R2、R3、R4均為應(yīng)變片。橋路中四個橋臂全部參與構(gòu)件機(jī)械變形。當(dāng)應(yīng)變片承受應(yīng)變時，則R1和R3增大

R，R2和R4減小

R，構(gòu)成全橋差動電路。此時輸出電壓為單臂電橋輸出電壓的四倍:上述三種工作方式中，四臂全橋工作方式的靈敏度最高，半橋次之，單臂電橋靈敏度最低。采用全橋（或雙臂半橋）還能實(shí)現(xiàn)溫度變化的自動補(bǔ)償，因此，一般采用四臂全橋電路。(3)四臂全橋電阻R1、R2、R3、R4均為應(yīng)變片。橋路中283.溫度誤差用應(yīng)變片測量時，由于環(huán)境溫度變化所引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，從而產(chǎn)生很大的測量誤差，這種誤差稱為應(yīng)變片的溫度誤差，又稱熱輸出。

1)

敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。當(dāng)環(huán)境溫度變化Δt時，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為αt，則引起的電阻相對變化為：

2)

試件材料的線膨脹引起的誤差。當(dāng)溫度變化Δt時，因試件材料和敏感柵材料的線性膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片產(chǎn)生附加拉長或縮短，引起的電阻相對變化：3.溫度誤差用應(yīng)變片測量時，由于環(huán)境溫度變化所引起的29因此，由于溫度變化形成的總的電阻相對變化為：4.溫度補(bǔ)償1）

單絲自補(bǔ)償法結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。2）組合式自補(bǔ)償法應(yīng)變片敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成。一種類型是選用兩者具有不同符號的電阻溫度系數(shù)。3）電路補(bǔ)償法電路相臨兩臂增加相同電阻，對電橋輸出無影響。這種方法簡便，但補(bǔ)償塊的設(shè)置受到現(xiàn)場環(huán)境條件的限制。因此，由于溫度變化形成的總的電阻相對變化為：4.溫度補(bǔ)償13031電阻應(yīng)變片可廣泛應(yīng)用于應(yīng)變應(yīng)力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量測量，分為兩大類：第一類是將應(yīng)變片貼于彈性體上，將其接至測量轉(zhuǎn)換電路，構(gòu)成測量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。第二類是將應(yīng)變片貼于被測試件上，將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測試件的應(yīng)變量。

三、電阻應(yīng)變式傳感器

31電阻應(yīng)變片可廣泛應(yīng)用于應(yīng)變應(yīng)力、彎矩、扭矩、加速31321.準(zhǔn)備：①試件——在粘貼部位的表面，用砂布或砂輪在與軸向成45°的方向交叉打磨→清洗凈打磨面→劃線，確定貼片坐標(biāo)線→均勻涂一薄層粘結(jié)劑作底；②應(yīng)變材料——外表和阻值檢查→刻劃軸向標(biāo)記→清洗。

③涂膠：在準(zhǔn)備好的試件表面和應(yīng)變計基底上均勻涂一薄層粘結(jié)劑。

2.貼片：將涂好膠的應(yīng)變計與試件，按坐標(biāo)線對準(zhǔn)貼上→用手指順軸向滾壓，去除氣泡和多余膠液→按固化條件固化處理。3.測量：從分開的端子處，預(yù)先用萬用表測量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。1.應(yīng)變片的粘貼321.準(zhǔn)備：①試件——在粘貼部位的表面，用砂布或砂輪在與軸32334.焊接：將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。5.固定：焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)變片。6.防護(hù)：在安裝好的應(yīng)變計和引線上涂以中性凡士林油、石蠟(短期防潮)；或石蠟—松香—黃油的混合劑(長期防潮)；或環(huán)氧樹脂、氯丁橡膠、清漆等(防機(jī)械劃傷)作防護(hù)用，以保證應(yīng)變計工作性能穩(wěn)定可靠。334.焊接：將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷332.電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測力FR1R4R22.電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測力FR1R4R2342023/9/2635任務(wù)2：電子臺秤的重量檢測日常生活中常用的電子秤案例1：電子臺秤的重量檢測2023/8/235任務(wù)2：電子臺秤的重量檢測日常生活中常用35根據(jù)電子臺秤的稱重范圍及使用要求，選用懸臂梁式電阻應(yīng)變傳感器作為測力傳感器。結(jié)構(gòu)示意圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)根據(jù)電子臺秤的稱重范圍及使用要求，選用懸臂梁式電阻應(yīng)變傳感器36案例2：沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測案例2：沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測3738案例3：汽車衡（參考無錫市奧拓自動化有限公司）

系統(tǒng)由攝像機(jī)、欄桿機(jī)、地感線圈、紅綠信號燈、射頻讀卡器、圖象采集卡、照明系統(tǒng)、電腦、打印機(jī)等組成。汽車在過磅過程中無須人員看管，自動進(jìn)行。工作流程：1、系統(tǒng)管理員將射頻卡發(fā)給司機(jī)，上面已錄入汽車車號等內(nèi)容，到離秤臺幾米遠(yuǎn)時，讀卡器檢測到車輛到來，在判定秤臺上無車輛過磅時，進(jìn)口欄桿機(jī)打開，讓車輛通過，開上秤臺；2、在車輛停穩(wěn)后，攝像機(jī)自動拍下車輛車號的照片，保存在電腦里；3、電腦讀取儀表的稱重數(shù)據(jù)并保存；

4、稱重完畢，出口欄桿機(jī)抬起，讓汽車駛出秤臺；5、出口處磅單打印機(jī)，司機(jī)撕下打印好的磅單離開；6、系統(tǒng)可以聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù)和圖像資料。參考運(yùn)行價格RMB25000元/套38案例3：汽車衡（參考無錫市奧拓自動化有限公司）38393939案例4：稱重式料位計

案例4：稱重式料位計40414141案例5：梁式應(yīng)變式加速度傳感器

案例5：梁式應(yīng)變式加速度傳感器42第三節(jié)壓阻式傳感器壓阻式傳感器:指利用單晶硅材料的壓阻