CH 2 电阻式传感器

图2-8 电位器的负载特性曲线族
其中，
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r
Rx x U Y L Rmax xmax U
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2.2 电阻应变片式传感器（金属应变片+半导体 应变片）
电阻应变效应：
导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形， 其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。
分析:
设有一长度为l、截面积为S、半径为r、电阻率为的金属 单丝，它的电阻值R可表示为
R1 Uo E R1
结论：
R1 R2
+ Uo
三种工作方式中，全桥四臂工
作方式的灵敏度最高，双臂半桥次
之，单臂半桥灵敏度最低。采用全 桥（或双臂半桥）还能实现温度自
R3 R4
-
补偿。
+
E
-
温度补偿：
采用双臂半桥或全桥能实现温度自补偿的功能。当环境温 度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值 漂移数值一致，代入式电桥平衡式，可以相互抵消，所以这两 种桥路具有温度自补偿功能。
图2-3 线性线绕电位器示意图
线性线绕电位器，骨架截面处处相等，由材料均匀的导线按 相等的绕距绕成。 更准确的灵敏度计算发现，灵敏度不仅与电阻率有关，还与 骨架尺寸、绕线直径、绕线节距有关，也和通过电位器的电 流大小有关。
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图2-4 局部剖面和阶梯特性图
绘制输入位移x和输出电压ux的关系图，发现图中阶梯特性。原 因：电刷在与一匝导线接触中，虽有微小位移但电阻值不变化。 当电刷离开这匝而与下一匝接触，电阻突然增加一匝导线阻值。
第二部分 常用传感器
第2章 电阻传感器
主讲人：李秀媛 2013-8
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第2章 电阻式传感器
电阻式传感器是将被测物理量的变化转换成电 阻值的变化的传感器，它是目前非电量检测技术中 应用最广、最成熟、最重要的传感器。
电阻式传感器可用来测力、测压强、称重、测位移、 测加速度、测扭矩、测温度等测试系统。
Uo
R4
-
E
-
5、应变效应的应用
电阻应变片的应用可分为两大类： 第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量 转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。 应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是 应变片，测量转换电路一般为桥路。 第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪 上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。
4）焊接： 将引线和端子用 烙铁焊接起来，注意 不要把端子扯断。
5）固定： 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。
4 电阻传感器的测量电路（重点）
由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小 电阻值的变化测量出来，需要设计专业的测量电路把 电阻的变化转换成电压或电流的变化。
最常用的电路是桥式电路。 桥式电路的主要指标：桥路的灵敏度；非线性和负载 特性。
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电桥平衡的条件：
为了使电桥在测量前的输出 电压为零，应该选择四个桥臂电 阻，使R1R4=R2R3或R1/R2=R3/R4。 此时桥路的输出电压为：
R1 R2
+ Uo
R3
R4
-
+
E
-
R3 R1 U o E( )0 R1 R2 R3 R4
2、基本结构
2-18 金属丝应变片的基本结构 图中，5 敏感栅（金属丝）；6 引线；除此之外还有，基底、粘合剂、覆盖 层等
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2.2 电阻应变片式传感器（金属应变片+半导体 应变片）
2、基本结构
2-19 箔式应变片的基本结构 图中，1 敏感栅；2 引线；3 基底
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2.2 电阻应变片式传感器（金属应变片+半导体 应变片）
R1 1 R3 R1 R1 R1 1 U o E( ) E( ) R R R1 R1 R2 - R2 R3 R4 1 2 1 4 R1 R3
-
+
E
-
E R1 比单臂测量的输出电压 Uo 扩大一倍，灵敏 4 R1 度提高，几乎没有非线性
E R1 Uo 2 R1
R l S p R l S p
其中，引起的电阻变化的主要是电导率的变化
l l 是长度应变系数 l
R E l R R / l E R
灵敏度：
K
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电阻丝的轴向应变和受力间的关系：
电阻丝及应变片的电阻相对变化量R R与材料力 学中的轴向应变l的关系在很大范围内是线性的，即 R K s l Ks—电阻应变片的灵敏度 R
6）第VI项数字表示应变片的极限工作温度；
7）第VII项表示温度自补偿所适用试件材料的线膨胀系数。
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2.2 电阻应变片式传感器（金属应变片+半导体 应变片）
3、应变片的命名
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应变片的粘贴
康铜是现在电阻应变片 应用较多的材料。
1）去污：
采用手持砂轮工具除去
构件表面的油污、漆、锈斑
等，并用细纱布交叉打磨出 细纹以增加粘贴力 ，用浸有
E R1 通过数学计算可得，当n=1时，Ku取极大值。 Uo 4 R1
单臂半桥测量电路 2、分析非线性（了解）
R1
R2
+ Uo
R3
R4
上述计算，忽略了分母中电阻 变化率，引入误差
+ 设：实际输出电压Uo*，计算输出电压 E Uo，R2/R1=R4/R3=n -
-
U O* U O U O* r UO UO
忽略第1项分母中 的电阻变化率
R1 n Uo E (1 n) 2 R1
单臂半桥测量电路 1、分析电压灵敏度
R1
R2
+ Uo
R3
R4
即输出电压变化/中间量电阻变 化
设：R2/R1=R4/R3=n
-
+
E
-
R1 n Uo E (1 n) 2 R1
n KU E (1 n) 2
由Ku的公式，可知电压灵敏度与输入电压E和电阻臂 的比值n有关。
四臂全桥测量电路 全桥的四个桥臂都为应变片， 如果设法使试件受力后，应变片 R1 ~ R4产生的电阻增量（或感受 到的应变1~4）正负号相间，大 小相等，就可以使输出电压Uo成 倍地增大。此时输出电压为
R1
R2
+ Uo
R3
R4
-
+
E
-
E R1 是单臂测量的输出电压 Uo 的4倍，灵敏度提 4 R1 高，几乎没有非线性
当采用变截面的骨架，即使滑臂移动相同的位移，电 阻值的变化不同（非线性电位器）。 非线性电位器是指在空载时其输出电压(或电阻)与电刷 行程之间具有非线性函数关系的一种电位器，也称函数电 位器。
图2-6 变骨架式电位器
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4、电位器式传感器的负载特性 电位器的输出端接负载时，输出电压特性称为负载特性。负 载特性相对于空载特性的输出电压的偏差（两者的比）称为 负载误差。
上式可得，非线性和电阻变化率（机械应变）有关；和电阻臂 比值n有关。
N应适当选取； R1 机械应变有一 R1 个允许范围 1 ... R1 1 n R1
双臂半桥差动测量电路 分析电压灵敏度
R1
R2
+ Uo
R3
R4
即输出电压变化/中间量电阻变 化 设：R2/R1=R4/R3=n=1
单臂半桥测量电路
R1
R2
+ Uo
单臂半桥工作方式：
R1为应变片，R2、R3、R4为固定 电阻，即R2～R4均为零， 此
时输出电压为：
设：R2/R1=R4/R3=n
R3
R4
-
+
1
E
-
R1 R3 R1 R1 R1 1 U o E( ) E( ) R R R R1 R1 R2 R3 R4 1 1 2 1 4 R1 R1 R3
Rx
max
Rmax
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2.1 电位器式传感器
2、特性参数 灵敏度考量
位移式电位器式传感器 角度式电位器式传感器 位移式 角度式
Rx
x xmax
Rmax
Rx Rmax max
线性
Rx Rmax x xmax
Rx Rmax

max
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实际灵敏度考量
l l R S r2
当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式 中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如金 属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大。
2.2 电阻应变片式传感器（金属应变片+半导体 应变片）
1、工作原理
图2-17 金属丝伸长后几何尺寸变化
引起的电阻变化
2、基本结构
2-20 各种箔式应变片
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金属丝式应变片和箔式应变片比较
金属丝式应变片 使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片 蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。 但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验 箔式应变片： 箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的 材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。 箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较 好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于 大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处 理，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各 种应变式传感器中。
由材料力学可知，l=F /（SE），所以R /R又可表示为