电阻式传感器

允许通过的电流较大，可制成各种需要的形状，便 于大批量生产。
应变片的主要参数：
(1)应变片电阻值（初始电阻）
指未安装的应变片，在不受外力的作用下，于室温条 件测定的电阻值。
应变片电阻值已趋于标准化，有：60，120，350， 600和1000几种阻值。 (2)灵敏系数K
指应变片安装于试件表面，在其纵向应力作用下，应 变片的阻值相对变化与试件表面安装应变片区域的纵 向应变之比。 dR/R K= dL/L 要求K值尽量大而稳定，K值在理论上呈线性关系。 但实际上, 在大应变时, 会出现非线性关系。 应变片的非线性度一般要求：0.05%或1%以内
（二）灵敏系数
应变片的灵敏系数：
单位应变所能引起的电阻的相对变化。
金属导体的电阻R为
L R A
电阻丝在受外力作用时，则、L、A的变化（d、 dL、dA）将引起电阻dR的变化，dR可通过对上式全 微分求得：
L L dR dL d 2 dA A A A 相对变化量为 ： ? dR dL d dA R L A
（一）金属电阻应变片
金属电阻应变片主要有丝式应变片和箔式应变片两种 结构形式，它们根据需要可以制作成各种形状。
其中，箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成一种 很薄的金属箔栅,厚度一般在0.003～0.010mm。 箔式应变片优点: 结构简单，体积小，寿命长； 线性度好； 表面积和截面积之比大，散热条件好；

若电阻丝是圆形的，则A=r2，r为电阻丝的半径， 得： dA=2rdr，则 dA 2 rdr dr 2 2 A r r dL x —金属丝轴向应变，一般；0.24~0.4 令 L dr r —金属丝径向应变。 r 由材料力学得知:
在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径 向缩短，轴向应变和径向应变的关系可表示为：
N —绕线总匝数
Un U
⑵ 分辨率及阶梯误差 线绕电阻电压分辨率：指在电刷行程内电位器输出电压 阶梯的最大值与最大输出电压之比。 对于具有理想阶梯特性线绕电位器，即： 将实际输出特性理想化 U0 电压分辨率：
Re=(U0/n)/Uo100% =1/n 100%
阶梯误差：用理想阶梯特性曲线对理论特性曲线 的最大偏差与最大输出电压值之比。 理论特性曲线：通过每个阶梯的直线。 阶梯误差为： e=(U0/2n)/Uo100% =1/2n 100%
Ui为工作电压， U0为负载电阻RL两端的输出电压， x为线绕电位器电刷移动的长度，L为其总长度，对应 于电刷移动量x的阻值为Rx。 Rx 若电位器为空载(RL=)时，得 ： U 0 U i Rx x x R 而对应的电阻变化为： , Rx R S R x R L L x U 0 U i SV x L Ui R 式中 S R , SV 为线绕电位器电阻和电压灵敏度 L L
二、电阻应变片的结构和工作原理
（一）基本结构
电阻应变片（应变计）种类繁多，但其基本结构大体 相似，现以金属丝绕式应变片结构为例加以说明。 电阻丝应变片基本结构： 将金属电阻丝粘贴在基片上，上面覆一层薄膜，使它 们变成一个整体。
应变片规格： 以使用面积和电阻值表示，如310mm2，120
在将应变片构成应变式传感器，应变敏感栅粘贴在基 片上是能否应用于测量的关键之一，因此对粘合剂有 苛刻的要求。粘贴必须遵循粘贴工艺，这样才有可能 使应变片正常地工作。
（二）半导体应变片
半导体应变片是用半导体材料，采用与丝式应变片相 同的方法制成半导体应变片。
半导体应变片的工作原理 基于半导体材料的压阻效应。
压阻效应：
指半导体材料，沿轴向受外力作用时，其电阻率发生 变化的现象。 半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为 R (1 2 ) x R
第三章
一、定义
电阻式传感器
电阻式传感器：将非电量（如力、位移、形变、速度 和加速度等）的变化量，利用电阻元件，变换成有一 定关系的电阻值的变化，通过电测技术对电阻值的测 量达到对上述非电量测量的目的。
电阻式传感器主要分为两大类： 电位计（器）式电阻传感器 线绕式
非线绕式 应用场合：主要用于非电量变化较大的测量场合； 应变式电阻传感器 金属应变片
应力和应变的关系： =E 式中——试件的应力；E——试件材料的弹性模量。 利用应变片测量应力的基本原理： 应力值正比于应变，而试件应变又正比于电阻值的 变化dR，所以应力正比于电阻值的变化。 R/R L/L(x)
三、电阻应变片的种类
电阻应变片品种繁多，形式多样，常用的应变片可分 为两类； 金属电阻应变片和半导体电阻应变片。
半导体应变片
应用场合：主要用于测量变化量相对较小的情况，其灵 敏度较高。
第一节 线绕电位器式传感器
一、线绕电位器结构和工作原理 若线绕电位器绕线截面积均匀,则: R变化均匀(线性)。 优点： 线绕电位器精度高,性能稳定,易于实现线性变化等。 缺点： 如分辨力低、耐磨性差、寿命较短等。
b x
R
a
b
c
受力后材料的电阻率发生的变化，即d/。 对金属材料而言，以第一项为主。
对于确定的材料,(1+2)项是常数,数值约在1～2之间。 实验证明
d /
结论：
x dR / R Ks x
也是一个常数，因此得到 ：
dR Ks x R
金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比关系。 （三）应变片测量原理 应变片测量应力时，在外力作用下被测对象将产生微 小的机械变形，应变片随其发生相同的变化，同时， 应变片电阻也发生相应变化。 当测得应变片电阻值变化量R时，便可得到被测对象 的应变值。
r x
式中——金属材料的泊松系数
dR d (1 2 ) x R 金属丝的灵敏系数： dR / R d / Ks (1 2 ) x x
物理意义：
单位应变所引起的电阻相对变化。
灵敏系数受两个因素影响：
受力后材料几何尺寸的变化，即 (1+2)
应变计的型号代号：
BX 120 3CA100(11)
符
B
号
代表意义
应变计类型
举
例
箔式（B） 、丝绕式（S） 、短 接式（D） 、半导体式（i） 、 特殊用途（T） 纸（Z） 、环氧类（H） 、聚酯 X 120 3 CA 100 11 基底材料种类 标称阻值（单位：Ω ） 应变计栅长（单位：mm） 敏感栅结构形状 极限工作温度（℃） 可温度自补偿的材料线膨胀系数 （单位：×10-6/℃） 9、11、16、23、27×10-6/℃ 类（J） 、酚醛类（F） 60、120、200、350、500Ω 1、3、5、8、12、20、50mm
式中 r —— 电阻的相对变化；
KL—— 电位器负载系数的倒数；Hale Waihona Puke Baidu
Y —— 电位计相对输出电压。
电位器式传感器负载特性的 一般形式：
r r2 1 KL KL 当负载电阻RL0 时，y与r为非线性关系，则线绕电位 器式传感器的负载特性为非线性。
当负载电阻RL = 时，KL = RL /R =，则y与r为线性关 系，相应地U0与x满足线性关系。
(6)机械滞后
贴有应变计的试件进行加载和卸载时, 其Δ R/R-ε 特性 曲线不重合。把加载和卸载特性曲线的最大差值δ 称 为应变片的机械滞后值。 （7）零漂和蠕变 应变片的零漂：指在恒定温度下, 粘贴在试件上的应 变片, 在不承受载荷的条件下, 应变量随时间变化的 特性。 应变片的蠕变：指在恒温恒载下, 粘贴在试件上的应 变片，应变量随时间变化的特性。 产生零漂和蠕变的主要原因： 敏感栅通过工作电流后 的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘接剂固化 不充分等。
/为半导体应变片的电阻率相对变化，其值与半 导体敏感条在轴向所受的应变力之比为一常数，即：


E x
代入R/R式中得 ：
R (1 2 E ) x R
式中1+2项随几何形状而变化，E项为压阻效应，随 电阻率而变化。
YCD-150由弹簧管和电位器组成。电位器被固定在壳 体上，电刷与弹簧管的传动机构相连。
测量原理： 当被测压力 P 变化时，弹簧管的自由端产生位移，带 动电刷在线绕电位器上滑动，由此输出与被测压力成 正比的电压信号。
查阅资料形成课外报告1：
传统的机械电位器属于模拟式分立元件，其特点：
在标称电阻值范围内，用户通过改变滑动的位置可获得 所需要的任意电阻值。 机械电位器的缺点： 抗振动性能差、体积较大、需要手动调节、使用寿命较 短等。 随着数字化信息的发展，对电位器控制方式提出改变的 要求。近年来问世的数字电位器(Digital Potentiometer) 可圆满的解决上述问题 。 报告要求：
x
三、非线性线绕电位器结构
要求输入量位移和输出量呈某种 特殊函数规律变化。
非线绕电位器式传感器
1、薄膜电位器
2、导电塑料电位器 3、光电电位器
无接触式电位器
应用：
1、电位器式位移传感器
U
x x max
U max
2、液面高度测试仪
3、电位器式压力传感器
以国产YCD-150型压力传感器为例，说明电位器式传 感器用于测量压力的过程。
RL Rx U0 I RL Rx
Ui Rx RL R Rx Rx RL
RL Rx Rx RL
设 r Rx , K L RL , X R x , Y U 0 ，用诸相对量代入 R R L Ui 上式得： r Y r r2 1 KL KL
Y
r
二、线绕式电位器的阶梯特性及其分辨率 ⑴ 阶梯特性及产生原因 当电刷在变阻器的线圈上移动时，电 位器的阻值随电刷从一圈移到另一圈 是不连续变化的，输出电压U0也是不 连续变化。
阶梯特性：由滑动触点(电刷)在移动过程中, 从一匝 滑到另一匝时电阻值产生突变所引起的。
其阶梯值Δ U为：
1 U U 0 N
工作电流的选取, 要根据散热条件而定, 主要取决于：
敏感栅的几何形状和尺寸、截面的形状和大小、基底 的尺寸和材料、粘合剂的材料和厚度以及试件的散热 性能等。 为了保证测量精度， 在静态测量时允许电流一般为25mA， 动态测量时允许电流可达75-100mA。
(5)应变极限
在一定的温度 (室温或极限使用温度) 下, 对试件缓 慢地施加均匀的拉伸载荷, 当应变片的指示应变值对 真实应变值的相对误差大于10%时, 此时的真实应变值 就作为该应变片的应变极限。
给出数字电位器的优点、调节原理、应用实例等。
第三节
应变式电阻传感器
应变式电阻传感器是目前用于测量力、力矩、压力、 加速度、重量等参数最广泛的传感器之一。 一、定义 利用应变效应制造的一种测量微小变化量（机械）的 传感器。 应变效应： 导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用 时，产生机械变形，导致其阻值变化，这种因形变而 使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。 原因（以金属导体为例）： 导体电阻 R=(•L)/A 与电阻率及其几何尺寸(其L为长度，A为截面积)有 关，当导体或半导体在受外力作用时，这三者都会发 生变化引起电阻变化。
(3)绝缘电阻 敏感栅与基底之间的电阻。 一般大于1010 ，以兆欧计。
绝缘电阻过低, 会造成应变片与试件之间漏电而产生 测量误差。 (4)允许电流 指不因电流产生热量影响测量精度，应变片允许通过 的最大电流值。
工作电流大, 应变片输出信号大, 因而灵敏度高。 但过大的工作电流会使应变片本身过热, 使灵敏系数 变化, 零漂增加, 甚至烧坏应变片。
Ui R S R , SV 为线绕电位器电阻和电压灵敏度 L L SR、Sv均为常数，分别表明了电刷单位位移所能引起 的输出电阻和输出电压的变化量。 U U x S x 0 i V RL=时： L 改变测量电阻值所引起输出电压的变化为线性变化。
若电位器的负载电阻为RL ，则输出电压应为： RL Rx Ui RL Rx U0 I Rx RL RL Rx R Rx Rx RL Rx RL