电阻式传感器

电子秤
应变式电阻传感器
远距离显示
磅秤
超市打印秤
电子天平
应变式电阻传感器
电子天平的精度 可达十万分之一
应变式电阻传感器
人体秤
应变式电阻传感器
吊钩秤
便携式
应变式电阻传感器
②
等
强
F
度
悬
臂
X
梁
l
h 6lF
b0h 2 E
应变式电阻传感器
应变式电阻传感器 4．轮辐式力传感器
轮辐式传感器结构主要由五个部分组成， 轮轱、轮圈、轮辐条、受拉和受压应变片。 测量轮辐条对角线方向的线应变。 扁平外型有大的抗载能力，可承受大的偏心 度和侧向力，埋在地下用于测量行走中的拖 车、卡车，可根据输出对超载车辆报警。
d
p
项
应变式电阻传感器
应变片由电阻丝（敏感栅）、基底、引线和粘合剂组成。
应变式电阻传感器
☻小结
应变式电阻传感器
金属电阻应变片 dR K dl Rl
金属丝式应变片 箔式应变片 应用较多 金属薄膜应变片
金属丝式应变片使用最早，但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。
Z3
Z4
D
U
~
应变式电阻传感器
应变式力传感器
应变式电阻传感器
1. 柱（筒）式力传感器
在圆筒（柱）上按一定方式粘贴应变片， 圆柱（筒）在 外力F作用下产生形变， 对实心圆柱作用产生的应变为
l F
l E SE
式中：l为弹性元件的长度， E为弹性模量， S为弹性元件的横截面积，F外力；σ为应力，σ=F/S；
R1
RB
M
M
应变式电阻传感器
B
IL
B
IL
R1
R2
R1
R2
A
C RL Uo
A
C RL Uo
R3
R4
D
＋U －
R1
单臂电桥
RB
M
R3
R4
D
＋U －
双臂电桥 （半桥式）
M
测量 R1
aU
R2 b Uo
测量 R1
aU
测量 R2
b Uo
R3
R4
单臂工作
R3
R4
双臂工作
应变式电阻传感器 解决办法：—— （1）差动电桥
应变式电阻传感器
汽车气囊的保护作用
使用加速度传感器可以在汽车发生碰 撞时，经控制系统使气囊迅速充气 。
应变式电阻传感器
力矩传感器
原理：
如果在轴上施加力矩，力矩将在轴上产生两个方向相 反的力和两个方向相反的形变，两个力传感器可以测 出这两个力，根据所测力的大小可计算出力矩。
3、绝缘电阻：敏感栅与基底间的电阻值；
4、允许工作电流：最大的工引线作电流。
覆盖层
基片 敏感器
应变式电阻传感器 提出问题？
由于机械应变一般都很小, 那么考虑
要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来； 同时要把电阻相对变化ΔR/ R转换为电压或
电流的变化。 应该采用什么测量转换电路？
回答
通常采用直流电桥和交流电桥。
应变式电阻传感器
c.非线性误差及其补偿方法
理想值 U0 U
n (1 n)2
R1
R1
实际值
n R1
U 0
U
(1
n
R1 R1 )(1 n)
R1
R1
L
U0 U0 U0
R1
1 n R1
R1
—— 非线性误差
R1
如果是四等臂电桥, R1=R2=R3=R4, 则 提出问题？
L
2 R1 1 R1
2 R1
输出Uo 0~10V
负载
应变式电阻传感器
转换元件
应变片电阻改变
敏感元件
膜片形变（应变）
压力作用
压力传感器示例
应变式电阻传感器
小型压阻式固态压力传感器
低压进气口
高压进气口
绝对压力传感器
应变式电阻传感器
小型压阻式固态压力传感器（续）
呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器 p1进气管
固态压力传感器
p2进气管
应变式电阻传感器
小型压阻式固态压力传感器（续）
p1进气管
表压压力传感器
应变式电阻传感器
压阻式固态压力传感器
内部结构
信号处理电路
应变式电阻传感器
容器内液体重量（液位）传感器
应变式电阻传感器
投入式液位计外形（续）
橡胶背压管
光柱显示器
压阻式固态 压力传感器
应变式电阻传感器
应变式加速度传感器
提出问题
b. 电压灵敏度 分析：
R1
A
应变式电阻传感器
B
IL
R2 C RL Uo
（1）
R3
R4
D ＋U －
R1为电阻应变片
R2, R3, R4为电桥固定电阻 这就构成了单臂电桥。
应变式电阻传感器
b. 电压灵敏度
分析：
R1 B
R1
IL R2
U0
U ( R1 R1 R2
R3 ) R3 R4
（2）当R1产生应变时, 若应 变片电阻变化为ΔR1，其它 桥臂固定不变， 电桥输出电
A
1.09FR bh2E
B
1.91FR bh2E
应变式电阻传感器
3.梁式力传感器
① 等
F
h
6lF
bh2 E
截
面
悬
l0
臂
l
式中： l 是梁上应变 片至自由端距离，b、 h 分别为梁的宽度和
梁
等截面梁
梁的厚度。
结构简单，易加工，灵敏度适合于测5000N 以下的载荷 。
电子秤
应变式电阻传感器
原理 将物品重量通过悬臂梁转化 结构变形再通过应变片转化 为电量输出。
ΔR1/R1=0.130,
则得到非
结论：K较小时，非线性误差能满足测量要求；当K↑ 到某值时，非线性误差已不能满足测量要求。
必须予以减小和克服非线性误差。
如何解决？
应变式电阻传感器 解决办法：—— （1）差动电桥
即：在试件上安装两个工作应变片, 一个受拉应变, 一 个受压应变, 接入电桥相邻桥臂, 称为半桥差动电路。
D
（1）考虑： ＋ U －
应变片R1工作时, 其电阻值变化很小， 即：△R1很小
电桥相应输出电压也很小，即：Uo很小
所以，一般需要加入放大器放大。
存在的不足
存在零 点漂移
R1 A
应变式电阻传感器
B
IL
R2 C RL Uo
放大器
R3
R4
D ＋U －
Ro
R
i
（2）由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多 即：Ri Ro
l
dR d dl dS R lS
dR 令 RK
应变式电阻传感器
dR d (1 2) dl d (1 2)
R
l
d 则 K (1 2)
K——金属电阻丝的相对灵敏度系数。
金属电阻丝的相对灵敏度系数受两个因素影响：
（1）受力后材料的几何尺寸变化所引起的；即 (1 2) 项
（2）受力后材料的电阻率发生变化引起的；即
A. 直流电桥
应变式电阻传感器 B
R1
a.电桥平衡条件
U0
U ( R1 R1 R2
R3 ) R3 R4
A R3
IL R2
C RL Uo
R4
当电桥平衡时, Uo=0, 则有：
D ＋U －
R1R4 = R2R3 或
结论：
R1 R3 R2 R4
—— 电桥平衡条件
欲使电桥平衡, 其相邻两臂电阻的比值应相等, 或 相对两臂电阻的乘积相等。
1. 直流电桥
应变式电阻传感器 B R1
IL R2
电路组成
A
由四个桥臂R1、R2、R3及R4和
一个供桥电源U组成。
R3
C RL Uo R4
其中，RL为负载电阻 Uo为电桥输出电压。
D ＋U －
电路特点：
当被测量无变化，四桥臂满足一定的关系，输出
为零；当被测量发生变化时，测量电桥平衡被破坏， 有电压输出。
非线性误差 L 是否能满足测量要求？
应变式电阻传感器 讨论：非线性误差是否能满足测量要求？
对于一般应变片来说，所受应变ε通常在5×103以下。
R R
K
L
1
R 1
2 R 1
R 1
2 R 1
利和两
（1）若取K=2用式, 则ΔR1/R1=Kε=0.01, 代入上式计算得
非线性误差为，0.5%;
（2）若K=130有, ε=1×１0-3时, 线性误差为6%：。
R1 R1
R3
R4
半桥式（双臂工作）
R1
RB
M
M
应变式电阻传感器 解决办法：—— （1）差动电桥 结论：
☆呈线性关系； ☆ 无非线性误差； ☆电桥电压灵敏度K=U /2,比单臂工作时提高一倍。
解决办法：—— （2）恒流源电桥
存在的不足
R1 A
应变式电阻传感器
B
IL
R2 C RL Uo
放大器
R3
R4
U
n (1 n)2
R1
dK u dn
1 n
1 n3
求得n=1时, Ku为最大值
Ku
பைடு நூலகம்U 4
即： 在电桥电压确定后, 当R1=R2=R3=R4时, 电桥电
压灵敏度最高, 此时有
结论：
U0
U 4
R1 R
当电桥电压U和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时, 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值, 且与各桥臂电 阻阻值大小无关。
U↑→ Ku↑
但供电电压U的提高受到应变片允许功耗的限制， 所以要作适当选择;
② 电桥电压灵敏度Ku=Ku(n) ， 恰当地选择桥臂比n 的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。
提出问题？
当U值确定后, n值取何值时使Ku最高？
应变式电阻传感器
解决办法： 当dKu/dn=0 时，求Ku的最大值。
Ku
U0 R1
应力与应变成正比关系，要提高变换灵敏度必须减小横截 面积S，但S小抗弯能力差易产生横向干扰，为解决这一矛 盾多采用空心圆筒，空心圆筒在同样横截面积情况下横向 刚度大。
应变式电阻传感器
2. 薄壁圆环式力传感器
所示为环式力传感器结构图及应力分布图。A处应力 为负，B处为正。对R/h>5的小曲率圆环,A、 B两点处的 应变为
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，能将温度影响减小到最小的程度，适 合于大批量生产。
应变式电阻传感器
应变片的主要参数
1、几何尺寸：敏感栅基长、基宽、应变片的基底长
和基底宽；
2、初始电阻：未粘贴前，在室温下测得的电阻 (常
用120Ω)；
☆ 金属丝式应变片
应变式电阻传感器
➢ 电阻式传感器的基本原理是将被测量的应变转换 成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成 电信号输出。
➢按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、 热敏式、光敏式等。
➢电阻传感器常用来测量力、压力、应变、荷重、 扭矩、加速度和位移等非电量。
部分实物
电位器
通过电阻把被测信息转化为随位 置变化的电压。
R
l S
Δl
l
F
Δr
r
导线两端受到力F作用时
F
l dl S dS
d
应变式电阻传感器
将上式取对数再微分，则引起电阻值变化dR：
dR d dl dS R lS
因 S r2 ， dS 2 dr
Sr
由材料力学可知： dr dl ，式中
（径向变化）
r
l
泊松比
dl 表示电阻丝轴向的相对变化，也就是应变。
所以此时仍视电桥为开路情况，Uo基本不变。
交流电桥
应变式电阻传感器
根据直流电桥分析可知, 由于应变电桥输出电 压很小, 一般都要加放大器, 而直流放大器易于产生 零漂, 因此应变电桥多采用交流电桥。
电路特点
由于供桥电源为交流电 源, 引线分布电容使得桥臂 应变片呈现复阻抗特性。 A
B
Z1
Z2
IL
C RL U o
分析：
B R1
A
IL R2
C RL Uo
电桥不平衡输出电压为:
U0 U
n (1 n)2
R1
R1
R3
R4
D ＋U －
电桥电压灵敏度定义为：
Ku
U0 R1
U
n (1 n)2
R1
应变式电阻传感器
Ku
U0 R1
U
n (1 n)2
—— 电桥电压灵敏度
分析可知：
R1
① 电桥电压灵敏度Ku正比于电桥供电电压U
电位器
Vout
Vcc
R1 R
360°/5000mV=0.07°/mv 5000mv/1024bit=5mv/bit 0.35°/bit
信号调理
A/D（10）
微处理器
应变式电阻传感器
结论：金属丝受拉时，l变 长、r变小，导致R变大 。
应变式电阻传感器
设一根长为l，截面积为S，电阻系数为ρ 的电阻丝，其电阻值R为：
A
C RL Uo 压Uo≠0
R3
R4
电桥不平衡输出电压为:
D ＋U －
设桥臂比n = R2/R1 考虑到平衡条件R2/R1= R4/R3 且ΔR1/R1很小可忽略
U0
U ( R1 R1 R1 R1 R2
R3 R3 R4
)
R4 R1
U
(1
R3 R1
R1 R2 )(1
R4
)
R1 R1
R3
应变式电阻传感器 b. 电压灵敏度
即：在试件上安装两个工作应变片, 一个受拉应变, 一 个受压应变, 接入电桥相邻桥臂, 称为半桥差动电路。
该电桥输出电压为
U0
U( R1
R1 R1 R1 R2
R2
R3 R3 R4
)
测量 R1
aU
测量 R2
b Uo
若R1 R2 , R1 R2 , R3 R4则得
Uo
U 2
R1 R1
Uo
10Ω +10V
力传感器测量电路
±
AD581
＋
A1 －
AD741
200 4.99K
1500P
+10V
24.9K
Uo
1
200 K Rg
U ab
+15V －15V
+12V
a
b
Rg
722.6Ω
8
1
－
5 12
14 A2
7
AD522
2
11
＋
6
3
4 10K
13
失调
+15V
调整Rg使电路满量程输出为0~10V
应变式电阻传感器
汽车衡称重系统
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。
应变式电阻传感器
荷重传感器原理演示
应变式电阻传感器 应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置
F
R4
R
R1
2
应变式电阻传感器 应变式荷重传感器外形及受力位置（续）
F
F
应变式电阻传感器
+15V