第五讲 电阻式传感器

（二）工程应用中存在的问题
1.结构误差 阶梯特性与阶梯误差
U Um
L
2.负载特性 负载特性与负载误差
R0-R
U0
R
Rf
V Usc
U sc
U0
Rf
R0
RRf R0R R2
令 r R L X R0 L0
电刷的相对行程
则
U sc
U0
1
r mr (1
r)
m为电位置的负载系数,即
m R0 Rf
USC A R1R4 R2R3
3) 应变片的主要参数
1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 b×L表示。
2）电阻值：应变计的原始电阻值。
(60,90,120,300,500,1000)
3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。
4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。
4) 应变片的误差及补偿
基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电
路），便可转换成电量输出。
弹性敏感元件（弹簧管）
敏感元件在传感器中直接感受被测量，并 转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非 电量。
ห้องสมุดไป่ตู้
P418
弹簧管(布尔登管）将压力转换 为角位移α
本课中，传感器泛指将一个被测物理量按
照一定的物理规律转换为另一物理量的装置， 着重研究装置的信号转换规律，并不严格区分 其是一个敏感元件还是一个传感器。
物理量
电量
目前，传感器转换后的信号大多为电信号。 因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信 号转换成电信号的装置。
传感器的组成
被测量
敏感元件
转换元件
电量
基本转换电路
辅助电源
敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某 一物理量的元件。
转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电 路参量。
第二讲 传感器测量原理（1）
2.2 电阻式传感器
• 电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一 种传感器,
• 按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、 热敏式、光敏式、电敏式.
一、 变阻器式传感器（电位器式传感器）
（一）变阻器式传感器的构造与原理 1.机械结构
2.物理模型
3.数学模型
x L
变阻式传感器
金属丝应变片：
对金属材料，E 近似看作导电率不变：
dR (1 2 )
R
电阻变化与应变成正比，电阻应变片灵敏度系数
定义：
Sg
dR / R dl / l
1 2
Sg的范围在（ 1.7~4.0）
应变计
金属应变计
半导体应变计
dR R
d
E
半导体应变片灵敏度
S dR / R E
• 优点：灵敏度大;体积小; • 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。
影响应变片精度的主要因素是温度 ➢ 电阻值随温度的变化而改变；
RT R f T
T
RT R
1 Sg
f T Sg
➢ 应变片与衬底材料的热膨胀系数不一样。
g s ( g s )T
应变片测量的另一误差来自应变片的大小和测 点的位置
（2） 温度补偿（自补偿法和线路补偿法）
① 单丝自补偿应变片 每一种材料的被测试件，其线膨胀系数都为确定值,
原材料
原理：弹簧->力->位移 ->电位器->电阻
比较
重量设定
案例：煤气包储量检测
钢丝
煤气包
原理：钢丝->收线圈数
->电位器
->电阻
案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）
原理：电机->转角 ->电位器 ->电阻
(四) 变阻器式传感器的性能参数:
1)线性(或曲线的一致性); 4)移动或旋转角度范围;
2)分辨率;
5)电阻温度系数;
3)整个电阻值的偏差;
6)寿命
(3)变阻器式传感器的分类
按测量类型： 单圈电位器
多圈电位器
直线滑动式电位器
按制作方式： 线绕电位器
导电塑料电位器 导电材料粉
普通塑料基底
变阻器式传感器产品
2 电阻应变式传感器--应变片
电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效 应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其 电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发 生变化象。
U
0
L
• 若使非线性误差<2%,必须有Rf>(10~20) R0
(三)特点及应用
• 优点 结构简单,性能稳定,输出信号大,受外界条件 影响小等优点
• 缺点 动态响应差,精度差,分辨率低
• 应用 常用来测位移,压力,加速度.
问题: 前述的测身高装置如何改为测体重装置?
案例：重量的自动检测--配料设备
机械工程测试技术
参数式传感器及其应用
2020/3/26
工程测试技术基础
第四章 传感器测量原理(1)
本章学习要求：
1.掌握电阻式传感器的工作原理 2.了解电阻式传感器的结构、分类 3.了解电阻传感器的测量电路 4.了解电阻传感器的应用
第二讲 传感器测量原理（1）
2.1 概述
1. 传感器定义
传感器是借助检测元件将一种形式的信息转 换成另一种信息的装置。
金属丝体积不变：
dr dl
r
l
dl 电阻丝轴向变形
l
电阻丝材料的泊松比
有： dR 2 d
R
其中
d
E
与电阻丝轴向正应力 σ有关，λ为压阻系数， E为弹性模量
dR 2 E (1 2 E)
R
(1 2 ) 由电阻丝几何尺寸变化引起
E 由电阻丝电阻率随应变的改变而引起
拉 压
1) 工作原理
金属应变片的电阻R为 R l
A
上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数
dR dl l dA l d
A
A2
A
代入 R l / A
dR dl dA d R l A
有：
dR dl dA d
R l A
金属丝： A r 2
dR dl 2dr d Rl r
选择应变片敏感栅材料，使其电阻温度系数和线膨胀系 数满足一定条件，可实现温度自补偿。 ②双丝组合式自补偿应变片
两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值） 的材料串联组成敏感栅，两段敏感栅，随温度变化而产 生的电阻增量大小相等，符号相反。 ③ 电路补偿法
Ra Rb
焊点
③ 电路补偿法
如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为
• 等效电路分析: •L-变阻器总长; •x-电刷移动量. •R0-总电阻; •RL电刷电阻;
U0
x,R L0,R0
R0=K*L0 x=R/K
L0 x
=
R0 R
=
U0 U
U x=L0*U / U0
变阻式传感器
x=L0*U / U0 = K*U
U0
U
x
0
L0
动手做一做
• 如何变成传感器? 一个具体的工程实例: 请将电位器接入实际身高测量应用中.