第五讲 电阻式传感器

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
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。
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;
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
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
（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
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
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。
• 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.
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
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。
2)分辨率;
5)电阻温度系数;
Biblioteka Baidu3)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。
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。
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。
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,