传感器1电阻式传感器

4、按照工作原理分类：十大类
➢电阻式 ➢电感式 ➢磁电式 ➢压电式 ➢电容式
➢光电式 ➢热电式 ➢陀螺式 ➢机械式 ➢流体式
5、按传感器输出信号，分为开关型、模拟型和数字型
P163 表4.1 常用传感器类型及作用原理
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,
由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通 过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。
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。
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。
120 (60,90,
,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
工程测试技术基础
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。
物理量
电量
输出电压为零。 若有应变作用，只会引起电阻R1发生变化，R2不承受应变。
电桥输出电压只与应变ε有关，与温度无关。
根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试 件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。
构件受弯 曲应力
R1 F
R2 （a）
F
F
R
USC与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变
b
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： 金属丝：
dR dl dA d R l A
A r2
dR dl 2dr d Rl r
R1R3 R2 R4 U (R1 R2 )( R3 R4 )
U SC
R1R3 R2 R4 U (R1 R2 )( R3 R4 )
令： R1 R R2 R3 R
R4 R R
U SC
R(R R) RR U (R R R)(R R)
U 4
R R
金属丝应变片：
R (1 2)
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
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。
(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
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
（b）
(b)图是受单向应力的构件，将工作应变片 R2的轴线顺着应变方向，补偿应变片R1的 轴线和应变方向垂直，R1和R2接入电桥相 邻臂，其输出为
USC AR1R2K 1
电阻应变片的选择、粘贴技术
1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。
2.用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于0.5欧姆.
RL
m为电位计的负载系数
（三）产品及应用
由于测量领域的不同，电位器 结构及材料选择有所不同。但是其
基本结构是相近的。电位器 通常都是由骨架、 电阻元件及活动电 刷组成。常用的线绕式电位
器的电阻元件由金属电阻丝绕成。
某些电刷结构
按制作方式： 线绕电位器
薄膜电位器 导电塑料电位器
导电材料粉
普通塑料基底
（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 U
m
l
阶梯误差是一种原理误差，它限制了电位计的精度和分辩力。
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
U
0
l
若使非线性误差<2%,必须有RL>(10~20) R
R m
3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。
4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。
5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。
6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于500M欧。
7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。
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；
➢
应变R片T与衬底材R料的f热膨T胀系数不一样。
T
RT R
1 Sg
f T
Sg
应变片测量的另一误差来自应变片的大小和测点的位置
g s ( g s )T
（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,
R1
R2
（b）
来自百度文库
构件受单 向应力
图(a)为一个梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压， 应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当 温度变化时，应变片R1和R2的阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到 了补偿的目的。
F
F
R1
R2
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
基本转换电路
电量
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。
金属丝应变片：
E 对金属材料， 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）
金属应变计
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。
应变片的粘贴：
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 ，用浸有酒精或 丙酮的纱布片或脱脂 棉球擦洗。
2.贴片：在应 变片的表面和处理 过的粘贴表面上， 各涂一层均匀的粘 贴胶 ，用镊子将 应变片放上去，并 调好位置，然后盖 上塑料薄膜，用手 指揉和滚压，排出 下面的气泡 。
缺点 动态响应差,精度差,分辨率低
YCO-l50型压力传感器原理图
膜盒电位器式压力传感器原理图
电位器式加速度传感器示意图
电位计的技术指标
技术参数 输入范围
分辨率 线性度 最高频率 额定功率 总电阻 温度系数 寿命
直线型
旋转型
2mm~8m 50um
10~60圈 0.2°~2°
0.002%~0.1%FS
3.测量 ： 从分开的端子 处，预先用万 用表测量应变 片的电阻，发 现端子折断和 坏的应变片。
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。
3) 应变片测量电路
R1
R2
U
V
R3 R4
U SC
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
实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系 统，也有些是带反馈的闭环系统。
3Hz
0.1~50W 20~200kΩ 20×10-6/℃ ~ 1000×10-6/℃ 108次循环
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
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
邻臂上，造成ΔR1t与ΔR2t相同，根据电桥理论可 知，其输出电压USC与温度无关。当工作应变片
感受应变时，电桥将产生相应输出电压。
R2 R1
补偿应变片粘贴示意图
当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥 输出电压为零，即
U AR R R R 0 上式当中温可度以升选高择或R降1=低R2=时RS，及C若R3Δ=RR41=t=RΔ′R。12t，4即两个应2 变3片的热输出相等，可知电桥的
R l
A
3个参数中的1个或数个发生 变化，电阻R就变化！
•按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、压阻式.
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
• 等效电路分析: •l 电位计电阻元件长; •x 电刷移动量. •R 总电阻; •Rx电刷电阻;
传感器的分类
1、按照被测物理量，分为位移、压力、振动、温度传感器等，表明传感器的 用途
2、按传感器的工作机理，分为结构型与物性型
1) 结构型传感器：依赖结构参数的变化实现信息转换 ——场定律 2)物性型传感器：依赖敏感元件的物理特性的变化实现信息转换 ——物质定律
3、按传感器使用电源与否：分为有源传感器和无源传感器；按传感器的能量转 换情况，分为能量控制型传感器和能量转换型传感器
Ui
x,Rx
l,R
l
R
=
x
Rx
Ui
= Uo
Uo
Rx
R l
x
KRx
变电阻位式计传感器 电位计空载输出电压
U
i
Uo
Ui l
x
KU x
U0
0
x
l
当电位计结构及电源电压确定后，理想线性电位计
KR和KU为常数，因此线性电位计输出电压与电刷位移 （或转角）成呈线性关系。
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.
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： 其中
dR 2 d
R
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
最简单的传感器由一个敏感元件(兼 气
转换元件)组成，它感受被测量时直 体
接输出电量，如热电偶。有些传感
压 力
器由敏感元件和转换元件组成，没 传
感
有转换电路，如压电式加速度传感 器
器，其中质量块m是敏感元件，压电
片（块）是转换元件。有些传感器，
转换元件不只一个，要经过若干次
转换。
热电偶
压电加速度传感器
USC A R1R4 R2R3
式中 A——由桥臂电阻和电源电压决定的常数。
R1
R2
USC
R3
R4
由上式可知，当R3、R4为常数时，Rl和 R2对输出电压的作用方向相反。利用这个 基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿
效果较好，这是最常用的补偿方法之一。
U
桥路补偿法
测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被 测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片 贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2， 称为补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应 变，仅随温度发生变形。由于R1与R2接入电桥相
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