电阻式传感器及应用
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❖ 电位器的电压转换原理如图所示，设电阻体长度
为L，触点滑动位移量为x，两端输入电压为Ui，
则滑动端输出电压为
❖
Uo
x L
U
i
18
角位移式电位器
❖ 对角位移式电位器来说，Uo与滑动臂的旋转角度 成正比，即
Uo
360
Ui
19
20
2.2.2 电位器传感器负 载特性
❖ 电位器输出端接有负载电阻时，其特性称为负载 特性。
❖ 在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着 发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。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。根据应力与应变的关系，得到应力值σ为 σ=E·ε
❖ 应力值σ正比于应变，而试件应变正比于电阻值的变化，
所以应力σ正比于电阻值的变化，这就是利用应变片测量 应变的基本原理。
21
2.2.3 电位器传感器的应 用实例
❖ 1．电位器式压力传感器 ❖ YCD—150型远程压力表原理图
22
电位器式压力传感器的工作 原理
23
2．电位器式位移传感 器
24
3．电位器式加速度传 感器
图2—17 电位器式加速度传感器示意图 1.惯性质量快 2.片弹簧 3.电位器 4.电刷 5.阻尼器 6..壳体
数；若弹性特性是非线性的，则灵敏度为变数。 ❖ 3. 弹性滞后 实际的弹性元件在加、卸载的正、 反行程中变形曲线是不重合的， 这种现象称为弹性滞后现象， 曲线1是加载曲线，曲线2是卸载曲线，曲线1、2所包围
的范围称为滞环。产生弹性滞后的原因主要是弹性敏感 元件在工作过程中分子间存在内摩擦，并造成零点附近 的不灵敏区。
第2章 电阻式传感器及应用
2020/9/14
1
❖ 电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换 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。
❖ 常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速 度等。
❖ 电阻式传感器的结构简单、性能稳定、灵敏度较 高，有的还适合于动态测量。
2
2.1 弹性敏感元件
8
2.1.3 变换力的弹性敏感元件
❖ 所谓变换力的弹性敏感元件是指输入量 为力F，输出量为应变或位移的弹性敏 感元件。常用的变换力的弹性敏感元件 有实心轴、空心轴、等截面圆环、变截 面圆环、悬臂梁、扭转轴等 。
9
变换力的弹性敏感元件
பைடு நூலகம்10
❖ 1．等截面轴 ❖ 2．环状弹性元件 ❖ 3．悬臂梁 ❖ 4．扭转轴
16
2.2 电位器传感器
❖ 电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各种 电器和电子设备中。它是一种把机械的线位移或 角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻 或电压输出的传感元件，主要用于测量压力、高 度、加速度、航面角等各种参数的测量
17
2.2.1 电位器的原理和基 本结构
❖ 1．电位器的转换原理
❖ （1）标准电阻值（R0） ❖ （2）绝缘电阻（RG） ❖ （3）灵敏度系数（K） ❖ （4）应变极限（ξmax） ❖（5）允许电流（Ie） 允许电流是指应变片允
许通过的最大电流。 ❖ （6）机械滞后
31
2.3.2 测量转换电路
❖ 1．应变片测量应变的基本原理 ❖ 2．测量转换电路
32
1．应变片测量应变的基本原理
11
2.1.4 变换压力的弹性敏感元件 ❖1．弹簧管 （定性分析）
12
2.1.4 变换压力的弹性敏 感元件
❖ 2．波纹管
13
2.1.4 变换压力的弹性敏 感元件
❖ 3．等截面薄板
14
2.1.4 变换压力的弹性敏 感元件
❖ 4．波纹膜片和膜盒
15
2.1.4 变换压力的弹性敏 感元件
❖ 5．薄壁圆筒和薄壁半球
7
2.1.2 弹性敏感元件的材料及基本要求
❖ （1）具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、 韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热 处理性能。
❖ （2）良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后 和弹性后效小等）。
❖ （3）弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线 膨胀系数小且稳定。
❖ （4）抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。
❖ 弹性元件在传感器中的作用，它基本上可以分为 两种类型：弹性敏感元件和弹性支撑。
❖ 前者感受力、力矩、压力等被测参数，并通过它 将被测量变换为应变、位移等，也就是通过它把 被测参数由一种物理状态转换为另一种所需要的 相应物理状态，故称为弹性敏感元件。
3
2.1.1 弹性敏感材料的弹 性特性
❖弹性特性 ：作用在弹性敏感元件上的外力与由该 外力所引起的相应变形（应变、位移或转角）之 间的关系称为弹性元件的弹性特性
25
2.3 电阻应变式传感器
❖2.3.1 应变片与应变效应 ❖ 1．电阻应变效应 ❖ 导体、半导体材料在外力作用下发生机械形变，
导致其电阻值发生变化的物理现象称为电阻应变 效应 ❖ 实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的 相对变化R/R与应变是成正比，即 ❖
R R
Kx
26
2．电阻应变片的结构 与类型
33
2．测量转换电路
❖机械应变一般在10 µε～3 000 µε之间，而应变 灵敏度k值较小，因此电阻相对变化是很小的， 用一般测量电阻的仪表是难直接测出来，必须用 专门的电路来测量这种微弱的变化，最常用的电 路为直流电桥和交流电桥。
❖ 1．刚度 ❖ 2．灵敏度 ❖ 3．弹性滞后 ❖ 4．弹性后效 ❖ 5．固有振动频率
4
❖ 1. 刚度 ❖刚度是弹性敏感元件在外力作用下抵抗变形的能力 。
k lim F dF x0 x dx
❖2. 灵敏度 ❖ 灵敏度就是弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大
小。它是刚度的倒数，即
5
K dx dF 与刚度相似，如果元件弹性特性是线性的，则灵敏度为常
6
❖4. 弹性后效 弹性敏感元件所加载荷改变后， 不是立即完成相应的变形，而 是在一定时间间隔中逐渐完成 变形的现象称为弹性后效现象。 由于弹性后效存在，弹性敏感元件的变形不能迅速地随作
用力的改变而改 ❖ 5．固有振动频率 弹性敏感元件的动态特性与它的固有振动频率fo有很大
的关系，固有振动频率通常由实验测得。传感器的工作 频率应避开弹性敏感元件的固有振动频率。
电阻丝式应变片基本结构
应变片主要有金属应变片和半导 体应变片两类。金属片有丝式、 箔式、薄膜式3种电阻应变片
27
28
3．应变片的粘贴技术
① 应变片的检查 ② 试件的表面处理 ③ 确定贴片位置 ④ 粘贴应变片 ⑤ 固化处理 ⑥ 粘贴质量检查 ⑦ 引出线的固定与保护 ⑧ 防潮防蚀处理
29
30
4．应变片参数
为L，触点滑动位移量为x，两端输入电压为Ui，
则滑动端输出电压为
❖
Uo
x L
U
i
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角位移式电位器
❖ 对角位移式电位器来说，Uo与滑动臂的旋转角度 成正比，即
Uo
360
Ui
19
20
2.2.2 电位器传感器负 载特性
❖ 电位器输出端接有负载电阻时，其特性称为负载 特性。
❖ 在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着 发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。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。根据应力与应变的关系，得到应力值σ为 σ=E·ε
❖ 应力值σ正比于应变，而试件应变正比于电阻值的变化，
所以应力σ正比于电阻值的变化，这就是利用应变片测量 应变的基本原理。
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2.2.3 电位器传感器的应 用实例
❖ 1．电位器式压力传感器 ❖ YCD—150型远程压力表原理图
22
电位器式压力传感器的工作 原理
23
2．电位器式位移传感 器
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3．电位器式加速度传 感器
图2—17 电位器式加速度传感器示意图 1.惯性质量快 2.片弹簧 3.电位器 4.电刷 5.阻尼器 6..壳体
数；若弹性特性是非线性的，则灵敏度为变数。 ❖ 3. 弹性滞后 实际的弹性元件在加、卸载的正、 反行程中变形曲线是不重合的， 这种现象称为弹性滞后现象， 曲线1是加载曲线，曲线2是卸载曲线，曲线1、2所包围
的范围称为滞环。产生弹性滞后的原因主要是弹性敏感 元件在工作过程中分子间存在内摩擦，并造成零点附近 的不灵敏区。
第2章 电阻式传感器及应用
2020/9/14
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❖ 电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换 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。
❖ 常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速 度等。
❖ 电阻式传感器的结构简单、性能稳定、灵敏度较 高，有的还适合于动态测量。
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2.1 弹性敏感元件
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2.1.3 变换力的弹性敏感元件
❖ 所谓变换力的弹性敏感元件是指输入量 为力F，输出量为应变或位移的弹性敏 感元件。常用的变换力的弹性敏感元件 有实心轴、空心轴、等截面圆环、变截 面圆环、悬臂梁、扭转轴等 。
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变换力的弹性敏感元件
பைடு நூலகம்10
❖ 1．等截面轴 ❖ 2．环状弹性元件 ❖ 3．悬臂梁 ❖ 4．扭转轴
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2.2 电位器传感器
❖ 电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各种 电器和电子设备中。它是一种把机械的线位移或 角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻 或电压输出的传感元件，主要用于测量压力、高 度、加速度、航面角等各种参数的测量
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2.2.1 电位器的原理和基 本结构
❖ 1．电位器的转换原理
❖ （1）标准电阻值（R0） ❖ （2）绝缘电阻（RG） ❖ （3）灵敏度系数（K） ❖ （4）应变极限（ξmax） ❖（5）允许电流（Ie） 允许电流是指应变片允
许通过的最大电流。 ❖ （6）机械滞后
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2.3.2 测量转换电路
❖ 1．应变片测量应变的基本原理 ❖ 2．测量转换电路
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1．应变片测量应变的基本原理
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2.1.4 变换压力的弹性敏感元件 ❖1．弹簧管 （定性分析）
12
2.1.4 变换压力的弹性敏 感元件
❖ 2．波纹管
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2.1.4 变换压力的弹性敏 感元件
❖ 3．等截面薄板
14
2.1.4 变换压力的弹性敏 感元件
❖ 4．波纹膜片和膜盒
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2.1.4 变换压力的弹性敏 感元件
❖ 5．薄壁圆筒和薄壁半球
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2.1.2 弹性敏感元件的材料及基本要求
❖ （1）具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、 韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热 处理性能。
❖ （2）良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后 和弹性后效小等）。
❖ （3）弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线 膨胀系数小且稳定。
❖ （4）抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。
❖ 弹性元件在传感器中的作用，它基本上可以分为 两种类型：弹性敏感元件和弹性支撑。
❖ 前者感受力、力矩、压力等被测参数，并通过它 将被测量变换为应变、位移等，也就是通过它把 被测参数由一种物理状态转换为另一种所需要的 相应物理状态，故称为弹性敏感元件。
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2.1.1 弹性敏感材料的弹 性特性
❖弹性特性 ：作用在弹性敏感元件上的外力与由该 外力所引起的相应变形（应变、位移或转角）之 间的关系称为弹性元件的弹性特性
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2.3 电阻应变式传感器
❖2.3.1 应变片与应变效应 ❖ 1．电阻应变效应 ❖ 导体、半导体材料在外力作用下发生机械形变，
导致其电阻值发生变化的物理现象称为电阻应变 效应 ❖ 实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的 相对变化R/R与应变是成正比，即 ❖
R R
Kx
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2．电阻应变片的结构 与类型
33
2．测量转换电路
❖机械应变一般在10 µε～3 000 µε之间，而应变 灵敏度k值较小，因此电阻相对变化是很小的， 用一般测量电阻的仪表是难直接测出来，必须用 专门的电路来测量这种微弱的变化，最常用的电 路为直流电桥和交流电桥。
❖ 1．刚度 ❖ 2．灵敏度 ❖ 3．弹性滞后 ❖ 4．弹性后效 ❖ 5．固有振动频率
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❖ 1. 刚度 ❖刚度是弹性敏感元件在外力作用下抵抗变形的能力 。
k lim F dF x0 x dx
❖2. 灵敏度 ❖ 灵敏度就是弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大
小。它是刚度的倒数，即
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K dx dF 与刚度相似，如果元件弹性特性是线性的，则灵敏度为常
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❖4. 弹性后效 弹性敏感元件所加载荷改变后， 不是立即完成相应的变形，而 是在一定时间间隔中逐渐完成 变形的现象称为弹性后效现象。 由于弹性后效存在，弹性敏感元件的变形不能迅速地随作
用力的改变而改 ❖ 5．固有振动频率 弹性敏感元件的动态特性与它的固有振动频率fo有很大
的关系，固有振动频率通常由实验测得。传感器的工作 频率应避开弹性敏感元件的固有振动频率。
电阻丝式应变片基本结构
应变片主要有金属应变片和半导 体应变片两类。金属片有丝式、 箔式、薄膜式3种电阻应变片
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3．应变片的粘贴技术
① 应变片的检查 ② 试件的表面处理 ③ 确定贴片位置 ④ 粘贴应变片 ⑤ 固化处理 ⑥ 粘贴质量检查 ⑦ 引出线的固定与保护 ⑧ 防潮防蚀处理
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4．应变片参数