最新Part2电位器式和应变片式电阻传感器
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Part2电位器式和应变片式电阻 传感器
一类电阻式传感器：
1. 测电流：
在被测线路上直接串接一个相对很 小的电阻（尽量不影响该线路上电流的 大小），从电阻两端输出测量信号。
例如，电缆厂高速小拉机上的……
一、线绕电位计的结构
二、线绕电位计的工作原理
根据欧姆定律：R l
A
以线位移型为例：
连续的，而是一条阶梯
形的折线。
2) 阶梯误差
x
理论特性曲线 通过 0
每个阶梯中点的曲线。
阶梯误差 阶特梯形
曲线围绕理论特性曲线 上下波动产生的偏差。
输出特性二
2. 负载特性和负载误差
1) 负载特性 电位计有负载的情况下 得到的特性。
一般表达式：
Y 1
r r r2
KL KL
Y Uc 相对输出电压
四、电位计式传感器的应用
• 电位计式压力传感器
• 电位计式加速度计
电位计式加速度传感器
1——惯性敏感质量；2——弹簧片；3——电阻元件； 4——电刷；5——活塞阻尼器；6——壳体。
总结
原始 输入量
位移
变换 原理 欧姆 定律
物理 现象
结构型
能量 关系
控制型
输出量
电阻或 电压
§2-2 电阻应变式传感器
U 0(R 1R 1R R 4 2)R R (3 2R 3R4)U
电桥平衡条件为： R1R4=R2R3
一般取 R1= R2= R3= R4=R
当R RR 时， U0相应变化
半桥和全桥
假设R1=R2=R3=R4
半桥
半桥单臂
U0
1RU 4R
根据参与工 作的桥臂数
半桥双臂
U0
1RU 2R
全桥
U0
RU R
金属的应变效应
金属丝轴向x应 d变LL 金属丝横向y应d变rr
dr
r dL
L
称为泊松比
dS2dr Sr
d R R (1 2 )x d (1 2 )x
金属丝的电阻应变效应 金属丝的电阻值随 着金属丝的几何尺寸变化（伸长或缩短）而发 生相应的变化的现象。
2. 结构和形式
种类
3. 电阻-应变特性
若变阻器式：RxRL xSRx
SR 电阻灵敏度：表示电刷单位位移能引起的 输出电阻的变化量
若分压器式：Uc UL xSVx
SV 电压灵敏度：表示电刷单位位移能引起的输 出电压的变化量
SR、SV均是常数
三、线绕电位计的输出特性
1. 阶梯特性和阶梯误差
1) 阶梯特性 电位计
Rx
输出电压随x的变化是不
dRR (12)xd
dEx
压阻效应系数
E 弹性模数
实验表明：E>>1+2
半导体应变片的灵敏系数
dR
KB
RE x
§2-2-2 测量电路
测量过程
力、压力 敏感元件
应变变化 应变片
电阻变化 电阻应变仪
电压或电流的变化 并显示和记录
按
激
励 直流电桥
电 压
交流电桥
wk.baidu.com
性
质
一、直流电桥 1、不平衡桥式
直流不平衡式电桥形式
• 若RL≠∞，则为非线性，如上图所示。
输出特性三
2) 负载误差 由于负 载电阻不是无限大， 而是可与电位计电阻 值相比的有限值，造 成负载特性为一下垂 曲线，产生误差，也 称非线性误差。
电刷在起始和最终位 置时，负载误差 eL=0
电刷在相对行程X=1/2时，负载误差 eL max，且m，eL
二、温度补偿
1. 自补偿法 1）单丝自补偿法 2）组合式自补偿法
a.选用两者具有不同符号的电阻温度系数 b.两种串接的电阻丝具有相同符号的温度系数
dRR (12)xd
令 KsdxR R(12)dx
Ks越大，越灵敏
Ks 金属丝的灵敏系数：表示金属丝产生单位 变形时，电阻相对变化的大小。
Ks只能靠实验求得，而
dR R
x
R R
Ksx
R 电阻应变片的灵K敏系R数
x
一般 K<Ks，K是通过抽样测定的 ，故称标称 灵敏系数。
二、半导体应变片
半导体材料有明显的压阻效应，即 半导体材料的电阻率随作用应力而变化。
2、平衡桥路原理
H的读数桥臂电阻变化R
特点：电表G始终指零，与 输入电压U无关，故测量 误差仅取决于可变电位 器的精度及刻线精度， 而与电源无关，这种方 法称为“零位法” 。
二、交流电桥
输出电压
U0(Z 1Z 1Z Z 4 2)Z (Z 32Z 3Z 4)U
平衡条件 Z1Z4Z2Z3
设各臂阻抗为 ZZej
Z—复阻抗的模
则 Z 1 Z 4 e j( 1 4 ) Z 2 Z 3 e j( 2 3 )
根据复数相等条件可得交流电桥平衡条件为
Z1Z4Z2Z3
1423
在测量前对电桥应分别进行电阻、 电容平衡，即R1R4=R2R3
R1C1=R2C2
§2-2-3 温度误差及其补偿
一、温度误差
1. 敏感栅电阻随温度的变化引起的误差 2. 试件材料的线膨胀引起的误差
根据应变片的材料不同，可分为两种 金属电阻应变片
半导体应变片
§2-2-1 电阻应变片
一、金属电阻应变片
1. 金属的应变效应
根据欧姆定律： R l
S
d R R Ld L R Sd S Rd
d Rd LRd SLd
SSS
d R R d L L d S Sd (1d dS L S L )d L L d
U0 S桥RRU
讨论
1) 电桥接法与电桥灵敏度的关系： S半桥单臂：S半桥双臂：S全桥=1：2：4
2) 电桥联接的规律 电阻变化符号相反的联入相邻臂中 电阻变化符号相同的联入相对臂中
3) 桥臂电阻数与输出之关系
U0
R R
22RRRRU0
单纯的增加桥臂电阻数不会增加输出， 但可以起平均作用及消除干扰的作用。
UC
U
r Rx 电刷的相对变化 R
KL
RL R
负载系数的倒数
对负载特性的讨论：
•
当
KL
RL R
时，特性曲线变成直线，它实
为空载特性
• 当带有负载时，曲线下垂，负载越小， 下垂越多，产生的负载误差越大。
• 设有显示器其输入为0～5V时，相应地显 示0.00 ～ 5.00。
• 若UC接入该显示器，且U=5V、RL=∞， 则当x由0逐渐增大到L时，显示器随x的 变化线性地显示0.00 ～ 5.00。（特性为 一斜线）
优点：
➢结构简单，使用方便，性能稳定、可靠； ➢易于实现测试过程自动化和多点同步测
量，以及远距测量和遥测； ➢灵敏度高，测量速度快，适合静态、动
态测量； ➢可测多种物理量，如：位移、加速度、
力、力矩、压力等。
工作原理及分类
电阻应变式传感器的工作原理是将电阻应 变片粘贴到各种弹性敏感元件上，使物 理量的变化变成应变片的应力、应变变 化，从而变成电阻值变化。
一类电阻式传感器：
1. 测电流：
在被测线路上直接串接一个相对很 小的电阻（尽量不影响该线路上电流的 大小），从电阻两端输出测量信号。
例如，电缆厂高速小拉机上的……
一、线绕电位计的结构
二、线绕电位计的工作原理
根据欧姆定律：R l
A
以线位移型为例：
连续的，而是一条阶梯
形的折线。
2) 阶梯误差
x
理论特性曲线 通过 0
每个阶梯中点的曲线。
阶梯误差 阶特梯形
曲线围绕理论特性曲线 上下波动产生的偏差。
输出特性二
2. 负载特性和负载误差
1) 负载特性 电位计有负载的情况下 得到的特性。
一般表达式：
Y 1
r r r2
KL KL
Y Uc 相对输出电压
四、电位计式传感器的应用
• 电位计式压力传感器
• 电位计式加速度计
电位计式加速度传感器
1——惯性敏感质量；2——弹簧片；3——电阻元件； 4——电刷；5——活塞阻尼器；6——壳体。
总结
原始 输入量
位移
变换 原理 欧姆 定律
物理 现象
结构型
能量 关系
控制型
输出量
电阻或 电压
§2-2 电阻应变式传感器
U 0(R 1R 1R R 4 2)R R (3 2R 3R4)U
电桥平衡条件为： R1R4=R2R3
一般取 R1= R2= R3= R4=R
当R RR 时， U0相应变化
半桥和全桥
假设R1=R2=R3=R4
半桥
半桥单臂
U0
1RU 4R
根据参与工 作的桥臂数
半桥双臂
U0
1RU 2R
全桥
U0
RU R
金属的应变效应
金属丝轴向x应 d变LL 金属丝横向y应d变rr
dr
r dL
L
称为泊松比
dS2dr Sr
d R R (1 2 )x d (1 2 )x
金属丝的电阻应变效应 金属丝的电阻值随 着金属丝的几何尺寸变化（伸长或缩短）而发 生相应的变化的现象。
2. 结构和形式
种类
3. 电阻-应变特性
若变阻器式：RxRL xSRx
SR 电阻灵敏度：表示电刷单位位移能引起的 输出电阻的变化量
若分压器式：Uc UL xSVx
SV 电压灵敏度：表示电刷单位位移能引起的输 出电压的变化量
SR、SV均是常数
三、线绕电位计的输出特性
1. 阶梯特性和阶梯误差
1) 阶梯特性 电位计
Rx
输出电压随x的变化是不
dRR (12)xd
dEx
压阻效应系数
E 弹性模数
实验表明：E>>1+2
半导体应变片的灵敏系数
dR
KB
RE x
§2-2-2 测量电路
测量过程
力、压力 敏感元件
应变变化 应变片
电阻变化 电阻应变仪
电压或电流的变化 并显示和记录
按
激
励 直流电桥
电 压
交流电桥
wk.baidu.com
性
质
一、直流电桥 1、不平衡桥式
直流不平衡式电桥形式
• 若RL≠∞，则为非线性，如上图所示。
输出特性三
2) 负载误差 由于负 载电阻不是无限大， 而是可与电位计电阻 值相比的有限值，造 成负载特性为一下垂 曲线，产生误差，也 称非线性误差。
电刷在起始和最终位 置时，负载误差 eL=0
电刷在相对行程X=1/2时，负载误差 eL max，且m，eL
二、温度补偿
1. 自补偿法 1）单丝自补偿法 2）组合式自补偿法
a.选用两者具有不同符号的电阻温度系数 b.两种串接的电阻丝具有相同符号的温度系数
dRR (12)xd
令 KsdxR R(12)dx
Ks越大，越灵敏
Ks 金属丝的灵敏系数：表示金属丝产生单位 变形时，电阻相对变化的大小。
Ks只能靠实验求得，而
dR R
x
R R
Ksx
R 电阻应变片的灵K敏系R数
x
一般 K<Ks，K是通过抽样测定的 ，故称标称 灵敏系数。
二、半导体应变片
半导体材料有明显的压阻效应，即 半导体材料的电阻率随作用应力而变化。
2、平衡桥路原理
H的读数桥臂电阻变化R
特点：电表G始终指零，与 输入电压U无关，故测量 误差仅取决于可变电位 器的精度及刻线精度， 而与电源无关，这种方 法称为“零位法” 。
二、交流电桥
输出电压
U0(Z 1Z 1Z Z 4 2)Z (Z 32Z 3Z 4)U
平衡条件 Z1Z4Z2Z3
设各臂阻抗为 ZZej
Z—复阻抗的模
则 Z 1 Z 4 e j( 1 4 ) Z 2 Z 3 e j( 2 3 )
根据复数相等条件可得交流电桥平衡条件为
Z1Z4Z2Z3
1423
在测量前对电桥应分别进行电阻、 电容平衡，即R1R4=R2R3
R1C1=R2C2
§2-2-3 温度误差及其补偿
一、温度误差
1. 敏感栅电阻随温度的变化引起的误差 2. 试件材料的线膨胀引起的误差
根据应变片的材料不同，可分为两种 金属电阻应变片
半导体应变片
§2-2-1 电阻应变片
一、金属电阻应变片
1. 金属的应变效应
根据欧姆定律： R l
S
d R R Ld L R Sd S Rd
d Rd LRd SLd
SSS
d R R d L L d S Sd (1d dS L S L )d L L d
U0 S桥RRU
讨论
1) 电桥接法与电桥灵敏度的关系： S半桥单臂：S半桥双臂：S全桥=1：2：4
2) 电桥联接的规律 电阻变化符号相反的联入相邻臂中 电阻变化符号相同的联入相对臂中
3) 桥臂电阻数与输出之关系
U0
R R
22RRRRU0
单纯的增加桥臂电阻数不会增加输出， 但可以起平均作用及消除干扰的作用。
UC
U
r Rx 电刷的相对变化 R
KL
RL R
负载系数的倒数
对负载特性的讨论：
•
当
KL
RL R
时，特性曲线变成直线，它实
为空载特性
• 当带有负载时，曲线下垂，负载越小， 下垂越多，产生的负载误差越大。
• 设有显示器其输入为0～5V时，相应地显 示0.00 ～ 5.00。
• 若UC接入该显示器，且U=5V、RL=∞， 则当x由0逐渐增大到L时，显示器随x的 变化线性地显示0.00 ～ 5.00。（特性为 一斜线）
优点：
➢结构简单，使用方便，性能稳定、可靠； ➢易于实现测试过程自动化和多点同步测
量，以及远距测量和遥测； ➢灵敏度高，测量速度快，适合静态、动
态测量； ➢可测多种物理量，如：位移、加速度、
力、力矩、压力等。
工作原理及分类
电阻应变式传感器的工作原理是将电阻应 变片粘贴到各种弹性敏感元件上，使物 理量的变化变成应变片的应力、应变变 化，从而变成电阻值变化。