第三讲 电阻传感器原理

湖北工业大学机械学院传感器测量原理(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工程测试技术基础湖北工业大学机械学院概述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。湖北工业大学机械学院辅助电源敏感元件转换元件基本转换电路被测量电量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。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。传感器的组成湖北工业大学机械学院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。弹性敏感元件（弹簧管）弹簧管(布尔登管）将压力转换为角位移αP418湖北工业大学机械学院最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，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气体压力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。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。湖北工业大学机械学院2、按传感器的工作机理，分为结构型与物性型1、按照被测物理量，分为位移、压力、振动、温度传感器等，表明传感器的用途传感器的分类1)结构型传感器：依赖结构参数的变化实现信息转换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湖北工业大学机械学院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湖北工业大学机械学院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,第二讲传感器测量原理（1）AlR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.湖北工业大学机械学院（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.数学模型一、变阻器式传感器（电位器式传感器）xL湖北工业大学机械学院变阻式传感器•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;x,Rxl,RUiUolx=RRx=UiUoxRRRxKxl湖北工业大学机械学院电位计0UiU0xlioUUUxKxl电位计空载输出电压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。湖北工业大学机械学院动手做一做•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.湖北工业大学机械学院1.结构误差阶梯特性与阶梯误差（二）工程应用中存在的问题UmlU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。湖北工业大学机械学院(1)阶梯特性输出电压随x的变化是不连续的，而是阶梯形的折线。(2)阶梯误差理论特性曲线：通过每个阶梯中点的曲线。阶梯误差：阶梯形曲线围绕理论特性曲线上下波动产生的偏差。湖北工业大学机械学院U0UscVRLRR0-R2.负载特性负载特性与负载误差0200LscLRRUURRRRR湖北工业大学机械学院•若使非线性误差2%,必须有RL(10~20)R0lULRmRm为电位计的负载系数湖北工业大学机械学院（三）产品及应用某些电刷结构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。湖北工业大学机械学院按制作方式：线绕电位器导电塑料电位器普通塑料基底导电材料粉线绕电位器薄膜电位器湖北工业大学机械学院(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湖北工业大学机械学院特点及应用•优点结构简单,性能稳定,输出信号大,一般不用放大,受外界条件影响小等优点•缺点动态响应差,精度差,分辨率低湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院YCO-l50型压力传感器原理图湖北工业大学机械学院膜盒电位器式压力传感器原理图湖北工业大学机械学院电位器式加速度传感器示意图湖北工业大学机械学院电位计的技术指标技术参数直线型旋转型输入范围2mm~8m10~60圈分辨率50um0.2°~2°线性度0.002%~0.1%FS最高频率3Hz额定功率0.1~50W总电阻20~200kΩ温度系数20×10-6/℃~1000×10-6/℃寿命108次循环湖北工业大学机械学院•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?湖北工业大学机械学院案例：重量的自动检测--配料设备比较重量设定原材料原理：弹簧-力-位移-电位器-电阻湖北工业大学机械学院案例：煤气包储量检测煤气包钢丝原理：钢丝-收线圈数-电位器-电阻湖北工业大学机械学院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。湖北工业大学机械学院拉压湖北工业大学机械学院电阻应变式传感器的工作原理基于四个基本的转换环节：力(F)→应变(ε)→电阻变化(∆R)→电压输出(∆V)力→应变由敏感元件完成，依赖于传感器的结构；应变→电阻变化由应变式转换元件完成，即金属应变效应；电阻变化→电压输出则由测试电路完成。湖北工业大学机械学院（1）导电材料的电阻应变效应应变效应：导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值发生变化的现象。图示，长，截面积为A的金属电阻丝，未受力时原始电阻值为：lAlR电阻应变计的基本原理结构和应用图2.1导体受拉伸后的参数变化当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长dl，横截面积相应减小dA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了dρ，从而引起电阻值相对变化量为：湖北工业大学机械学院122212121122dRdldAddldrdRlAlrdldrlrdrdlrldEEdREEREdRdRRSRdll，纵向应变；为横向应变，为泊桑比，为材料的弹性模量，为压阻系数（）（）是尺寸改变引起的，同一材料（）是常数；是电阻率变化引起的，一般很小（）（，可忽略；，则灵敏）度常数湖北工业大学机械学院金属电阻应变片（丝式、箔式、薄膜式）（1）丝式应变片将金属电阻丝（一般是合金，电阻率较高，直径约0.02mm）粘贴在绝缘基片上，上面覆盖一层薄膜，使它们变成一个整体。基片覆盖层金属丝引线金属丝应变片结构（2）箔式应变片利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.003~0.010mm，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。箔式应变片湖北工业大学机械学院（3）金属薄膜应变片薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。常用应变片的形式湖北工业大学机械学院(1)敏感栅——实现应变-电阻转换的敏感元件。通常由直径为0.015～0.05mm的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。(2)基底——为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。一般0.02～0.04mm。(3)引线——起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。通常取直径约0.1～0.15mm的低阻镀锡铜线。(4)盖层——用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防(5)粘结剂——制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；使用应变计时，用它把应变计基底粘贴在试件表面的湖北工业大学机械学院金属应变计湖北工业大学机械学院（2）半导体材料的压阻效应压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。21212dREERdRERdRRSEE:（）（）是尺寸改变引起的，是电阻率变化引起。对半导体而言，后者远大于前者，是电阻变化的主因。，比金属应变片大50灵敏度70倍优点：体积小，灵敏度高，频率响应范围宽，输出幅值大，不需要放大器。缺点：其温度系数大，应变时非线性较严重。湖北工业大学机械学院应变片的主要参数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）。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。湖北工业大学机械学院应变片的误差及补偿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；应变片与衬底材料的热膨胀系数不一样。应变片测量的另一误差来自应变片的大小和测点的位置TRRfTgfgTTSTSRR1Tsgsg)(湖北工业大学机械学院温度补偿（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,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电路补偿法焊点RaRb湖北工业大学机械学院如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为式中A——由桥臂电阻和电源电压决定的常数。3241RRRRAUSCUSCR2R4R1R3U桥路补偿法由上式可知，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。湖北工业大学机械学院测量应变时，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。补偿应变片粘贴示意图R1R2湖北工业大学机械学院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，即上式中可以选择R1=R2=R及R3=R4=R′。当温度升高或降低时，若ΔR1t=ΔR2t，即两个应变片的热输出相等，可知电桥的输出电压为零。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。03241RRRRAUSC湖北工业大学机械学院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。R1R2FFR1R2（b）（a）F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