第六章第六章 电阻传感器电阻传感器v第一节第一节 电位器传感器电位器传感器v第二节第二节 电阻应变传感器电阻应变传感器v第三节第三节 热热电阻传感器电阻传感器被测量变化导致电阻、电感或电容量变化的敏感元件统称为电参数传感器。第一节第一节 电位器传感器电位器传感器一、组成与原理一、组成与原理1、组成：常用电位器传感器由电位器（骨、组成：常用电位器传感器由电位器（骨 架、电阻丝架、电阻丝 ）和触点机构（电刷等）电）和触点机构（电刷等）电 位器传感器。位器传感器。2、要求：被测量需要有一定的功率输出，、要求：被测量需要有一定的功率输出， 后级输入电阻要大。后级输入电阻要大。3、特点：输出功率大，测量线路简单，但、特点：输出功率大，测量线路简单，但 线性与精度不高。线性与精度不高。 二、用途二、用途 把位移量转换为电阻变化把位移量转换为电阻变化传感器及应用技术传感器及应用技术1 2 3 132直线型直线型旋转型旋转型输出与灵敏度推导输出与灵敏度推导RLUxARLUVx作作业业V VUR4R3R1R2RLx五、噪声五、噪声 由电刷移动产生（压力、材料匹配、固有由电刷移动产生（压力、材料匹配、固有频率等），阶梯特性带来的阶梯误差。频率等），阶梯特性带来的阶梯误差。 另外，易磨损，寿命短，容易受到振动而另外，易磨损，寿命短，容易受到振动而改变位置，不便于遥控操作。改变位置，不便于遥控操作。一、概念：一、概念：1.1.电阻应变计是将被测量的力（压力、荷重、扭力电阻应变计是将被测量的力（压力、荷重、扭力等）通过它所产生的金属弹性变形转换成电阻变化等）通过它所产生的金属弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。它是由电阻应变片和测量线路两部分的敏感元件。它是由电阻应变片和测量线路两部分组成。组成。2 2、特点：参量类、特点：参量类外加物理量引起参数变化（外加物理量引起参数变化（R R、L L、C C），），属无源式。属无源式。 第二节第二节 电阻应变传感器电阻应变传感器二、电阻丝式应变计结构二、电阻丝式应变计结构 用直径为用直径为0.025mm0.025mm的具有高阻率的电阻丝排列成栅网的具有高阻率的电阻丝排列成栅网状，并粘贴在绝缘的基片上，电阻丝的两端焊接有引出状，并粘贴在绝缘的基片上，电阻丝的两端焊接有引出导线，线栅上面粘贴有覆盖层（保护用）。可有如下形导线，线栅上面粘贴有覆盖层（保护用）。可有如下形状：状：lbl l称应变片的称应变片的 标距或工作基长标距或工作基长b b称应变片的称应变片的 工作宽度工作宽度b*b*l l称应变片的规格称应变片的规格 丝式丝式(wire gauge)(wire gauge) 箔式箔式(foil gauge)(foil gauge) 通过光刻、腐通过光刻、腐蚀而成，散热条件蚀而成，散热条件好，电流密度高，好，电流密度高，灵敏度高，可制成灵敏度高，可制成任意形状。任意形状。 薄膜式薄膜式 (film gauge)(film gauge) 真空蒸镀技术制真空蒸镀技术制成，特点同上。成，特点同上。三、电阻丝的应变效应三、电阻丝的应变效应1 1、应变：由于外因使物体的形状尺寸所发生的相、应变：由于外因使物体的形状尺寸所发生的相对改变。对改变。2 2、工作原理、工作原理: :应变效应应变效应 用相对变化量表示：用相对变化量表示：受力后各部分的变化引起受力后各部分的变化引起电阻的变化电阻的变化 或或对于直径为对于直径为r的圆形截面电阻丝：的圆形截面电阻丝：直径与长度的直径与长度的关系系数：泊关系系数：泊松系数松系数太小，可忽略太小，可忽略=0.30.5K=1.62 =10-610-3 灵敏度系数灵敏度系数K K的意义：的意义： 单位应变所引起的电阻相对变化，主要是单位应变所引起的电阻相对变化，主要是受力后材料的几何尺寸变化引起。受力后材料的几何尺寸变化引起。3 3、结论：、结论： 金属电阻丝的电阻相对变化率与轴向应变金属电阻丝的电阻相对变化率与轴向应变成正比。成正比。4 4、特点：、特点：优点优点: : 稳定性和温度特性好稳定性和温度特性好. .缺点缺点: : 灵敏度系数小灵敏度系数小. .五、电阻应变传感器的测量电路五、电阻应变传感器的测量电路 1、电桥的特点、电桥的特点：当四个桥臂电阻达到某一关：当四个桥臂电阻达到某一关系时，电桥输出为零，可测微小的电阻变化，系时，电桥输出为零，可测微小的电阻变化，灵敏度和准确度均高。下面为直流电桥。灵敏度和准确度均高。下面为直流电桥。U0平衡时：平衡时：测量前应调零，使输出值测量前应调零，使输出值只与电阻的应变相关只与电阻的应变相关R1R2R3R4ABCDU电桥的特点（电桥的特点（电桥的特点（电桥的特点（P81P81） ：电桥平衡条件：仅由桥臂各参数之间的关系确定，与电桥平衡条件：仅由桥臂各参数之间的关系确定，与电桥平衡条件：仅由桥臂各参数之间的关系确定，与电桥平衡条件：仅由桥臂各参数之间的关系确定，与电源电压及指零器内阻无关电源电压及指零器内阻无关电源电压及指零器内阻无关电源电压及指零器内阻无关。平衡电桥各臂灵敏度相等平衡电桥各臂灵敏度相等平衡电桥各臂灵敏度相等平衡电桥各臂灵敏度相等当当当当R1 = R2 = R3 = R4时电桥灵敏度最大时电桥灵敏度最大时电桥灵敏度最大时电桥灵敏度最大R1RxR3ABCDUU0QJ23QJ23简图简图简图简图QJ23QJ23电阻测量范围：电阻测量范围：电阻测量范围：电阻测量范围：1 110106 6准确度：准确度：0.20.2级（在级（在10010099999999内）内）测量测量1 11010-5-5小小电阻电阻应用双电桥。应用双电桥。2、工作原理：、工作原理：条件：条件： 电桥负载电阻无穷大，电桥负载电阻无穷大，Ri Ri 有：有：1）单臂电桥：）单臂电桥： R1为应变片并且为应变片并且 R1 = R2 = R3 = R4 则：则：应变前相等2）双臂电桥双臂电桥：静态时：静态时：R1 = R2 = R3 = R4 R1为拉应变片为拉应变片 R2 为压应变片为压应变片则：则：灵敏度为单灵敏度为单臂电桥的臂电桥的2倍倍精度高精度高线性好线性好R1R2R3R4ABCDUU03）全桥情况：）全桥情况：R1 = R2 = R3 = R4 均为应变片均为应变片 Ri / Ri =Ki 则：则：灵敏度为单臂灵敏度为单臂电桥的电桥的4倍倍精度高精度高线性好线性好R1R2R3R4ABCDUU0结论：结论： 差动电桥灵敏度高，可克服非线性误差，并差动电桥灵敏度高，可克服非线性误差，并有温度补偿作用（同向误差抵消）。有温度补偿作用（同向误差抵消）。 电桥灵敏度正比于电桥供电电压，但提高电电桥灵敏度正比于电桥供电电压，但提高电压受到应变片允许功率的限制。采用高内阻的恒压受到应变片允许功率的限制。采用高内阻的恒流源供电流源供电, ,电桥可减少非线性误差。电桥可减少非线性误差。R1R2R3R4UU0R1R2R3R4UU0直流直流电桥电桥的调的调零零六、半导体应变片六、半导体应变片1、压阻效应：、压阻效应： 对半对半导体的某导体的某一轴向施一轴向施加一定的加一定的载荷而产载荷而产生应变力生应变力时，其电时，其电阻率会发阻率会发生一定的生一定的变化。变化。2、压阻效应的大小用压阻系数来表示：、压阻效应的大小用压阻系数来表示：纵向所受应力纵向所受应力纵向所受应力纵向所受应力横向压阻系数横向压阻系数横向压阻系数横向压阻系数纵向压阻系数纵向压阻系数纵向压阻系数纵向压阻系数横向所受应力横向所受应力横向所受应力横向所受应力电阻率的相电阻率的相电阻率的相电阻率的相对变化率对变化率对变化率对变化率若只沿其纵向受到应力，令若只沿其纵向受到应力，令则则半导体材料的弹性系数半导体材料的弹性系数半导体材料的弹性系数半导体材料的弹性系数纵向的应变纵向的应变纵向的应变纵向的应变其中第一、二项是几何形状变化对电阻的影响，其中第一、二项是几何形状变化对电阻的影响，其值约为其值约为12；第三项为压阻效应的影响，其值；第三项为压阻效应的影响，其值约为第一、二项的约为第一、二项的5070倍。倍。七、应用方法七、应用方法方法一：将电阻应变片直接贴在被测点上，用专门方法一：将电阻应变片直接贴在被测点上，用专门的电阻应变仪测出该点的应变。的电阻应变仪测出该点的应变。方法二：将其贴在弹性元件上，弹性元件在被测物方法二：将其贴在弹性元件上，弹性元件在被测物理量作用下变形，应变片作为传感元件将应变转理量作用下变形，应变片作为传感元件将应变转换为电阻的变化。换为电阻的变化。3、特点：、特点： 灵敏系数高，可测微小应变，机械迟滞和横向灵敏系数高，可测微小应变，机械迟滞和横向效应小，体积小。效应小，体积小。 但温度稳定性差，灵敏系数非线性大，需补偿但温度稳定性差，灵敏系数非线性大，需补偿 被测量（力）被测量（力）受力结构的应变受力结构的应变电阻的变化电阻的变化率率 最终电阻变化率与受力结构相关（形状、尺最终电阻变化率与受力结构相关（形状、尺寸、材料、热处理、加工厚度、角度）寸、材料、热处理、加工厚度、角度）误差分析：误差分析：1 1、横向效应、横向效应 横向缩短作用引起的电阻值的减小对于横向缩短作用引起的电阻值的减小对于轴向伸长作用引起的电阻值的增加量起着抵轴向伸长作用引起的电阻值的增加量起着抵消的作用，它使所测应变数值偏小，或说使消的作用，它使所测应变数值偏小，或说使应变片灵敏系数减小。弯曲半径越大，横向应变片灵敏系数减小。弯曲半径越大，横向效应也越大。效应也越大。 通过改变电阻丝排列的形状可减小之。通过改变电阻丝排列的形状可减小之。2 2、温度影响：由于环境温度改变引起电阻值变化、温度影响：由于环境温度改变引起电阻值变化1 1） 由电阻丝温度系数由电阻丝温度系数引起；引起；2 2） 由电阻丝与被测件材料的线膨胀系数由电阻丝与被测件材料的线膨胀系数1 1、2 2的的 不同引起的。不同引起的。 当温度变化当温度变化tt, , 应变片电阻的增量应变片电阻的增量RRt t可用下可用下式表示：式表示： RRt t=R=Rt+Rt+RK(K(1 1- - 2 2)t)t = R = R+K(+K(1 1- - 2 2t t 令令 t t= +K(= +K(1 1- - 2 2) ) 则：则： RRt t= R= Rt ttt 1）热敏电阻补偿（）热敏电阻补偿（串联弹性模量补偿电阻器降串联弹性模量补偿电阻器降低电桥输出电压）低电桥输出电压）T KU0 U0 RtU0 2)工作片：承受应力工作片：承受应力 补偿片：不受应力补偿片：不受应力U0不变不变R3R4U0UR1R0RtR2R1R2R3R4ABCDUU0补偿片工作片温度补偿温度补偿2. 2. 蠕变自补偿：蠕变自补偿： 因其材料的滞弹性效应而存在固有微蠕变特因其材料的滞弹性效应而存在固有微蠕变特性：性：基底存在粘弹性基底存在粘弹性贴片用粘结剂存在粘弹性贴片用粘结剂存在粘弹性 敏感栅材料滞弹性效应敏感栅材料滞弹性效应迭加后的结果是呈现或正或负的蠕变特性迭加后的结果是呈现或正或负的蠕变特性补偿方法：补偿方法： 通过改变敏感栅结构设计、调整基底材料配比及通过改变敏感栅结构设计、调整基底材料配比及关键工艺参数。关键工艺参数。选择蠕变与弹性体固有蠕变数值相等但方向相反的应选择蠕变与弹性体固有蠕变数值相等但方向相反的应变计变计3.3.弹性模量自补偿：弹性模量自补偿： 材料的弹性模量一般随着环境温度的升高而下降材料的弹性模量一般随着环境温度的升高而下降 根据虎克定律：根据虎克定律：=/E=/E，随着温度的升高构件的变形量将随着温度的升高构件的变形量将增大，因而应变计所测量的应变增大，因而应变计所测量的应变也随之增加。也随之增加。 补偿原理：补偿原理：根据根据 R/R=R/R=KK，如果应变计的灵敏系数如果应变计的灵敏系数K K能随能随温度升高而适当降低，则应变计的输出不随温度改变。温度升高而适当降低，则应变计的输出不随温度改变。 补偿方法：补偿方法：将弹性模量与弹性体材料良好匹配。将弹性模量与弹性体材料良好匹配。 补偿特点：补偿特点：精度、灵敏度高、稳定性好、简单、价廉。精度、灵敏度高、稳定性好、简单、价廉。 问题：问题：应变计热输出值较大，致使传感器输出电阻温度系应变计热输出值较大，致使传感器输出电阻温度系数超差，零点温度漂移较大。应兼顾温度自补偿与弹性模量。数超差，零点温度漂移较大。应兼顾温度自补偿与弹性模量。另外须注意的事项：应变极限，疲劳寿命，绝另外须注意的事项：应变极限，疲劳寿命，绝缘电阻，最大电流。缘电阻，最大电流。 分类分类应变计应变计金属应变计金属应变计压电二极管压电二极管,压电晶体压电晶体管管半导体应变计半导体应变计丝丝 式式箔箔 式式薄膜式薄膜式薄模型薄模型体体 型型扩散型扩散型第二节 热电阻传感器概念：利用电阻随温度变化的特性制成的传感概念：利用电阻随温度变化的特性制成的传感器。器。主要检测参数：温度、与温度有关的参量。主要检测参数：温度、与温度有关的参量。分类（性质）：分类（性质）：1 1）金属热电阻（热电阻）金属热电阻（热电阻） 2 2）半导体热电阻（热敏电阻）半导体热电阻（热敏电阻）一、金属热电阻（热电阻）一、金属热电阻（热电阻）1 1、材料：要求有大的、稳定的温度系数，、材料：要求有大的、稳定的温度系数， 大，线性好，性能稳定，便于生产大，线性好，性能稳定，便于生产 （铜、铂、镍）。（铜、铂、镍）。2 2、特点：测温精度较高，范围广（、特点：测温精度较高，范围广（-200-200600600 0 0 C C），），稳定性、重复性好。但热稳定性、重复性好。但热 惯性大，灵敏度低。惯性大，灵敏度低。3 3、结构：热电阻是由、结构：热电阻是由电阻体、绝缘套管和接电阻体、绝缘套管和接 线盒线盒等主要部件组成的，电阻丝是等主要部件组成的，电阻丝是 热电阻的最主要部分。热电阻的最主要部分。4 4、几种热电阻、几种热电阻1 1）铂电阻）铂电阻 阻值与温度的函数关系为阻值与温度的函数关系为: :其中：其中：A, B, C A, B, C 为常数为常数特点：精度高、稳定性好、性能可靠。特点：精度高、稳定性好、性能可靠。 测温范围广。测温范围广。我国分度：我国分度： R R R R0 0 0 0 = 46 = 46 = 46 = 46 BA1BA1BA1BA1 R R R R0 0 0 0 =100 =100 =100 =100 BA2BA2BA2BA2 R R R R100100100100 / R / R / R / R0 0 0 0 = 1.391 = 1.391 = 1.391 = 1.391结构：用很细的铂丝绕在云母片制成的平结构：用很细的铂丝绕在云母片制成的平 板性支架上，铂丝绕组的出线端与板性支架上，铂丝绕组的出线端与 银丝引出线相焊，并穿上瓷套管加银丝引出线相焊，并穿上瓷套管加 以绝缘和保护。以绝缘和保护。微型铂电阻微型铂电阻: : 特点是体积小，热惯性小，气特点是体积小，热惯性小，气 密性好密性好2 2）铜电阻）铜电阻适用范围：适用范围：-50-501501500 0C ,C ,精度要求不高的场合精度要求不高的场合优点：优点：铜的电阻与温度呈线性关系铜的电阻与温度呈线性关系电阻温度系数高电阻温度系数高易提纯，价格便宜易提纯，价格便宜缺点：机械强度不高、易氧化等缺点：机械强度不高、易氧化等, , 温度范围小。温度范围小。阻值与温度的函数关系为阻值与温度的函数关系为: : .25.25.2810.2810-3 -3 / /0 0C C 分度号分度号: : G R0 0=53 WZG WZG型（常用铜热电阻）型（常用铜热电阻）3 3）其它金属热电阻：）其它金属热电阻： 铟电阻，锰电阻，碳电阻铟电阻，锰电阻，碳电阻5 5、测温电路：、测温电路： 用电桥作为传感器的测量电路，在进行用电桥作为传感器的测量电路，在进行温度测量时特点是精度高，适于测低温。温度测量时特点是精度高，适于测低温。 热电阻的三线制：工业上用的铂电阻的热电阻的三线制：工业上用的铂电阻的引线为三根，目的是消除连接线电阻的影引线为三根，目的是消除连接线电阻的影响。响。R2RtR4RtR1tAt二、二、热敏电阻热敏电阻1）分类：）分类：直热式：由金属氧化物粉料（半导体）按一直热式：由金属氧化物粉料（半导体）按一 定比例挤压成型。定比例挤压成型。旁热式：除半导体外还有金属丝绕制的加热旁热式：除半导体外还有金属丝绕制的加热 器。器。2）特点：）特点： 非线性：非线性：R与与T呈指数关系呈指数关系 V与与I的变化不服从欧姆定律的变化不服从欧姆定律 稳定性差，一致性差（同一型号差稳定性差，一致性差（同一型号差35%） 灵敏度高（灵敏度高（可测量可测量0.001 0.001 0.0050.005度的微小变化）度的微小变化） 热惯性小，结构简单，使用广泛。热惯性小，结构简单，使用广泛。 本身电阻止在本身电阻止在3 3700700, , 可用于远距离测量可用于远距离测量 在在-50-50350350度范围内度范围内, , 线性度好线性度好特点：特点：片式负温度系片式负温度系数热敏电阻数热敏电阻BN系列珠状系列珠状NTC热敏电阻器热敏电阻器GN系列玻壳系列玻壳型型NTC热敏电热敏电阻器阻器PN系列功率系列功率型型NTC热敏热敏电阻器电阻器SN系列温度传感器系列温度传感器3）温度特性：）温度特性：NTC：具有负温度系数，阻值随温度升高而具有负温度系数，阻值随温度升高而 下降，一般下降，一般-50-503003000 0C CPTC：具有正温度系数，阻值随温度升高而具有正温度系数，阻值随温度升高而 升高升高NTC与与PTC均有突变型与缓变型，但均有突变型与缓变型，但NTC以以缓变型多，缓变型多， PTC以突变型多。以突变型多。电阻温度系数大：电阻温度系数大： NTC -2-6%/0 0C C PTC 110%/0 0C C 作作 业业 4）用途用途测微弱的温度变化，点温、面温，快速温测微弱的温度变化，点温、面温，快速温 度测量，低精度测温；度测量，低精度测温；温度补偿；温度补偿；温度开关；温度开关；温度控制；温度控制；稳定振幅、放大倍数、输出电压等。稳定振幅、放大倍数、输出电压等。热电阻的测温电路热电阻的测温电路: :电桥测温电桥测温R2R3R4A- + UR2R3R4BUA+ - R1tR1t双桥温差测量电路双桥温差测量电路R2R3R4U0URtR1tR0温度补偿温度补偿例：应变片测量的温度补偿例：应变片测量的温度补偿