1、第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器& 第一節第一節 電位器式電阻傳感器電位器式電阻傳感器& 第二節第二節 應變式電阻傳感器應變式電阻傳感器& 第三節第三節 電阻應變片的測量電路電阻應變片的測量電路第四節第四節 電阻傳感器應用電阻傳感器應用內容提要內容提要學習目標學習目標理解電位器式傳感器形式；了解線繞式電位理解電位器式傳感器形式；了解線繞式電位器原理；掌握應變效應、壓阻效應定義及意器原理；掌握應變效應、壓阻效應定義及意義；掌握應變電阻傳感器工作原理及測量電義；掌握應變電阻傳感器工作原理及測量電路；熟悉電阻傳感器應用。路；熟悉電阻傳感器應用。第二章第二章 電阻式傳感器

2、電阻式傳感器| 電位器是一種常用的機電元件，廣泛應用于各種電器和電位器是一種常用的機電元件，廣泛應用于各種電器和電子設備中。它主要是一種把機械的線位移或角位移輸電子設備中。它主要是一種把機械的線位移或角位移輸入量轉換為與它成一定函數關系的電阻或電壓輸出的傳入量轉換為與它成一定函數關系的電阻或電壓輸出的傳感元件來使用。它們主要用于測量壓力、高度、加速度、感元件來使用。它們主要用于測量壓力、高度、加速度、航面角等各種參數。航面角等各種參數。 | 電位器式傳感器具有一系列優點，如結構簡單、尺寸小、電位器式傳感器具有一系列優點，如結構簡單、尺寸小、重量輕、精度高、輸出信號大、性能穩定并容易實現任重量輕

3、、精度高、輸出信號大、性能穩定并容易實現任意函數。其缺點是要求輸入能量大，電刷與電阻元件之意函數。其缺點是要求輸入能量大，電刷與電阻元件之間容易磨損。間容易磨損。| 電位器的種類很多，按其結構形式不同，可分為線繞式、電位器的種類很多，按其結構形式不同，可分為線繞式、薄膜式、光電式等；按特性不同，可分為線性電位器和薄膜式、光電式等；按特性不同，可分為線性電位器和非線性電位器。目前常用的以單圈線繞電位器居多。非線性電位器。目前常用的以單圈線繞電位器居多。第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器u一、一、 電位器式電阻傳感器常用形式電位器式電阻傳感器常用形式u1、 滑線式位移傳感器滑線式位移傳感器u2

4、、 角位移傳感器角位移傳感器u3、 分段電阻角位移傳感器分段電阻角位移傳感器u4、 分段電阻直線位移傳感器分段電阻直線位移傳感器u二、二、 線繞式電位器結構和工作原理線繞式電位器結構和工作原理第一節第一節 電位器式電阻傳感器電位器式電阻傳感器第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器一、一、 電位器式電阻傳感器常用形式電位器式電阻傳感器常用形式1 1、 滑線式位移傳感器滑線式位移傳感器第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器2 2、 角位移傳感器角位移傳感器3 3、 分段電阻角位移傳感器分段電阻角位移傳感器第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器4 4、 分段電阻直線位移傳感器分段電阻直線位移傳感器第

5、二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器二、二、 線繞式電位器結構和工作原理線繞式電位器結構和工作原理LR ,0UxRxiU若電位器為空載時，根據分壓原理得：若電位器為空載時，根據分壓原理得：工作電壓：工作電壓iU：負載電阻兩端的輸出電壓：負載電阻兩端的輸出電壓0U：線繞電位器電刷移動的長度：線繞電位器電刷移動的長度：總長度：總長度：總電阻：總電阻xLRxR：對應于電刷移動量：對應于電刷移動量x的電阻值的電阻值RRUUxi0第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器而對應的電阻變化為：而對應的電阻變化為：xSLxRRLxRRRxx,表明改變測量電阻值所引起輸出電壓的變化為線性變化。表明改變測量電阻值所

6、引起輸出電壓的變化為線性變化。xSLxUUVi0其中其中LUSLRSiVR,分別為電阻和電壓靈敏度。分別為電阻和電壓靈敏度。他們分別表明了他們分別表明了電刷單位位移所能引起的輸出電阻和輸電刷單位位移所能引起的輸出電阻和輸出電壓的變化量，均為常數。出電壓的變化量，均為常數。第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器若電位器的負載電阻若電位器的負載電阻 ，則輸出電壓為：，則輸出電壓為：0LR20 xxLLxixLxLxLxLxixLxLRRRRRRRURRRRRRRRRRURRRRIU代入上式得：，設iRLLxUUYLxXRRKRRr0,LRLRRLLKXKXXKrKrr2211Y：電刷的相對行程電阻

7、的相對變化RX:r數：電位器負載系數的倒LK：電位計相對輸出電壓Y表明當負載電阻不為零時，表明當負載電阻不為零時，Y與與r為非線性關系，則線繞電位器為非線性關系，則線繞電位器式傳感器的負載特性為非線性。當負載電阻為空載時，式傳感器的負載特性為非線性。當負載電阻為空載時，U0與與x才滿足線性關系，則線繞電位器式傳感器的負載特性為線性。才滿足線性關系，則線繞電位器式傳感器的負載特性為線性。第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器uYHD型電位器式位移傳感器型電位器式位移傳感器1測桿；2滑線電阻；3電刷；4彈簧；5滑快；6導軌；7外殼；8無感電阻。第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 膜盒電位器式壓

8、力傳感器原理圖第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器測小位移傳感器示意圖第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器電位器式加速度傳感器示意圖第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器& 第一節第一節 電位器式電阻傳感器電位器式電阻傳感器& 第二節第二節 應變式電阻傳感器應變式電阻傳感器& 第三節第三節 電阻應變片的測量電路電阻應變片的測量電路第四節第四節 電阻傳感器應用電阻傳感器應用內容提要內容提要第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器第二節第二節 應變式電阻傳感器應變式電阻傳感器一、工一、工 作原理作原理1、應變效應、應變效應2、金屬電阻絲應變原理、金屬電阻絲應變原理3、半導

9、體應變原理半導體應變原理二、應變片的結構、材料和粘貼二、應變片的結構、材料和粘貼1、應變片的結構、應變片的結構2、金屬電阻應變片的材料、金屬電阻應變片的材料3、金屬電阻應變片的粘貼、金屬電阻應變片的粘貼4、金屬箔式應變片、金屬箔式應變片第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器電阻應變效應演示電阻應變效應演示第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器一、工作原理一、工作原理 1 1、應變效應、應變效應 導體或半導體材料在外（拉力或壓力）力的作用時，導體或半導體材料在外（拉力或壓力）力的作用時，產生機械變形，導致其電阻值相應發生變化，產生機械變形，導致其電阻值相應發生變化， 這種因這種因形變而使其阻值發

10、生變化的現象稱為形變而使其阻值發生變化的現象稱為“應變效應應變效應”。2 2、金屬電阻絲應變原理、金屬電阻絲應變原理第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器AlR做全微分求得：做全微分求得：dAALdALdLAdR2dAdAldlRdRd A=2r d r2rArdrrrdrAdA222ldlxyrdrxydRdRx)21 (xxdRdR)21(第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器電阻絲的靈敏系數：單位應變所引起的電阻相對變化量電阻絲的靈敏系數：單位應變所引起的電阻相對變化量xxsdRdRK21xsKRdR或xsRdRK表示金屬電阻絲的電阻相對變化與軸向應變成正比。表示金屬電阻絲的電阻相對變化

11、與軸向應變成正比。 實驗證明在應變極限內實驗證明在應變極限內Ks為常數為常數第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器根據應力與應變的關系，得到應力值根據應力與應變的關系，得到應力值為為 =E 測量原理測量原理dR/RxsKRdREKRdRs第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器3 3、半導體應變原理、半導體應變原理 壓阻效應：壓阻效應：沿一塊半導體的某一軸向施加壓力沿一塊半導體的某一軸向施加壓力使其變形時，它的電阻率會發生顯著變化，這種現使其變形時，它的電阻率會發生顯著變化，這種現象稱為半導體的壓阻效應。象稱為半導體的壓阻效應。 利用壓阻效應制成的傳利用壓阻效應制成的傳感器稱為壓阻傳感器或半導體

12、應變片。感器稱為壓阻傳感器或半導體應變片。當半導體應變片受軸向力作用時，其電阻相對變化為當半導體應變片受軸向力作用時，其電阻相對變化為xxdRdR)21 (第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器xEd半導體材料的壓阻系數;半導體材料的所受應變力; E半導體材料的彈性模量; 半導體材料的應變。xERdR)21 (實驗證明，實驗證明，E E比比1+21+2大上百倍，所以大上百倍，所以1+21+2可以忽略，因而半可以忽略，因而半導體應變片的靈敏系數為導體應變片的靈敏系數為 ERdRKxs第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 半導體應變片特點半導體應變片特點優點：優點：靈敏系數比金屬絲式高靈敏系數比

13、金屬絲式高50508080倍倍缺點：缺點：材料的溫度系數大，應變時非線性比較嚴重，材料的溫度系數大，應變時非線性比較嚴重， 應用范圍受到限制。應用范圍受到限制。利用應變片測量的基本原理：利用應變片測量的基本原理： 應力值正比于應變，而應變又正比于電阻值的應力值正比于應變，而應變又正比于電阻值的變化，所以應力正比于電阻值的變化。變化，所以應力正比于電阻值的變化。=Ex 第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器應變片測量演示應變片測量演示第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器二、應變片的結構、材料和粘貼二、應變片的結構、材料和粘貼絲式絲式箔式箔式回線式應變片回線

14、式應變片短接式應變片短接式應變片體形體形薄膜型薄膜型應變片類型應變片類型第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器實物實物第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器1 1、應變片的結構、應變片的結構 2341bl柵長柵長柵寬柵寬1 -1 -敏感柵，敏感柵， 2-2-基底，基底， 3-3-覆蓋片，覆蓋片， 4-4-引線引線應變片測得的應變大小是應變片測得的應變大小是應變片柵長和柵寬所在面應變片柵長和柵寬所在面積內的平均軸向應變量。積內的平均軸向應變量。第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器( a )( b )( c )絲式應變片絲式應變片( a )( b )( c )( a )( b )( c )第二章

15、第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器（1 1） 敏感柵敏感柵 對敏感柵的材料的要求：應變靈敏系數大，并在所測應變范圍內保持為常數；應變靈敏系數大，并在所測應變范圍內保持為常數；電阻率高而穩定，以便于制造小柵長的應變片；電阻率高而穩定，以便于制造小柵長的應變片；電阻溫度系數要小；電阻溫度系數要小；抗氧化能力高，耐腐蝕性能強；抗氧化能力高，耐腐蝕性能強；在工作溫度范圍內能保持足夠的抗拉強度；在工作溫度范圍內能保持足夠的抗拉強度；加工性能良好加工性能良好, ,易于拉制成絲或軋壓成箔材；易于拉制成絲或軋壓成箔材；易于焊接，對引線材料的熱電勢小。易于焊接，對引線材料的熱電勢小。由直徑為由直徑為0.010.0

16、5mm的具有高電的具有高電阻率的電阻絲排列成柵網狀阻率的電阻絲排列成柵網狀第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護敏感柵。可保護敏感柵。 是從應變片的敏感柵中引出的細金屬線。多為是從應變片的敏感柵中引出的細金屬線。多為鍍錫銅線。對引線材料的性能要求：電阻率低、電鍍錫銅線。對引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數小、抗氧化性能好、易于焊接。阻溫度系數小、抗氧化性能好、易于焊接。（3） 引線：引線：（2） 基底和覆

17、蓋片：基底和覆蓋片：第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 2 2、金屬電阻應變片的電阻絲材料、金屬電阻應變片的電阻絲材料第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 康銅康銅是目前應用最廣泛的應變絲材料，這是由于它有很多是目前應用最廣泛的應變絲材料，這是由于它有很多優點：靈敏系數穩定性好，不但在彈性變形范圍內能保持為常優點：靈敏系數穩定性好，不但在彈性變形范圍內能保持為常數，數， 進入塑性變形范圍內也基本上能保持為常數；當采用合適進入塑性變形范圍內也基本上能保持為常數；當采用合適的熱處理工藝時，可使電阻溫度系數在的熱處理工藝時，可使電阻溫度系數在5010-6/的范圍內；的范圍內；康銅的加工性能好，

18、易于焊接，康銅的加工性能好，易于焊接， 因而國內外多以康銅作為應變因而國內外多以康銅作為應變絲材料。絲材料。 第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 3 3、金屬箔式應變片、金屬箔式應變片 箔式應變片的工作原理基本和電阻絲式應變片相同。箔式應變片的工作原理基本和電阻絲式應變片相同。它的電阻敏感元件不是金屬絲柵，而是通過它的電阻敏感元件不是金屬絲柵，而是通過光刻光刻、腐蝕腐蝕等工序制成的薄金屬箔柵，故稱箔式電阻應變片，如圖。等工序制成的薄金屬箔柵，故稱箔式電阻應變片，如圖。金屬箔的金屬箔的厚度厚度般為般為(0.003(0.0030.010)mm0.010)mm，它的基片和蓋，它的基片和蓋片多為膠

19、質膜，片多為膠質膜，基片厚度一般為基片厚度一般為(0.03(0.030.05)mm0.05)mm。 金屬箔式應變片金屬箔式應變片箔的材料多為電阻率箔的材料多為電阻率高、熱穩定性好的的高、熱穩定性好的的銅鎳合金（錳白銅）銅鎳合金（錳白銅）第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器箔式應變片箔式應變片(a)(b)(c)(d)(e)(f)厚約厚約0.0030.01mm第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 金屬箔式應變片和絲式應變片相比較金屬箔式應變片和絲式應變片相比較: : 金屬箔柵很薄，因而它所感受的應力狀態與金屬箔柵很薄，因而它所感受的應力狀態與試件表面的應力狀態更為接近。試件表面的應力狀態更為接

20、近。 其次，當箔材和絲材具有同樣的截面積時，箔其次，當箔材和絲材具有同樣的截面積時，箔材與粘接層的接觸面積比絲材大，使它能更好地和材與粘接層的接觸面積比絲材大，使它能更好地和試件共同工作。試件共同工作。 第三，箔柵的端部較寬，橫向效應較小，因而第三，箔柵的端部較寬，橫向效應較小，因而提高了應變測量的精度。提高了應變測量的精度。 第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 箔材表面積大，散熱條件好，故允許通過較大箔材表面積大，散熱條件好，故允許通過較大 電流，因而可以輸出較大信號，提高測量靈敏度。電流，因而可以輸出較大信號，提高測量靈敏度。 箔柵的尺寸準確、均勻，且能制成任意形狀，箔柵的尺寸準確、均

21、勻，且能制成任意形狀，特別是為制造應變花和小標距應變片提供了條件，從特別是為制造應變花和小標距應變片提供了條件，從而擴大了應變片的使用范圍。而擴大了應變片的使用范圍。 便于成批生產。便于成批生產。 缺點：電阻值分散性大，有的相差幾十缺點：電阻值分散性大，有的相差幾十，故，故需要作阻值調整；生產工序較為復雜，因引出線的焊需要作阻值調整；生產工序較為復雜，因引出線的焊點采用錫焊，因此不適于高溫環境下測量；此外價格點采用錫焊，因此不適于高溫環境下測量；此外價格較貴。較貴。第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器4、金屬薄膜應變片、金屬薄膜應變片厚度厚度0.1m以下以下敏感柵是用蒸鍍敏感柵是用蒸鍍或濺射

22、法沉積的或濺射法沉積的金屬、合金薄膜金屬、合金薄膜制成的。在薄的制成的。在薄的絕緣基片上蒸鍍絕緣基片上蒸鍍上金屬材料薄膜，上金屬材料薄膜，最后加保護層形最后加保護層形成。成。也可以直接蒸鍍在彈性元件的絕緣層表面，不也可以直接蒸鍍在彈性元件的絕緣層表面，不易產生蠕變。易產生蠕變。第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器5、半導體應變片、半導體應變片第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 6、金屬電阻應變片的粘貼、金屬電阻應變片的粘貼選擇粘結劑時必須考慮的問題：選擇粘結劑時必須考慮的問題： 1.1.要求粘接力強，粘結后機械性能可靠；要求粘接力強，粘結后機械性能可靠； 2.2.粘合層要有足夠大的剪切彈

23、性模量；粘合層要有足夠大的剪切彈性模量； 3.3.良好的電絕緣性，滯后小；良好的電絕緣性，滯后小； 4.4.耐濕，耐油，耐老化，動態應力測量時耐疲勞等；耐濕，耐油，耐老化，動態應力測量時耐疲勞等； 5.5.應變片的工作條件，如溫度、相對濕度、穩定性應變片的工作條件，如溫度、相對濕度、穩定性要要 求以及貼片固化時加熱加壓的可能性等。求以及貼片固化時加熱加壓的可能性等。 應變片是用粘結劑粘貼應變片是用粘結劑粘貼到被測件上的。粘結劑到被測件上的。粘結劑形成的膠層必須準確迅形成的膠層必須準確迅速地將被測件應變傳遞速地將被測件應變傳遞到敏感柵上。到敏感柵上。第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 粘結劑

24、分為有機和無機：粘結劑分為有機和無機： 有機粘結劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚有機粘結劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機硅樹脂，聚酰亞胺等。丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機硅樹脂，聚酰亞胺等。 無機粘結劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、無機粘結劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。硼酸鹽等。粘結劑：粘結劑： 常用的粘結劑類型有常用的粘結劑類型有硝化纖維素型、氰基丙稀酸硝化纖維素型、氰基丙稀酸型、聚酯樹脂型、環氧樹脂型和酚醛樹脂型型、聚酯樹脂型、環氧樹脂型和酚醛樹脂型等。等。 第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器粘貼工藝：粘貼工藝：1.被測件粘貼表面處理；被測件粘貼表

25、面處理；2.貼片位置確定；貼片位置確定；3.涂底膠；涂底膠；4.貼片；貼片；5.干燥固化；干燥固化；6.貼片質量檢查；貼片質量檢查；7.引線的焊接與固定以及防護與屏蔽等。引線的焊接與固定以及防護與屏蔽等。第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器機戒應變指示應變加載卸載RR/mm（2）機械滯后）機械滯后第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器（3 3） 零漂和蠕變零漂和蠕變第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器（4 4）應變極限和疲勞壽命）應變極限和疲勞壽命第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器（5）最大工作電流和絕緣電阻）

26、最大工作電流和絕緣電阻（6）應變片的電阻值）應變片的電阻值R第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器（7）動態特性）動態特性0201101lvf2%時，應變片的時，應變片的響應頻率響應頻率對應變對應變波幅值波幅值 0，應變片，應變片響應的應變響應的應變（平均應變）（平均應變） p1/sin0000llp相對誤差相對誤差第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器& 第一節第一節 電位器式電阻傳感器電位器式電阻傳感器& 第二節第二節 應變式電阻傳感器應變式電阻傳感器& 第三節第三節 電阻應變片的測量電路電阻應變片的測量電路第四節第四節 電阻傳感器應用電阻傳感器應用內容提要內容提要

27、第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器第三節第三節 電阻應變片的測量電路電阻應變片的測量電路一、直流電橋測量電路一、直流電橋測量電路 1 1、電橋平衡、電橋平衡 2 2、動態時電阻變化與輸出關系、動態時電阻變化與輸出關系 3 3、電壓靈敏度、電壓靈敏度 4 4、非線性誤差及其補償方法、非線性誤差及其補償方法二、交流電橋測量電路二、交流電橋測量電路三、電阻應變片的溫度誤差及其補償三、電阻應變片的溫度誤差及其補償 1 1、 溫度誤差及其產生原因溫度誤差及其產生原因 2 2、 溫度誤差補償方法溫度誤差補償方法第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 R2R4R1R3EILACDU0BRL目的：目的：將

28、微小應變引起的微將微小應變引起的微小電阻值的變化測量出來，小電阻值的變化測量出來，同時，要把電阻相對變化同時，要把電阻相對變化 轉換為電壓或電流的變化。轉換為電壓或電流的變化。RRE E：為電源電壓：為電源電壓R R1 1、R R2 2、R R3 3及及R R4 4：橋臂電阻：橋臂電阻R RL L：為負載電阻為負載電阻一、直流電橋測量電路一、直流電橋測量電路第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器當電橋平衡時，當電橋平衡時，Uo=0，則有，則有 R1R4=R2R3或 4321RRRR電橋平衡條件電橋平衡條件: :其相鄰兩臂電阻的比值應相等，或相對其相鄰兩臂電阻的比值應相等，或相對兩臂電阻的乘積應

29、相等。兩臂電阻的乘積應相等。1、電橋平衡、電橋平衡43213241433211RRRRRRRRERRRRRREUo第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器2、動態時電阻變化與輸出關系、動態時電阻變化與輸出關系 432143214321432132233232411441414433221133224411RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRRREUo忽略分母中 項、分子中忽略 的二次交叉項 ：RR3322441122121432123321441RRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRREUo第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器

30、3 3、電壓靈敏度、電壓靈敏度43321111RRRRRRRREUo)(4321141RRRRRRR341211113411RRRRRRRRRRE固定電阻、工作片4321RRRR第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 設橋臂比設橋臂比n=R2/R1112)1 (RRnnEUo電橋電壓靈敏度定義為電橋電壓靈敏度定義為 211)1 (nnERRUSoV3412111134011RRRRRRRRRREU第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓， 供供電電壓越高，電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓的電電壓越高，電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓

31、的提高受到應變片允許功耗的限制，所以要作適當選提高受到應變片允許功耗的限制，所以要作適當選擇；擇； 電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n n的函數，的函數，恰當地選擇橋臂比恰當地選擇橋臂比n n的值，保證電橋具有較高的電的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。壓靈敏度。211(1)oVUnSERnR第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器求得求得n=1時，電橋電壓靈敏度最高時，電橋電壓靈敏度最高,所以實際使用中取所以實際使用中取 RRRRR4321輸出為：輸出為：結論：結論：當電源電壓當電源電壓E和電阻相對變化量和電阻相對變化量R1/R1一定時，一定時， 電橋的電橋的輸出電壓及

32、其靈敏度也是定值，與各橋臂電阻阻值大小無關。輸出電壓及其靈敏度也是定值，與各橋臂電阻阻值大小無關。 當當E E 值確定后，值確定后，n n 取何值時才能使取何值時才能使 S SV V 最高？最高？使用單一應變片時使用單一應變片時 4ESV01142nndndSV2(1)4onRERUEnRR第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器4 4、非線性誤差及其補償方法、非線性誤差及其補償方法)1 (11111nRRnRRnEUoU0與與R1/R1的關系是非線性的，非線性誤差為的關系是非線性的，非線性誤差為 11111RRnRRUUUoooL112)1 (RRnnEUo理想情況理想情況（略去分母中的（略去

33、分母中的R1/R1項）：項）：實際情況實際情況（保留分母中的（保留分母中的R1/R1項）：項）：第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器4321RRRR若若，即，即n=1111111112121RRRRRRnRRL例題：一應變片，所受應變例題：一應變片，所受應變為為5 510-3，若取，若取KsKs=2=2，計算非線性誤差，計算非線性誤差. .第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器R1/R1=Ks 解：解：%5 . 02121111RRRRL若Ks=130,= 110-3,%6L 對靈敏度較高的應變傳感器，受到較小的應變，對靈敏度較高的應變傳感器，受到較小的應變，非線性誤差也會很大。非線性誤差也

34、會很大。當非線性誤差不能滿足測量要當非線性誤差不能滿足測量要求時，必須予以消除。求時，必須予以消除。 第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器差動電橋減小和消除非線性誤差的方法減小和消除非線性誤差的方法差動電橋差動電橋 R1R1R4R3ACBEDR2R2Uo(a)R1R1ACBEDR2R2Uo(b)R3R3R4R4第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器差動電橋補償差動電橋補償(半橋差動電路半橋差動電路) )+-固定電阻、受壓應變受拉應變；4321RRRR13412RRRR為提高電橋電壓靈敏度為提高電橋電壓靈敏度 n=1第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器若若R1=R2，則得，則得 112 RR

35、EUo半橋的電壓靈敏度半橋的電壓靈敏度該電橋輸出電壓為該電橋輸出電壓為433221111RRRRRRRRREUo2ESV與單臂相比與單臂相比:Uo與與R1/R1成線性關系，無非線性誤差成線性關系，無非線性誤差;電橋電壓靈敏度電橋電壓靈敏度SV=E/2，是單臂工作時的兩倍是單臂工作時的兩倍;同時具有溫度補償作用。同時具有溫度補償作用。第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器全橋差動電路全橋差動電路+-受壓應變、受拉應變、3241RRRR13412RRRR為提高電橋電壓靈敏度為提高電橋電壓靈敏度 n=1第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器R1=R2=R3=R4則則ESRREUVo11Uo與與R1/

36、R1成線性關系，無非線性誤差，成線性關系，無非線性誤差，電橋電壓靈敏度電橋電壓靈敏度SV=E，是單臂工作時的四倍。，是單臂工作時的四倍。同時還具有溫度補償作用。同時還具有溫度補償作用。 全橋輸出：全橋輸出：第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器ESRREUVo11112 RREUo2ESV單橋測量時單橋測量時 4ESV半橋測量時半橋測量時 全橋測量時全橋測量時 總結總結4oERUR第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器二、二、 交流電橋測量電路交流電橋測量電路第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器)(43213241ZZZZZZZZUUio電橋平衡條件：電橋平衡條件：Uo=0，即：，即： 交流

37、電橋輸出：交流電橋輸出： ZZ 34123241ZZZZZZ或，第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器13241423zzzz電橋平衡條件電橋平衡條件12341111222233334444jjjjZrjXz eZrjXz eZrjXz eZrjXz e設各橋臂阻抗為：設各橋臂阻抗為： 第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器考慮單臂測量情況，考慮單臂測量情況，R1工作片工作片, 41110ZZUUi交流電橋輸出電壓交流電橋輸出電壓 1ZZ 3412ZZ第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器交流電橋輸出電壓交流電橋輸出電壓 41110RRUUi 21110RRUUi 110RRUUi第二章第二章

38、 電阻式傳感器電阻式傳感器三、電阻應變片的溫度誤差及其補償三、電阻應變片的溫度誤差及其補償 1、 溫度誤差及其產生原因溫度誤差及其產生原因 因環境溫度改變而引起應變的電阻變化。因環境溫度改變而引起應變的電阻變化。應變片的電阻絲應變片的電阻絲(敏感柵敏感柵)具有一定溫度系數；具有一定溫度系數；電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數不同。電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數不同。 第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 設環境引起的構件溫度變化為設環境引起的構件溫度變化為t t（）時，粘貼在試）時，粘貼在試 件表面的應變片敏感柵材料的電阻溫度系數為件表面的應變片敏感柵材料的電阻溫度系數為t t ，則，則 應

39、變片產生的電阻相對變化為應變片產生的電阻相對變化為 由于敏感柵材料和被測構件材料兩者線膨脹系數不同，當由于敏感柵材料和被測構件材料兩者線膨脹系數不同，當t t 存在時，引起應變片的附加應變，其值為存在時，引起應變片的附加應變，其值為 e e試件材料線膨脹系數；試件材料線膨脹系數；g g敏感柵材料線膨脹系數敏感柵材料線膨脹系數。 tRRt 1tget2線膨脹系數不同電阻相對變化線膨脹系數不同電阻相對變化tKRRge 2第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 溫度變化形成的總電阻相對變化：溫度變化形成的總電阻相對變化： 相應的總虛假應變為相應的總虛假應變為tKtRRRRRRgett 21ttKKR

40、Rgettt 第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器2、溫度誤差補償方法、溫度誤差補償方法 單絲自補償應變片單絲自補償應變片0getK使應變片在溫度變化使應變片在溫度變化t t時的熱輸出值為零，必須使時的熱輸出值為零，必須使egtK即即tKtRRRRRRgett 21第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 雙絲組合式自補償應變片雙絲組合式自補償應變片 兩段敏感柵，隨溫度變化而兩段敏感柵，隨溫度變化而產生的電阻增量大小相等，符號產生的電阻增量大小相等，符號相反，相反，即即(Ra) t= (Rb) t焊點焊點RaRbaeaabebbtaatbbbaKKRRRRRR由兩種不同電阻溫度系數（一由兩種不

41、同電阻溫度系數（一種為正值，一種為負值）的材種為正值，一種為負值）的材料串聯組成敏感柵，以達到一料串聯組成敏感柵，以達到一定的溫度范圍內在一定材料的定的溫度范圍內在一定材料的試件上實現溫度補償。試件上實現溫度補償。第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 橋路補償法橋路補償法 32410RRRRAUR1 工作片工作片RB補償片補償片 R 平衡電平衡電阻阻電橋輸出電壓為電橋輸出電壓為 A由橋臂電阻和電源電壓決定的常數。由橋臂電阻和電源電壓決定的常數。補償塊不承補償塊不承受應變，僅受應變，僅隨溫度發生隨溫度發生變形變形第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 當被測試件不承受應變時，當被測試件不承受應

42、變時，R1和和R2處于同一溫度處于同一溫度 場，調整電橋參數，可使電橋輸出電壓為零，即場，調整電橋參數，可使電橋輸出電壓為零，即上式中可以選擇上式中可以選擇R1=R2=R及及R3=R4=R。 當溫度升高或降低時，若當溫度升高或降低時，若R1t=R2t，即兩個應變，即兩個應變片的熱輸出相等，由上式可知電橋的輸出電壓為零，片的熱輸出相等，由上式可知電橋的輸出電壓為零，即即03241RRRRAUo322411RRRRRRAUttoRRRRRRAtt21RRRRRRRRAtt21021ttRRRA=第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 若此時有應變作用，只會引起電阻若此時有應變作用，只會引起電阻R1

43、發生變發生變化，化，R2不承受應變。故由前式可得輸出電壓為不承受應變。故由前式可得輸出電壓為由上式可知，電橋輸出電壓只與應變由上式可知，電橋輸出電壓只與應變x x有關，與溫度有關，與溫度無關。無關。為達到完全補償，需滿足下列三個條件：為達到完全補償，需滿足下列三個條件： R1和和R2須屬于同一批號的，即它們的電阻溫度系須屬于同一批號的，即它們的電阻溫度系數數、線膨脹系數、線膨脹系數、應變靈敏系數、應變靈敏系數K都相同，兩片的初都相同，兩片的初始電阻值也要求相同；始電阻值也要求相同； 用于粘貼補償片的構件和粘貼工作片的試件二者用于粘貼補償片的構件和粘貼工作片的試件二者材料必須相同，即要求兩者線膨

44、脹系數相等；材料必須相同，即要求兩者線膨脹系數相等； 兩應變片處于同一溫度環境中。兩應變片處于同一溫度環境中。 xstxstoRKRARRRRKRRRAU3224111第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器R1與與RB特性相同特性相同接入相鄰臂接入相鄰臂 輸出電壓增加輸出電壓增加2倍倍 R1t=RBt 應變狀態相反應變狀態相反 在某些情況下，可以比較巧妙地安裝應變片而不在某些情況下，可以比較巧妙地安裝應變片而不需補償件并兼得靈敏度的提高。需補償件并兼得靈敏度的提高。 第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器FFR1R2（b）R1R2（a）F構件受彎構件受彎曲應力曲應力構件受單構件受單向應力向應力

45、第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器熱敏電阻進行補償熱敏電阻進行補償USCR2R4R1R3ERtR5TUR5 Rt第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器& 第一節第一節 電位器式電阻傳感器電位器式電阻傳感器& 第二節第二節 應變式電阻傳感器應變式電阻傳感器& 第三節第三節 電阻應變片的測量電路電阻應變片的測量電路第四節第四節 電阻傳感器應用電阻傳感器應用內容提要內容提要第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器第四節第四節 電阻傳感器應用電阻傳感器應用一、一、 應變式力傳感器應變式力傳感器1、柱式力傳感器、柱式力傳感器2、梁式力傳感器、梁式力傳感器 3、應變力傳感器應用場

46、合、應變力傳感器應用場合二、應變式壓力傳感器二、應變式壓力傳感器1、板式壓力傳感器、板式壓力傳感器2、筒式壓力傳感器、筒式壓力傳感器三、應變式加速度傳感器三、應變式加速度傳感器第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器VmV /幾十0.1%0.01%s1171010幾十幾十上百上百KHz2710 10 N力 ：Pa811010壓力：23/10sm加速度：第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器KRRRRE應力應力施力施力彈性彈性模量模量面積面積動畫演示：應變式壓力傳感器動畫演示：應變式壓力傳感器FS第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器測定試件測定試件應力或應變時應力或應變時，直接將應變片粘貼在，直

47、接將應變片粘貼在試件上；試件上；其他物理量（力、壓力、加速度等），需先將其他物理量（力、壓力、加速度等），需先將這些量轉換成應變彈性元件。這些量轉換成應變彈性元件。第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器被測量被測量：荷重或力；：荷重或力；用途：用途：作為各種電子稱與材料試驗機的測力元作為各種電子稱與材料試驗機的測力元件、發動機的推力測試、水壩壩體承載狀況監件、發動機的推力測試、水壩壩體承載狀況監測等；測等； 要求：要求：應變式力傳感器要求有較高的靈敏度和應變式力傳感器要求有較高的靈敏度和穩定性穩定性, 當傳感器在受到側向作用力或力的作用當傳感器在受到側向作用力或力的作用點發生輕微變化時點發生輕

48、微變化時, 不應對輸出有明顯的影響；不應對輸出有明顯的影響； 彈性元件：彈性元件：柱式、筒式、環式、懸臂式等。柱式、筒式、環式、懸臂式等。一、一、 應變式力傳感器應變式力傳感器第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器1 1、柱式力傳感器、柱式力傳感器(a)(a)實心圓柱實心圓柱(b)(b)空心圓柱空心圓柱第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器UiR1R3R5R7R6R8R2R4R6R7R8R2R3R4R5R1第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器FF第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器2022-3-1894汽車衡（以下參考北京遠亞興業商貿有限公司資料北京遠

49、亞興業商貿有限公司資料 ）第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器當力當力F F作用在彈性懸臂梁自由端時，懸臂梁產生變作用在彈性懸臂梁自由端時，懸臂梁產生變形，在梁的上、下表面形，在梁的上、下表面對稱位置對稱位置上上應變大小相等，應變大小相等，極 性 相 反極 性 相 反 ， 若 分 別 粘 貼 應 變 片， 若 分 別 粘 貼 應 變 片 R R1 1、 R R4 4和和 R R2 2、R R3 3 ，并接成差動電橋，則電橋輸出電壓，并接成差動電橋，則電橋輸出電壓U Uo o與力與力F F成成正比。正比。2 2、梁式力傳感器、梁式力傳感器 R1R4l0lF

50、bhblR4R1Fh(a)(b)第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器(1) (1) 等截面梁等截面梁EbhFlE206上、下表面上、下表面對稱位置對稱位置分別分別粘有粘有4 4只應變片，只應變片，R1R1、R4R4同同側；側；R3 R3 、R2R2同側，可構成同側，可構成全差動電橋。全差動電橋。2一端固定，一端自由，厚一端固定，一端自由，厚度為度為h，寬度，寬度為為b，懸臂外，懸臂外端到應變片中心的距離端到應變片中心的距離l。第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器(2) (2) 等強度梁等強度梁 力力F F作用于梁端三角形頂作用于梁端三角形頂點上，梁內各斷面產生的應點上，梁內各斷面產生的應力

51、相等。力相等。上、下表面上、下表面對稱位對稱位置置分別粘有分別粘有4 4只應變片，構成只應變片，構成全差動電橋。全差動電橋。 620EhbFlELR1R3R2R4xFhbb0R4第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器(3) (3) 其它特殊懸臂梁力傳感器其它特殊懸臂梁力傳感器（a）雙孔粱；（）雙孔粱；（b）單孔粱；（）單孔粱；（c）S形粱形粱第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器2022-3-18101 FF固定點固定點固定點固定點電纜第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器應變片在懸臂梁上的粘貼及變形應變片在懸臂梁上的粘貼及變形第二章第二章 電阻式傳感器

52、電阻式傳感器2022-3-18103應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置FR1R2 R4第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器汽車衡汽車衡超市打印秤超市打印秤電子天平電子天平人體秤人體秤 3 3、應變力傳感器應用場合、應變力傳感器應用場合第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 當氣體或液體當氣體或液體壓力作用在薄板承壓力作用在薄板承壓面上時，薄板變壓面上時，薄板變形，粘貼在另一面形，粘貼在另一面的電阻應變片隨之的電阻應變片隨之變形，并改變阻值。變形，并改變阻值。這時測量電路中電這時測量電路中電橋平衡被破壞，產橋平衡被破壞，產生輸出電壓。生輸出電壓。 P P 應變片應變片二、應變式壓力傳感器二、應變式壓力傳感器