主講：謝榕武漢大學國際軟件學院Email:xierong2008@傳感器原理及其應用主講：謝榕傳感器原理及其應用第三章傳感器基本原理（1）

?電阻式傳感器內容提要：電阻式傳感器概述電位器式傳感器應變式傳感器壓阻式傳感器第三章傳感器基本原理（1）

?電阻式傳感器內容提要：1.電阻式傳感器概述基本原理：將被測量的變化轉換成傳感元件電阻值的變化，再經過轉換電路變成電信號輸出。按工作的原理分類：變阻器式、電阻應變式、熱敏式、光敏式、電敏式等。用途：測量位移、力、壓力、應變、扭矩和加速度等非電量。電位器式傳感器應變式傳感器壓阻式傳感器1.電阻式傳感器概述基本原理：將被測量的變化轉換成傳感元件電部分實物部分實物2.電位器式傳感器基本原理：電位器是一個機電傳感元件，作為傳感器可將機械位移或其它能轉換為位移的非電量轉換為與其有一定函數關系的電阻值的變化，從而引起輸出電壓的變化。2.電位器式傳感器基本原理：電位器是一個機電傳感元件，作為傳種類基本原理特點缺點線繞電位器由電阻系數很高的極細導線按一定規律繞在絕緣骨架上，用電刷調節阻值大小結構簡單，尺寸小，輸出特性精度高且穩定，輸出信號大，受環境影響小由于電阻元件與電刷間的摩擦，可靠性和壽命易受影響，分辨力也較低合成膜電位器由電阻液（石墨、碳黑、樹脂等材料配置而成）噴涂在絕緣骨架表面上形成電阻膜分辨力高、阻值范圍寬、耐磨性好、工藝簡單、成本低，線性度在1%左右接觸電阻大、抗潮性差、噪聲較大金屬膜電位器在玻璃或陶瓷基體上用真空蒸發或電鍍的方法涂覆一層金屬復合膜而制成電阻系數小，分辨力高，可工作在高溫環境耐磨性差、功率小、阻值較低（1KΩ~2KΩ）導電塑料電位器由塑料粉及導電材料（如金屬合金、碳黑、石墨）的粉料經塑壓而成耐磨性極高，電刷接觸壓力要求較大，抗沖擊振動性能好，分辨力高，線性度一般2%，阻值范圍大，功率大阻值易受溫、濕度影響、接觸電阻大、精度不高導電玻璃釉電位器以合金（如鈀銀）、合金氧化物（如二硅化鉬）、難溶化合物（如碳化鎢）等為電阻材料，以玻璃釉粉為粘合劑燒結在陶瓷或玻璃基體上制成分辨力很高、耐磨、耐高溫、抗濕、阻值范圍廣、電阻溫度系數小（約±2.5×10-4/℃）精度不高、接觸電阻大電位器式傳感器的種類種類基本原理特點缺點線繞電位器由電阻系數很高的極細導線按一定線繞電位器結構圖123132直線型旋轉型線繞電位器式傳感器的結構線繞電位器實物圖UiRx0Rx等效電路線繞電位器結構圖123132直線型旋轉型線繞電位器V0rRVix圖中：Vi—電位器輸入電壓；V0—電位器輸出電壓；

R—電位器總電阻；L—電位器總行程；

x—電刷行程；r—電刷行程x處對應電阻；

b—骨架寬度；h—骨架高度；

t—線繞節距；RL—負載電阻線性線繞電位器電輸出特性RL

IV0rRVix圖中：Vi—電位器輸入電壓；V0—電位

階躍值為V視在分辨力n

電位器線圈總匝數如Vi＝10V，n＝100匝，則V＝0.1V，輸出電壓以0.1V的階躍形式增加，即為輸入電壓的1％，不能給出小于0.1V的電壓變化。視在分辨力階躍值為V視在分辨力如Vi＝10V，n＝100匝，則在RL≠條件下，輸出電壓Vo的表達式為

顯然RL＝時，由負載電阻為有限值產生的相對負載誤差為：負載誤差VorRVixRL

I在RL≠條件下，輸出電壓Vo的表達式為顯然RL＝時，若令負載系數m＝R/RL，行程比X＝r/R=x/L，則有對rL求一階導數取rL的極大值，，亦即相對負載誤差在x=1/2L處有極值。（負載誤差最大）如何求rL的極大值？若令負載系數m＝R/RL，行程比X＝r/R=x/L，則有對r3.應變式傳感器金屬的應變效應：根據電阻定律，金屬絲的電阻隨著它所受的機械變形（拉伸或壓縮）的大小而發生相應的變化，這種現象稱為金屬的電阻應變效應。工作原理：基于金屬的應變效應設計而成的。3.應變式傳感器金屬的應變效應：根據電阻定律，金屬絲的電阻隨結論：金屬絲受拉時，l變長、r變小，導致R變大。金屬絲受拉時，l、r和R將如何變化？結論：金屬絲受拉時，l變長、r變小，導致R變大。金屬絲受拉時應變片的結構應變片由電阻絲（敏感柵）、基底、引線和粘合劑組成。敏感柵由很細的電阻絲（0.010.05mm）或箔式金屬片（厚度為310m）組成。敏感柵常用材料康銅（銅鎳合金）：最常用；鎳鉻合金：多用于動態；鎳鉻鋁合金：作中、高溫應變片；鎳鉻鐵合金：疲勞壽命要求高的應變片；鉑及鉑合金：高溫動態應變測量。應變片的結構應變片由電阻絲（敏感柵）、基底、引線和粘合劑組成應變片的特性應變片的特性機械應變一般都很小,應該采用什么測量轉換電路？把微小應變引起的微小電阻變化測量出來；同時把電阻相對變化ΔR/R轉換為電壓或電流的變化。通常采用直流電橋和交流電橋。電阻應變片的測量轉換電路通常采用直流電橋和交流電橋。電阻應變片的測量轉換電路直流電橋電路組成：由四個橋臂R1、R2、R3及R4和一個供橋電源U組成。

其中，RL負載電阻Uo電橋輸出電壓電路特點：當被測量無變化，四橋臂滿足一定關系，輸出為零；當被測量發生變化時，測量電橋平衡被破壞，有電壓輸出。R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋惠斯頓電橋直流電橋電路特點：R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋當電橋平衡時,Uo=0,則有R1R4=R2R3欲使電橋平衡,其相鄰兩臂電阻的比值應相等,或相對兩臂電阻的乘積相等。結論：或電橋平衡條件R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋當電橋平衡時,UR1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋（1）R2,R3,R4為電橋固定電阻構成單臂電橋R1為電阻應變片電壓靈敏度R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋（1）R2,R3（2）當R1產生應變時,若應變片電阻變化為ΔR1，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo≠0。R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋電橋不平衡輸出電壓為:設橋臂比n=R2/R1考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3且ΔR1/R1很小可忽略（2）當R1產生應變時,若應變片電阻變化為ΔR1，其它橋臂電橋電壓靈敏度定義為：R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋電橋不平衡輸出電壓為:分析可知：①電橋電壓靈敏度Ku正比于電橋供電電壓U但供電電壓U的提高受到應變片允許功耗的限制，所以要作適當選擇;②電橋電壓靈敏度Ku=Ku(n)，恰當地選擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。U↑→Ku↑電橋電壓靈敏度定義為：R1R2R3R4BDUoUACRLIL理想值實際值非線性誤差及其補償方法非線性誤差是否能滿足測量要求？理想值實際值非線性誤差及其補償方法非線性誤差是否討論：非線性誤差是否能滿足測量要求？對一般應變片來說，所受應變ε通常在5×10-3以下。（1）若取K=2,則ΔR1/R1=Kε=0.01,代入上式計算得非線性誤差為0.5%;（2）若K=130,ε=1×１0-3時,ΔR1/R1=0.130,則得到非線性誤差為6%。利用和兩式，有：結論：K較小時，非線性誤差能滿足測量要求；當K↑到某值時，非線性誤差已不能滿足測量要求。必須予以減小和克服非線性誤差。討論：非線性誤差是否能滿足測量要求？對一般應變片來說，所受應差動電橋：在試件上安裝兩個工作應變片,一個受拉應變,一個受壓應變,接入電橋相鄰橋臂,稱為半橋差動電路。差動電橋：在試件上安裝兩個工作應變片,一個受拉應變,一個R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋單臂電橋R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋雙臂電橋（半橋式）R1測量R2R4R3abUoU單臂工作R1測量R2R4R3abUoU測量雙臂工作R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋單臂電橋R1R2R測量R1R2R4R3abUoU測量半橋式（雙臂工作）該電橋輸出電壓為：若則得結論呈線性關系；無非線性誤差；電橋電壓靈敏度K=U

/2，比單臂工作時提高一倍。測量R1R2R4R3abUoU測量半橋式（雙臂工作）該電橋輸存在的不足應變片R1工作時,電阻值變化很小，即△R1很小電橋相應輸出電壓也很小，即Uo很小放大器R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋放大器輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多，即Ri>>Ro，存在零點漂移。一般需要加入放大器放大交流電橋存在的不足放大器R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋放交流電橋：根據直流電橋分析可知,由于應變電橋輸出電壓很小,一般都要加放大器,而直流放大器易于產生零漂,因此應變電橋多采用交流電橋。電路特點由于供橋電源為交流電源,引線分布電容使得橋臂應變片呈現復阻抗特性。相當于二只應變片各并聯了一個電容,則每一橋臂上復阻抗分別為：R1R2R3R4BDACRLIL~C1C2交流電橋：根據直流電橋分析可知,由于應變電橋輸出電壓很小,由交流電路分析可得要滿足電橋平衡條件,即Uo=0,則有·Z1

Z4=Z2

Z3其實部、虛部分別相等,并整理可得:平衡條件電阻平衡條件電容平衡條件交流電橋的平衡條件：即要滿足電阻平衡條件，還要滿足電容平衡條件。由交流電路分析可得要滿足電橋平衡條件,即Uo=0,則有·幾何尺寸：敏感柵基長、基寬、應變片的基底長和基底寬；初始電阻：未粘貼前，在室溫下測得的電阻(常用120Ω)；絕緣電阻：敏感柵與基底間的電阻值；允許工作電流：最大的工作電流。應變片的主要參數幾何尺寸：敏感柵基長、基寬、應變片的基底長和基底寬；應變片的壓阻式傳感器：利用硅的壓阻效應和微電子技術制成。特點：靈敏度高、動態響應好、精度高、易于微型化和集成化。半導體應變片制成的粘貼型壓阻傳感器力敏電阻與硅膜片一體化擴散型壓阻傳感器4.壓阻式傳感器壓阻效應：固體受到作用力后，電阻率發生變化的現象。所有材料在某種程度都呈現壓阻效應，在半導體材料中，這種效應特別顯著。壓阻式傳感器：利用硅的壓阻效應和微電子技術制成。半導體應變片金屬應變片發生應變后，使導體的幾何尺寸發生改變阻值變化半導體材料的電阻大小取決于有限數目的載流子空穴和電子的遷移。加在一定晶向上的外界應力，引起半導體能帶的變化，使載流子的遷移率產生較大的變化，導致半導體電阻率產生相應的變化。金屬應變片發生應變后，使導體的幾何尺寸發生改變阻值變化Xie第三章2電阻式傳感器解讀課件溫度性能壓阻器件的阻值和靈敏度系數受溫度影響較大，會產生零位溫度漂移和靈敏度溫度漂移。對于零位溫度漂移一般采用橋臂上串、并聯電阻的方法進行補償。線性度對于擴散型壓阻器件，由于表面參雜濃度很高，非線性項很小，因此壓阻電橋輸出的線性度比較好（在有效測量范圍內）。壓阻器件的特性溫度性能壓阻器件的特性5.電阻式傳感器應用例1：應變片在懸臂梁上的粘貼及變形原理：將物品重量通過懸臂梁轉化結構變形再通過應變片轉化為電量輸出。5.電阻式傳感器應用例1：應變片在懸臂梁上的粘貼及變形原理：主講：謝榕武漢大學國際軟件學院Email:xierong2008@傳感器原理及其應用主講：謝榕傳感器原理及其應用第三章傳感器基本原理（1）

?電阻式傳感器內容提要：電阻式傳感器概述電位器式傳感器應變式傳感器壓阻式傳感器第三章傳感器基本原理（1）

?電阻式傳感器內容提要：1.電阻式傳感器概述基本原理：將被測量的變化轉換成傳感元件電阻值的變化，再經過轉換電路變成電信號輸出。按工作的原理分類：變阻器式、電阻應變式、熱敏式、光敏式、電敏式等。用途：測量位移、力、壓力、應變、扭矩和加速度等非電量。電位器式傳感器應變式傳感器壓阻式傳感器1.電阻式傳感器概述基本原理：將被測量的變化轉換成傳感元件電部分實物部分實物2.電位器式傳感器基本原理：電位器是一個機電傳感元件，作為傳感器可將機械位移或其它能轉換為位移的非電量轉換為與其有一定函數關系的電阻值的變化，從而引起輸出電壓的變化。2.電位器式傳感器基本原理：電位器是一個機電傳感元件，作為傳種類基本原理特點缺點線繞電位器由電阻系數很高的極細導線按一定規律繞在絕緣骨架上，用電刷調節阻值大小結構簡單，尺寸小，輸出特性精度高且穩定，輸出信號大，受環境影響小由于電阻元件與電刷間的摩擦，可靠性和壽命易受影響，分辨力也較低合成膜電位器由電阻液（石墨、碳黑、樹脂等材料配置而成）噴涂在絕緣骨架表面上形成電阻膜分辨力高、阻值范圍寬、耐磨性好、工藝簡單、成本低，線性度在1%左右接觸電阻大、抗潮性差、噪聲較大金屬膜電位器在玻璃或陶瓷基體上用真空蒸發或電鍍的方法涂覆一層金屬復合膜而制成電阻系數小，分辨力高，可工作在高溫環境耐磨性差、功率小、阻值較低（1KΩ~2KΩ）導電塑料電位器由塑料粉及導電材料（如金屬合金、碳黑、石墨）的粉料經塑壓而成耐磨性極高，電刷接觸壓力要求較大，抗沖擊振動性能好，分辨力高，線性度一般2%，阻值范圍大，功率大阻值易受溫、濕度影響、接觸電阻大、精度不高導電玻璃釉電位器以合金（如鈀銀）、合金氧化物（如二硅化鉬）、難溶化合物（如碳化鎢）等為電阻材料，以玻璃釉粉為粘合劑燒結在陶瓷或玻璃基體上制成分辨力很高、耐磨、耐高溫、抗濕、阻值范圍廣、電阻溫度系數小（約±2.5×10-4/℃）精度不高、接觸電阻大電位器式傳感器的種類種類基本原理特點缺點線繞電位器由電阻系數很高的極細導線按一定線繞電位器結構圖123132直線型旋轉型線繞電位器式傳感器的結構線繞電位器實物圖UiRx0Rx等效電路線繞電位器結構圖123132直線型旋轉型線繞電位器V0rRVix圖中：Vi—電位器輸入電壓；V0—電位器輸出電壓；

R—電位器總電阻；L—電位器總行程；

x—電刷行程；r—電刷行程x處對應電阻；

b—骨架寬度；h—骨架高度；

t—線繞節距；RL—負載電阻線性線繞電位器電輸出特性RL

IV0rRVix圖中：Vi—電位器輸入電壓；V0—電位

階躍值為V視在分辨力n

電位器線圈總匝數如Vi＝10V，n＝100匝，則V＝0.1V，輸出電壓以0.1V的階躍形式增加，即為輸入電壓的1％，不能給出小于0.1V的電壓變化。視在分辨力階躍值為V視在分辨力如Vi＝10V，n＝100匝，則在RL≠條件下，輸出電壓Vo的表達式為

顯然RL＝時，由負載電阻為有限值產生的相對負載誤差為：負載誤差VorRVixRL

I在RL≠條件下，輸出電壓Vo的表達式為顯然RL＝時，若令負載系數m＝R/RL，行程比X＝r/R=x/L，則有對rL求一階導數取rL的極大值，，亦即相對負載誤差在x=1/2L處有極值。（負載誤差最大）如何求rL的極大值？若令負載系數m＝R/RL，行程比X＝r/R=x/L，則有對r3.應變式傳感器金屬的應變效應：根據電阻定律，金屬絲的電阻隨著它所受的機械變形（拉伸或壓縮）的大小而發生相應的變化，這種現象稱為金屬的電阻應變效應。工作原理：基于金屬的應變效應設計而成的。3.應變式傳感器金屬的應變效應：根據電阻定律，金屬絲的電阻隨結論：金屬絲受拉時，l變長、r變小，導致R變大。金屬絲受拉時，l、r和R將如何變化？結論：金屬絲受拉時，l變長、r變小，導致R變大。金屬絲受拉時應變片的結構應變片由電阻絲（敏感柵）、基底、引線和粘合劑組成。敏感柵由很細的電阻絲（0.010.05mm）或箔式金屬片（厚度為310m）組成。敏感柵常用材料康銅（銅鎳合金）：最常用；鎳鉻合金：多用于動態；鎳鉻鋁合金：作中、高溫應變片；鎳鉻鐵合金：疲勞壽命要求高的應變片；鉑及鉑合金：高溫動態應變測量。應變片的結構應變片由電阻絲（敏感柵）、基底、引線和粘合劑組成應變片的特性應變片的特性機械應變一般都很小,應該采用什么測量轉換電路？把微小應變引起的微小電阻變化測量出來；同時把電阻相對變化ΔR/R轉換為電壓或電流的變化。通常采用直流電橋和交流電橋。電阻應變片的測量轉換電路通常采用直流電橋和交流電橋。電阻應變片的測量轉換電路直流電橋電路組成：由四個橋臂R1、R2、R3及R4和一個供橋電源U組成。

其中，RL負載電阻Uo電橋輸出電壓電路特點：當被測量無變化，四橋臂滿足一定關系，輸出為零；當被測量發生變化時，測量電橋平衡被破壞，有電壓輸出。R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋惠斯頓電橋直流電橋電路特點：R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋當電橋平衡時,Uo=0,則有R1R4=R2R3欲使電橋平衡,其相鄰兩臂電阻的比值應相等,或相對兩臂電阻的乘積相等。結論：或電橋平衡條件R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋當電橋平衡時,UR1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋（1）R2,R3,R4為電橋固定電阻構成單臂電橋R1為電阻應變片電壓靈敏度R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋（1）R2,R3（2）當R1產生應變時,若應變片電阻變化為ΔR1，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo≠0。R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋電橋不平衡輸出電壓為:設橋臂比n=R2/R1考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3且ΔR1/R1很小可忽略（2）當R1產生應變時,若應變片電阻變化為ΔR1，其它橋臂電橋電壓靈敏度定義為：R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋電橋不平衡輸出電壓為:分析可知：①電橋電壓靈敏度Ku正比于電橋供電電壓U但供電電壓U的提高受到應變片允許功耗的限制，所以要作適當選擇;②電橋電壓靈敏度Ku=Ku(n)，恰當地選擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。U↑→Ku↑電橋電壓靈敏度定義為：R1R2R3R4BDUoUACRLIL理想值實際值非線性誤差及其補償方法非線性誤差是否能滿足測量要求？理想值實際值非線性誤差及其補償方法非線性誤差是否討論：非線性誤差是否能滿足測量要求？對一般應變片來說，所受應變ε通常在5×10-3以下。（1）若取K=2,則ΔR1/R1=Kε=0.01,代入上式計算得非線性誤差為0.5%;（2）若K=130,ε=1×１0-3時,ΔR1/R1=0.130,則得到非線性誤差為6%。利用和兩式，有：結論：K較小時，非線性誤差能滿足測量要求；當K↑到某值時，非線性誤差已不能滿足測量要求。必須予以減小和克服非線性誤差。討論：非線性誤差是否能滿足測量要求？對一般應變片來說，所受應差動電橋：在試件上安裝兩個工作應變片,一個受拉應變,一個受壓應變,接入電橋相鄰橋臂,稱為半橋差動電路。差動電橋：在試件上安裝兩個工作應變片,一個受拉應變,一個R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋單臂電橋R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋雙臂電橋（半橋式）R1測量R2R4R3abUoU單臂工作R1測量R2R4R3abUoU測量雙臂工作R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋單臂電橋R1R2R測量R1R2R4R3abUoU測量半橋式（雙臂工作）該電橋輸出電壓為：若則得結論呈線性關系；無非線性誤差；電橋電壓靈敏度K=U

/2，比單臂工作時提高一倍。測量R1R2R4R3abUoU測量半橋式（雙臂工作）該電橋輸存在的不足應變片R1工作時,電阻值變化很小，即△R1很小電橋相應輸出電壓也很小，即Uo很小放大器R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋放大器輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多，即Ri>>Ro，存在零點漂移。一般需要加入放大器放大交流電橋存在的不足放大器R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋放交流電橋：根據直流電橋分析可知,由于應變電橋輸