第3章-电阻式传感器

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1、2012nnyaa xa xa x 第3篇 物理传感器3章章 电阻式传感器电阻式传感器 4章章 电容式传感器电容式传感器 5章章 电感式传感器电感式传感器 6章章 压电式压电式 传感器传感器 7章章 光学式传感器光学式传感器 8章章 热电式传感器热电式传感器本篇内容：本篇内容：按被测量分类（一种宏观分类方法）按被测量分类（一种宏观分类方法）物理传感器物理传感器: 用于测量血压、体温、血流量、生物磁用于测量血压、体温、血流量、生物磁场等，场等，被测量都是物理量被测量都是物理量。设计时利用这些非电量的物。设计时利用这些非电量的物理性质和物理效应。理性质和物理效应。 化学传感器化学传感器: 用于测量

2、人体内某些化学成分、浓度、用于测量人体内某些化学成分、浓度、PHPH值等，值等，被测量都属于化学量（被测量都属于化学量（被测物质分子量较小）。被测物质分子量较小）。设计时多利用电化学原理或物理效应。设计时多利用电化学原理或物理效应。生物传感器生物传感器：用于测量酶、抗原、抗体、激素、用于测量酶、抗原、抗体、激素、DNADNA、RNARNA等物质，等物质，被测量都属于化学量被测量都属于化学量（被测物质分子量较（被测物质分子量较大）。大）。对这些物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器 。生物医学传感器的分类生物医学传感器的分类 在这一节里，介绍电阻传感器，例如：电位在这一节里，介绍电阻传感器

3、，例如：电位器、电阻应变片、测温热电阻。它们的基本原理器、电阻应变片、测温热电阻。它们的基本原理都是将各种被测非电量的变化转换成电阻的变化都是将各种被测非电量的变化转换成电阻的变化量，然后通过对电阻变化量的测量，达到非电量量，然后通过对电阻变化量的测量，达到非电量电测的目的。电测的目的。 利用电阻传感器可以测量角位移、直线位移、利用电阻传感器可以测量角位移、直线位移、应变、力、加速度、重量、转矩、温度、湿度、应变、力、加速度、重量、转矩、温度、湿度、气体成分及浓度、磁场强度等气体成分及浓度、磁场强度等。本章内容3.1 电位器式传感器3.2电阻应变式传感器3.3 固态压阻式传感器3.4电阻式传感

4、器的测量电路3.5电阻式传感器的应用前言 ：工作原理电阻式传感器电阻式传感器测量原理测量原理: 被测的非电量 R 电量输出 其其基本基本原理为：原理为：设设有一根长度为有一根长度为L L，截面，截面积为积为A，电阻率为，电阻率为的金属丝，则它的的金属丝，则它的电阻值电阻值R可用下式表示：可用下式表示：AlR 三个参数：长度L，截面积A，电阻率，如果发生变化，则它的电阻值R随之发生变化，构成不同电阻传感器：1、长度L发生变化电位器式传感器；电位器式传感器；2、截面积A、长度L发生变化电阻应变片传感器；电阻应变片传感器；3、电阻率发生变化热敏电阻、光导性光检测热敏电阻、光导性光检测器等。器等。 电

5、位器是一种机电转换元件，可将位移位移(直线位移或线位移)转换成电阻或电压输电阻或电压输出。 优点：结构简单，尺寸小，重量轻，价格便宜，输出信号大，受环境影响小。 缺点：由于有摩擦，要求输出信号大，可靠性和寿命差，动态特性不好，干扰大，一般用于静态或缓变量的检测。电位器分类电位器分类:线性电位器和非线性电位器线性电位器和非线性电位器3.1电位器式传感器电位器式传感器电位器接负载，此时的输出特性为负载特性，不接负载或负载无穷大，输出特性称空载特性。3.1.1线性电位器空载特性 maxmaxxxRRx 假定全长xmax的电位器，总电阻为Rmax,电阻沿长度的分布是均匀的,则当滑臂由A向B移动x后,A

6、点到电刷间的阻值为若把它作为分压器使用,且假定加在电位器A、B之间的电压为Umax,则输出电压为maxmaxxxUUx 右图为电位器式角度传感器。作变阻器使用,则电阻与角度的关系为 maxmaxaaRRa其他内容参看教材44-44页3.1.5 电位器的负载特性 上面讨论的电位器空载特性相当于负载开路或为无穷大时的情况,而一般情况下,电位器接有负载,接入负载时,由于负载电阻和电位器的比值为有限值,此时所得的特性为负载特性,负载特性偏离理想空载特性的偏差称为电位器的负载误差负载误差。 带负载的电位器的电路如图所示。电位器的负载电阻为Rf,则此电位器的输出电压为图 带负载的电位器电路电阻相对变化:

7、电位器的负载系数为:maxfRmRmaxRRrx2maxmaxmaxxxffxxfRRRRRRRUU教材中：教材中：a=1/m在未接入负载时,电位器的输出电压Ux为 则接入负载Rf后的简化的输出电压Uxf表达式为:)1 ()1 (1maxmaxrraarUrmrrUUxfUx=rUmax 00100 xxfxfUUU比较两式可知，Rf不是无穷大，负载与空载输出之间产生偏差，则负载误差为：00100)1 (111rmrf由图可见,无论m为何值, 电刷在起始和最终位置时,负载误差都为零;当当X=1/2时时,可求导,负载误差最大,且增大负载系数时,负载误差也随之增加。3.2.电阻应变片式传感器应变式

8、传感器特征：应变式传感器特征： 材料类型：材料类型：金属应变片、半导体应变片金属应变片、半导体应变片 应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度主要优点：使用简单、精度高、范围大、体积小主要优点：使用简单、精度高、范围大、体积小工作原理：由弹性元件、电阻应变片和其他附件组成。工作原理：由弹性元件、电阻应变片和其他附件组成。弹性元件受力弹性元件受力变形变形，张贴在表面的，张贴在表面的应变片随之变形应变片随之变形，并，并产生相应的产生相应的电阻变化。电阻变化。 应变式电阻传感器作为应变式电阻传感器作为测力的主要测力的主要传感器传感器，测力范围小到肌肉纤维，

9、大到，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到登月火箭，精确度可到 0.01-0.1%0.01-0.1%。有。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。剪切式。 应变式力传感器应变式力传感器 S型力传感器型力传感器 FFFF应应用实例用实例应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形各种悬臂梁各种悬臂梁 电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示电子天平电子天平电子天平的精度电子天平的精度可达十万分之一可达十万分之一电子秤中的各类弹性元件电子秤中的各类弹性元件 2llRAr金属丝受拉时，金属丝受拉时，l变长、变长

10、、r变小，导致变小，导致R变大变大 。1 .金属丝的应变效应金属丝的应变效应 xSKRdR1 .金属丝的应变效应金属丝的应变效应应变效应应变效应: :金属导线在受到外界力的作用时，产生机械金属导线在受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。变化的现象称为应变效应。 根据应力根据应力和应变和应变的关系的关系: 应力应力=E， 金属丝的应变效应金属丝的应变效应ll+ dl2r2(r-dr)FF xSKRdR金属的电阻相对变化与金属的电阻相对变化与应变应变成成正比关系。正比关系。通过通过

11、弹性元件弹性元件，可将应力转，可将应力转换为应变，这是换为应变，这是应变式传感器测应变式传感器测量应力的基本原理量应力的基本原理。1 .金属丝的应变效应金属丝的应变效应 KS为金属丝的灵敏系数，p47注释金属的径向应变金属的轴向应变令yxrdrLdL/ / 在弹性范围内金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为 y=-x为金属材料的泊松系数。为金属材料的泊松系数。应变式传感器的核心元件：应变式传感器的核心元件：电阻应变片电阻应变片，试件上的应力，试件上的应力变化转换成电阻变化。变化转换成电阻变化。 应变效应应变效应应变是量纲为1的数。通常应变很小，常用10-6来表示。