第三章电阻式传感器

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1、 定义* *: 将被测非电量（如位移、应变、振动、温度、湿度、气体浓度等）的变化转换成导电材料的电阻变化的装置，称为电阻式传感器。 它是将非电量的变化量，利用电阻元件，变换成有一定关系的电阻值的变化，再通过电子测量技术对电阻值进行测量，从而达到对上述非电量测量的目的。特点: 电阻式传感器具有结构简单，输出精度高，线性和稳定性好等优点，因此，它在非电量检测中应用十分广泛。3.1.1 3.1.1 电位器传感器概述电位器传感器概述定义定义: : 被测量的变化导致电位器阻值变化的敏感元件称为电位器传感器。特点特点: :由于它的结构简单、价格便宜，且有一定的可靠性，所以至今在某些场合下还在使用。结构类型

2、结构类型: :它由电阻元件和电刷（活动触头）两个基本部分组成。按结构形式可分为线绕式和非线绕式电位器。 工作原理工作原理: :iOBOAoURRU3.1.2 3.1.2 线性线绕电位器的线性线绕电位器的空载特性空载特性* *若电位器为空载（若电位器为空载（R RL L=）时）时 , ,即即空载特性空载特性为为: : K KR R= =R R/ /L L，K Ku u= =U Ui i/ /L L分别为线性电位器的分别为线性电位器的电阻和电压电阻和电压灵敏度灵敏度，它们分别表明了电刷单位位移所能引起的输，它们分别表明了电刷单位位移所能引起的输出电阻和输出电压的变化量出电阻和输出电压的变化量。 x

3、KxLRRRxxKxLURRUUuixio说明:电位器空载时，其电阻值Rx-x和输出电压Uo-x的关系特性为线性特性。但是由于制造工艺等各种因素的限制，线性电位器的实际特性并非线性，而是带有一定的非线性。非线性误差为: 增加电位器的线圈匝数，可以使 减小。 越小，表示实际特性与理论特性越吻合，即电位器的线性度越高。%10021%100)21(omomLnUnULL3.1.3 3.1.3 电位器的电位器的负载特性负载特性电位器负载运行的特性称为电位器的负载特性。由电位器负载运行的特性称为电位器的负载特性。由图图2-22-2（b b）可知，当电位器的负载电阻）可知，当电位器的负载电阻R RL L（

4、带负载（带负载时），则输出电压时），则输出电压U Uo o应为应为: : 令令: : 则则: : mm电位器的负载系数；电位器的负载系数； n nx x电阻的相对变化；电阻的相对变化； A A电位器相对输出电压电位器相对输出电压 2xxLLxiLxLxxLxLxio)(RRRRRRRURRRRRRRRRRUURRnxxLRRm ioUUA )1 (1xxxnmnnA图图2-42-4给出了电位器的给出了电位器的负载特性曲线。负载特性曲线。由图可知，电位器负由图可知，电位器负载越重（载越重（R RL L越小），负载越小），负载系数系数m m越大，相对输出电越大，相对输出电压压A A越小，输出电压越

5、小，输出电压U Uo o越低，越低，则非线性误差越大；反之，则非线性误差越大；反之，U Uo o越高，非线性误差越小。越高，非线性误差越小。直线位移型直线位移型当被测位移变化时，触点当被测位移变化时，触点 C C 沿电位计移动假设每单位长度中沿电位计移动假设每单位长度中的电阻值为的电阻值为 K Kl l ，当触点，当触点 C C 移移动到动到 x x 时，则时，则 C C 点与一点之间点与一点之间的电阻为。的电阻为。R = KR = K1 1x x灵敏度为灵敏度为lKdxdRS输出(电阻)输入(位移)AlRR R 电阻值电阻值 l- l- 电阻丝长度电阻丝长度-电阻率电阻率A A- -电阻丝截

6、面积电阻丝截面积角位移型角位移型输出(电阻)输入(转角)灵敏度为灵敏度为KddRS转角转角K K单位弧度对应的电阻值，单位弧度对应的电阻值，当导线材质分布均匀时为常当导线材质分布均匀时为常数。数。AlRR R 电阻值电阻值 l- l- 电阻丝长度电阻丝长度-电阻率电阻率A A- -电阻丝截面积电阻丝截面积非线性式非线性式输出(电阻)输入量非线性线绕电位器是指其输出电压（或电阻）与电刷行程x之间具有非线性关系的电位器。理论上讲，这种电位器可以实现任何函数关系，故又称其为函数电位器。 R(x)=Sf(x)S S 灵敏度灵敏度 f(x) f(x) 输入输入 R(x) R(x) 输出电阻输出电阻AlR

7、R R 电阻值电阻值 l- l- 电阻丝长度电阻丝长度-电阻率电阻率A A- -电阻丝截面积电阻丝截面积1 1 、分辨率分辨率受到电阻丝受到电阻丝直径直径与线圈与线圈螺距螺距的限的限制，一般其分辨率不小于制，一般其分辨率不小于 20 20 微米。微米。2 2 、电阻值、电阻值不不随位移随位移连续变化连续变化，两者关系成，两者关系成阶梯形，只能阶梯形，只能适用于较大位移量适用于较大位移量、低频变化低频变化量量的测量。的测量。优点优点结构简单，使用方便，稳定性和直线性较好。结构简单，使用方便，稳定性和直线性较好。缺点缺点* *电阻O位移概念：概念： 电阻应变式传感器电阻应变式传感器是利用电阻应变片

8、将应变应变转换为电阻变化电阻变化的传感器, 传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件电阻应变敏感元件构成。 当被测物理量作用在弹性元件上时, 弹性元件的变形变形引起应变敏感元件的阻值变化阻值变化, 通过转换转换电路电路将其转变成电量输出电量输出, 电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器是目前测量力力、力矩力矩、 压力压力、加速度加速度、重量重量等参数应用最广泛的传感器。3.2.1电阻应变式传感器的工作原理* *1.1.应变效应应变效应导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。导体或

9、半导体的阻值随其机械应变而变化的道理很简单，因为导体或半导体的电阻与电阻率及其几何尺寸（其中L 为长度，S为截面积）有关，当导体或半导体受到外力作用时，这三者都会发生变化，从而引起电阻的变化。因此通过测量阻值的大小，就可以反映外界作用力的大小。 当金属丝受拉力作用时，其长度L，截面积S（=r2），电阻率的相应变化为dL，dS，d ，因而引起电阻变化dR。对电阻公式全微分可得: 以R除左式， 除右式，得电阻相对变化量:式中 金属丝的轴向应变； 金属丝的径向应变； 电阻率的相对变化量。dddd2SlSSllSRSldd2ddrrllRRxdllydrrd由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时

10、，沿轴向伸长，沿径向缩短，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为: 金属丝材料的泊松系数。综合以上两式可得: 令: Ks称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单位应变时，电阻相对变化的大小。显然，Ks越大，单位应变引起的电阻相对变化越大，故越灵敏。xyd)21 (dxRRxxs/d)21 (/dRRK 说明说明: : 从上式可以看出，金属丝的灵敏系数Ks受两个因素影响： 第一项（1+2），它是由于金属丝拉伸后，材料的几何尺寸发生变化而引起的； 第二项 ，是由于材料发生变形时，其电阻发生变化而引起; 由于目前还不能用解析式来表示，所以Ks只能靠实验求得。实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对

11、变化dR/R与应变是成正比的，因而Ks为一常数，因此以增量表示为: 该式即为电阻丝的应变效应数学表达式*. x/dxsKRR3.2.2 电阻应变片1.电阻应变片的结构电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。其中，敏感栅是应变片的核心部分，它是用直径约0.02-0.04mm的具有高电阻率的电阻丝制成的，为了获得高的电阻值，电阻丝排列成栅网状，故称为敏感栅。将敏感栅粘贴在绝缘的基片上，两端焊接引出导线，其上再粘贴上保护用的覆盖层，即可构成电阻丝应变片。如图2-7所示. .图2-9 箔式应变片. 金属应变片金属应变片金属电阻应变片主要有丝式应变片和箔式* *应变片两种结构形式。其中，丝式又