第2章电阻式传感器

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1、现代检测技术现代检测技术 主讲教师：王国荣主讲教师：王国荣2.2 2.2 应变片式电阻传感器应变片式电阻传感器 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片主要特性金属电阻应变片主要特性 温度误差及其补偿温度误差及其补偿 应变片式电阻传感器的测量电路应变片式电阻传感器的测量电路 应变片式电阻传感器的应用举例应变片式电阻传感器的应用举例第第2章章 电阻式传感器电阻式传感器 2.1 2.1 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器第第2 2章章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器的电阻式传感器的基本原理基本原理是是将被测量的变化转换将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过测量电路

2、变成成传感元件电阻值的变化，再经过测量电路变成电信号输出。电信号输出。按工作的原理可分为按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、变阻器式、电阻应变式、 热敏式、光敏式、电敏式热敏式、光敏式、电敏式等。等。电阻传感器常用来测量电阻传感器常用来测量位移位移、力力、压力压力、应变应变、 扭矩扭矩和和加速度加速度等非电量。等非电量。2.1 2.1 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器 电位器是一个机电传感元件，它电位器是一个机电传感元件，它作为传感器可以将作为传感器可以将机械位移机械位移或其它能或其它能转换为位移的非电量转换为与其有一转换为位移的非电量转换为与其有一定函数关系的定函数关系的电阻值电阻

3、值的变化，从而引的变化，从而引起起输出电压输出电压的变化。的变化。一、电位器式传感器的种类一、电位器式传感器的种类 由电阻系数很高的极细的导线按一定规律绕在绝缘骨架上，用电刷（活由电阻系数很高的极细的导线按一定规律绕在绝缘骨架上，用电刷（活动触点）调节阻值大小。动触点）调节阻值大小。 特点：特点：结构简单，尺寸小，输出特性精度高（可达结构简单，尺寸小，输出特性精度高（可达0.1%）且稳定，输）且稳定，输出信号大，受环境影响小。由于电阻元件与电刷间的摩擦，可靠性和寿命受出信号大，受环境影响小。由于电阻元件与电刷间的摩擦，可靠性和寿命受到影响，分辨力也较低。到影响，分辨力也较低。 由电阻液（用石墨

4、、碳黑、树脂等材料配置而成）喷涂在绝缘骨架表面由电阻液（用石墨、碳黑、树脂等材料配置而成）喷涂在绝缘骨架表面上形成电阻膜。上形成电阻膜。 特点：特点：分辨力高、阻值范围宽、耐磨性好、工艺简单、成本低，其线性分辨力高、阻值范围宽、耐磨性好、工艺简单、成本低，其线性度在度在1%左右（经修刻后，可提高到左右（经修刻后，可提高到0.1% ）；接触电阻大，抗潮性差，噪声）；接触电阻大，抗潮性差，噪声较大。较大。 在玻璃或陶瓷基体上用真空蒸发或电镀的方法涂覆一层金属复合膜而制在玻璃或陶瓷基体上用真空蒸发或电镀的方法涂覆一层金属复合膜而制成。成。 特点：特点：电阻系数小，分辨力高，可工作在高温环境；耐磨性差

5、、功率电阻系数小，分辨力高，可工作在高温环境；耐磨性差、功率小、阻值较低（小、阻值较低（1K2K）。）。 由塑料粉及导电材料（如金属合金、碳黑、石墨）的粉料由塑料粉及导电材料（如金属合金、碳黑、石墨）的粉料经塑压而成。经塑压而成。 特点：特点：耐磨性极高，电刷接触压力要求较大，抗冲击振动耐磨性极高，电刷接触压力要求较大，抗冲击振动性能好，分辨力高，线性度一般性能好，分辨力高，线性度一般2%，阻值范围大，功率大；，阻值范围大，功率大；阻值易受温、湿度影响、接触电阻大、精度不高。阻值易受温、湿度影响、接触电阻大、精度不高。 5. 以合金（如钯银）、合金氧化物（如二硅化钼）、难溶化以合金（如钯银）、

6、合金氧化物（如二硅化钼）、难溶化合物（如碳化钨）等为电阻材料，以玻璃釉粉为粘合剂烧合物（如碳化钨）等为电阻材料，以玻璃釉粉为粘合剂烧结在陶瓷或玻璃基体上制成。结在陶瓷或玻璃基体上制成。 特点：特点：分辨力很高、耐磨、耐高温、抗湿、阻值范围广、分辨力很高、耐磨、耐高温、抗湿、阻值范围广、电阻温度系数小（约电阻温度系数小（约2.510-4/）；精度不高、接触电）；精度不高、接触电阻大。阻大。 是一种非接触式电位器，一光束代替常规的电刷。一般采用氧化铝作是一种非接触式电位器，一光束代替常规的电刷。一般采用氧化铝作基体，在其上蒸发一条带状电阻薄膜（镍铝合金或镍铁合金）和一条导电基体，在其上蒸发一条带状

7、电阻薄膜（镍铝合金或镍铁合金）和一条导电极（鉻合金或银）。极（鉻合金或银）。 图图1是这种电位器的结构图。平时无光照时，电阻体是这种电位器的结构图。平时无光照时，电阻体 和导电电极之间由于光电导层电阻很大而呈现绝缘状和导电电极之间由于光电导层电阻很大而呈现绝缘状 态。当光束照射在电阻体和导电电极的间隙上时，由态。当光束照射在电阻体和导电电极的间隙上时，由 于光电导层被照射部位的亮电阻很小，使电阻体被照于光电导层被照射部位的亮电阻很小，使电阻体被照 射部位和导电电极导通，于是光电电位器的输出端就射部位和导电电极导通，于是光电电位器的输出端就 有电压输出，输出电压的大小与光束位移照射到的位有电压输

8、出，输出电压的大小与光束位移照射到的位 置有关，从而实现了将光束位移转换为电压信号输置有关，从而实现了将光束位移转换为电压信号输 出。出。 特点：特点：光电电位器最大的优点是非接触型，不存在磨损问题，它不会光电电位器最大的优点是非接触型，不存在磨损问题，它不会对传感器系统带来任何有害的摩擦力矩，从而提高了传感器的精度、寿对传感器系统带来任何有害的摩擦力矩，从而提高了传感器的精度、寿命、可靠性及分辨率。光电电位器的缺点是接触电阻大，线性度差。由于命、可靠性及分辨率。光电电位器的缺点是接触电阻大，线性度差。由于它的输出阻抗较高，需要配接高输入阻抗的放大器。尽管光电电位器有着它的输出阻抗较高，需要配

9、接高输入阻抗的放大器。尽管光电电位器有着不少的缺点，但由于它的优点是其它电位器所无法比拟的，因此在许多重不少的缺点，但由于它的优点是其它电位器所无法比拟的，因此在许多重要场合仍得到应用。要场合仍得到应用。 1 2 3 132直线型直线型旋转型旋转型二、线绕电位器式传感器工作原理及结构二、线绕电位器式传感器工作原理及结构图图2 线绕电位器结构图线绕电位器结构图图图3 线绕电位器实物图线绕电位器实物图UiRx0Rx(等效电路等效电路)三、线性线绕电位器电输出特性三、线性线绕电位器电输出特性VorR(L)Vix图中：图中：Vi电位器输入电压；电位器输入电压； V0电位器输出电压；电位器输出电压； R

10、电位器总电阻；电位器总电阻； L电位器总行程；电位器总行程； x电刷行程；电刷行程； r电刷行程电刷行程x处对应电阻；处对应电阻； b骨架宽度；骨架宽度； h骨架高度；骨架高度； t线绕节距；线绕节距； RL负载电阻。负载电阻。 l 视在分辨力视在分辨力 阶跃值为阶跃值为iVVnV视在分辨力；视在分辨力；n 电位器线圈总匝数电位器线圈总匝数 如如Vi10V，n100匝，匝， 则则V0.1V，这意味着输出电压以，这意味着输出电压以0.1V的阶跃形式增加，即的阶跃形式增加，即为输入电压的为输入电压的1，不能给出小于，不能给出小于0.1V的电压变化。的电压变化。 l 负载误差负载误差在在RL条件下，

11、输出电压的表达式为条件下，输出电压的表达式为 02()iiLLLLLLLLVV r Rr RrRVIr RrRrRR RrRrRrrR0iiVVVrxRL显然显然RL时，时， 由负载电阻为有限值产生的相对负载误差为：由负载电阻为有限值产生的相对负载误差为： 200201100%1100%1100%1iLLRLiLLV r RVVR RrrrVrrVrRRR R11100%1(1)LrmXX若令负载系数若令负载系数mR/RL，行程比，行程比Xr/R=x/L，则有，则有2(2)01(1)LdrmXmdXmXXLr 对对求一阶导数求一阶导数 Lr12X 12xL 取取的极大值的极大值 ， ，亦即，亦