傳感器應用技術 課件全套 趙靜 項目1-9 傳感器概述 - 基于數字式傳感器的位置檢測儀的設計與制作

傳感器應用技術項目一

傳感器概述傳感器的基本概念國家標準（GB7665-2005）中傳感器（Transducer/Sensor）的定義：傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉換成可用輸出信號的器件或裝置。①傳感器是一種測量“器件或裝置”，能完成檢測任務；②它的輸入量是某一“被測量”，它可能是物理量，也可能是化學量，生物量等；③它的輸出量是“可用的信號”，這種信號可以是氣、光，電等物理量，但主要是易于處理的電物理量，如電壓、電流、頻率等；④輸出輸入之間的對應關系應具有“一定的規(guī)律”，且應有一定的精確程度，可以用確定的數學模型來描述；1.傳感器的基本概念2.傳感器的作用人體與自動化測控系統(tǒng)的對應關系“電五官”傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。傳感器是獲取信息的主要途徑與手段。沒有傳感器，現代化生產就失去了基礎。傳感器是邊緣學科開發(fā)的先驅。傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其廣泛的領域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現代化項目。，都離不開各種各樣的傳感器?？梢?，傳感器技術在發(fā)展經濟、推動社會進步等方面起著重要作用。2.傳感器的作用通常傳感器由敏感元件和轉換元件組成。其中,敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分;轉換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。圖1傳感器的組成框圖3.傳感器的組成說明:

由于傳感器的輸出信號一般都很微弱,因此需要有信號調理與轉換電路對其進行放大、運算調制等。隨著半導體器件與集成技術在傳感器中的應用,傳感器的信號調理與轉換電路可能安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上。此外,轉換電路以及傳感器工作必須有輔助的電源,不少傳感器要在通過轉換電路后才能輸出電信號，從而決定了轉換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一，因此,信號調理轉換電路以及所需的電源都應作為傳感器組成的一部分。3.傳感器的組成實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復雜，大多數是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。最簡單的傳感器由一個敏感元件(兼轉換元件)組成，它感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶。有些傳感器由敏感元件和轉換元件組成，沒有轉換電路，如壓電式加速度傳感器，其中質量塊m是敏感元件，壓電片（塊）是轉換元件。有些傳感器，轉換元件不只一個，要經過若干次轉換。3.傳感器的組成4.傳感器的分類分類方法傳感器的種類說明按輸入量（被測量）分類位移傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器傳感器以被測物理量命名按工作原理分類應變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式傳感器以工作原理命名按物理現象分類結構型傳感器傳感器依賴其結構參數變化實現信息轉換物性型傳感器傳感器依賴其敏感元件物理特性的變化實現信息轉換按能量關系分類能量轉換型傳感器傳感器直接將被測量的能量轉換為輸出量的能量能量控制型傳感器由外部供給傳感器能量，而由被測量來控制輸出的能量按輸出信號分類模擬式傳感器輸出為模擬量數字式傳感器輸出為數字量傳感技術的發(fā)展：1.深入基礎研究，開發(fā)新型傳感器。2.往集成化、微型化、智能化和仿生化方向發(fā)展3.不斷拓展測量范圍，提高檢測精度和可靠性4.推進新的檢測辦法，發(fā)展非接觸法檢測技術5.實現無線網絡化7.傳感器的發(fā)展傳感器應用技術項目一

傳感器概述傳感器的命名及代號一種傳感器產品的名稱，應由主題詞加四級修飾語構成。1）主題詞——傳感器。2）第一級修飾語——被測量，包括修飾被測量的定語。3）第二級修飾語——轉換原理，一般可后續(xù)以“式”字。4）第三級修飾語——特征描述，指必須強調的傳感器結構、性能、材料特征、敏感元件及其他必要的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字。5）第四級修飾語——主要技術指標（如量程、測量范圍、精度、靈敏度等）。（1）命名法的構成1.傳感器的命名方法1)題目中的用法。本命名法在有關傳感器的統(tǒng)計表格、圖書索引、檢索及計算機漢字處理等特殊場合，應采用上述命名法的構成所規(guī)定的順序。示例1：傳感器，位移，應變[計]式，100mm。注:[]內的詞，在不引起混淆時，可省略。示例2：傳感器，壓力，壓阻式，[單晶]硅，600kPa示例3：傳感器，差壓，諧振式，智能型，35kPa。（2）命名法的范例1.傳感器的命名方法2）正文中的用法。在技術文件、產品樣本、學術論文、教材及書刊的陳述句子中，作為產品名稱應采用與上述命名法的構成相反的順序。示例1：100mm應變式位移傳感器。示例2：600kPa[單晶]硅壓阻式壓力傳感器。示例3：35kPa智能[型]諧振式差壓傳感器。（2）命名法的范例2.傳感器代號標記方法

標準規(guī)定用大寫漢語拼音字母（或國際通用標志)和阿拉伯數字構成傳感器完整的代號。

傳感器的完整代號應包括以下四部分：主稱（傳感器）；被測量；轉換原理；序號。

圖2傳感器代號的構成（1）傳感器代號的構成2.傳感器代號標記方法第一部分：主稱（傳感器），用漢語拼音字母“C”標記。第二部分：被測量，用其一個或兩個漢字漢語拼音的第一個大寫字母標記（如壓力用Y表示）。當這組代號與該部分的另一個代號重復時，則用其漢語拼音的第二個大寫字母作代號（如應力用YL表示，硬度用YD表示）。依此類推。當被測量有國際通用標志時，應采用國際通用標志，當被測量為離子、粒子或氣體時，可用其元素符號、粒子符號或分子式加圓括號“（）”表示。如(H+)氫離子，（α）粒子，（β）射線。標準對常用的被測量代號作了相應的規(guī)定。（2）各部分代號的意義2.傳感器代號標記方法第三部分：轉換原理，用其一個或兩個漢字漢語拼音的第一個大寫字母標記。當這組代號與該部分的另一個代號重復時，則用其漢語拼音的第二個大寫字母作代號（如壓阻用YZ表示；霍爾用HE表示；電容用DR表示，差壓用CY表示）。依此類推。標準對常用的轉換原理代號也作了相應的規(guī)定。第四部分：序號，用阿拉伯數字標記。序號可表征產品設計特征、性能參數、產品系列等。如果傳感器產品的主要性能參數不改變，僅在局部有改進或改動時，其序號可在原序號后面順序地加注大寫漢語拼音字母A、B、C……（其中 I、O兩個字母不使用），序號及其內涵可由傳感器生產廠家自行決定。2.傳感器代號標記方法示例1：氫離子活度傳感器C(H+)-12示例2：壓阻式壓力傳感器CY-YZ-2.5示例3：

霍爾式電流傳感器CDL-HE-1200

（3）傳感器代號標記示例2.傳感器代號標記方法傳感器應用技術項目一

傳感器概述傳感器的靜態(tài)特性講授內容傳感器的特性：一般指輸入、輸出特性。當輸入量為常量，或變化極慢時，這一關系稱為靜態(tài)特性；當輸入量隨時間較快地變化時，這一關系稱為動態(tài)特性。傳感器輸出與輸入關系可用微分方程來描述。理論上，將微分方程中的一階及以上的微分項取為零時，即得到靜態(tài)特性。因此，傳感器的靜態(tài)特性只是動態(tài)特性的一個特例。實際上傳感器的靜態(tài)特性要包括非線性和隨機性等因素，如果把這些因素都引入微分方程，將使問題復雜化。為避免這種情況，總是把靜態(tài)特性和動態(tài)特性分開考慮。1.傳感器的靜態(tài)特性傳感器的輸出與輸入具有確定的對應關系最好呈線性關系。但一般情況下，輸出輸入不會符合所要求的線性關系，同時由于存在遲滯、蠕變、摩擦、間隙和松動等各種因素以及外界條件的影響，使輸出輸入對應關系的唯一確定性也不能實現。1.傳感器的靜態(tài)特性考慮了這些情況之后，傳感器的輸出輸入作用圖大致如圖所示。衡量傳感器靜態(tài)特性的主要性能指標包括：線性度、靈敏度、遲滯和重復性、分辨力、穩(wěn)定性。1.傳感器的靜態(tài)特性傳感器的輸出輸入關系或多或少地存在非線性。在不考慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性等因素的情況下，其靜態(tài)特性可用下列多項式代數方程表示：式中：y—輸出量；x—輸入量；a0—零點輸出；

a1—理論靈敏度；a2、a3、…、an—非線性項系數各項系數不同，決定了特性曲線的具體形式。（1）線性度y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn2.傳感器靜態(tài)特性技術指標靜態(tài)特性曲線可實際測試獲得。在獲得特性曲線之后，可以說問題已經得到解決。但是為了標定和數據處理的方便，希望得到線性關系。這時可采用各種方法，其中也包括硬件或軟件補償，進行線性化處理。一般來說，這些辦法都比較復雜。所以在非線性誤差不太大的情況下，總是采用直線擬合的辦法來線性化。在采用直線擬合線性化時，輸出輸入的校正曲線與其擬合曲線之間的最大偏差，就稱為非線性誤差或線性度。（1）線性度

2.傳感器靜態(tài)特性技術指標通常用相對誤差γL表示：ΔLmax—非線性最大偏差；yFS—滿量程輸出。非線性偏差的大小是以一定的擬合直線為基準直線而得出來的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的主要出發(fā)點，應是獲得最小的非線性誤差。另外，還應考慮使用是否方便，計算是否簡便。γL=±(ΔLmax/yFS)×100%①理論擬合；②過零旋轉擬合；③端點連線擬合④端點連線平移擬合；⑤最小二乘擬合；⑥最小包容擬合2.傳感器靜態(tài)特性技術指標（1）線性度

a)理論擬合

d)端點連線平移擬合

b)過零旋轉擬合c)端點連線擬合

2.傳感器靜態(tài)特性技術指標（1）線性度設擬合直線方程：

若實際校準測試點有n個，則第i個校準數據與擬合直線上響應值之間的殘差為最小二乘法擬合直線的原理就是使

為最小值，即

對k和b一階偏導數等于零，求出a和k的表達式2.傳感器靜態(tài)特性技術指標最小二乘法擬合y=kx+bΔi=yi-(kxi+b)即得到k和b的表達式將k和b代入擬合直線方程，即可得到擬合直線，然后求出殘差的最大值Lmax即為非線性誤差。2.傳感器靜態(tài)特性技術指標2.傳感器靜態(tài)特性技術指標擬合直線的選定原則：保證盡量小的非線性誤差，計算與使用方便序號方法名稱擬合直線特點（1）理論直線法理論特性線，與測量值無關簡單、方便，非線性誤差大。（2）端點線法校準曲線端點連線簡單，非線性誤差大（3）最小二乘法與校準曲線的殘差平方和最小精度高，普遍推薦的方法（4）“最佳直線”法與正、反行程校準曲線的正、負偏差相等且最小精度高，求解復雜（2）靈敏度與靈敏度誤差

γs=(Δk/k)×100%由于某種原因，會引起靈敏度變化，產生靈敏度誤差。靈敏度誤差用相對誤差表示，即可見，傳感器輸出曲線的斜率就是其靈敏度。對線性傳感器，其特性曲線的斜率處處相同，靈敏度k是一常數，與輸入量大小無關。K=Δy/Δx傳感器輸出的變化量Δy與引起該變化量的輸入變化量Δ

x之比即為其靜態(tài)靈敏度，其表達式為2.傳感器靜態(tài)特性技術指標傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合的程度稱為遲滯。遲滯特性如圖所示，它一般是由實驗方法測得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分數表示，即

式中△Hmax—正反行程間輸出的最大差值。

遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差。回程誤差常用絕對誤差表示。檢測回程誤差時，可選擇幾個測試點。對應于每一輸入信號，傳感器正行程及反行程中輸出信號差值的最大者即為回程誤差。2.傳感器靜態(tài)特性技術指標（3）遲滯產生原因：主要是傳感器機械部分存在不可避免的缺陷，如軸承摩擦、間隙、緊固件松動、材料的內摩擦、積塵等。遲滯誤差的存在使輸入輸出不能一一對應。出現的誤差大、小視具體情況而定。

（3）遲滯

2.傳感器靜態(tài)特性技術指標重復性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時所得特性曲線的不一致性程度。重復性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即產生原因:與產生遲滯現象的原因相同,屬于隨機性誤差。（4）重復性

2.傳感器靜態(tài)特性技術指標分辨力：

分辨力是指傳感器能檢測到的最小的輸入增量。當被測量的變化小于分辨力時，傳感器對輸入量的變化無任何反應。有些傳感器,當輸入量連續(xù)變化時，輸出量只作階梯變化，則分辨力就是輸出量的每個“階梯”所代表的輸入量的大小。

分辨率：

分辨力用絕對值表示，用與滿量程的百分數表示時稱為分辨率。在傳感器輸入零點附近的分辨力稱為閾值。

（5）分辨力與閥值2.傳感器靜態(tài)特性技術指標500米口徑球面射電望遠鏡分辨力—10cm量子感測技術分辨力—單個生物細胞水平嫦娥五號分辨力—1億像素

分辨力的重要性北斗導航定位系統(tǒng)分辨力—15cm2.傳感器靜態(tài)特性技術指標2.傳感器靜態(tài)特性技術指標

手機屏幕的分辨能力越高越好嗎？表示傳感器在一較長時間內保持性能參數的能力。包含穩(wěn)定度、環(huán)境影響兩個方面。穩(wěn)定度指所有條件不變，規(guī)定時間維持示值不變的能力。例如某儀表輸出電壓值在8h內的最大變化量1.3mV。環(huán)境影響指由外界環(huán)境變化而引起的示值變化。一般由零漂和靈敏度漂移。零漂可以由重新調零克服,靈敏度漂移可以由計算機處理。環(huán)境影響的因素有：溫度、濕度、氣壓、電源電壓、電源頻率，其中溫度的影響最大，具體克服辦法在后續(xù)章節(jié)學習。（6）穩(wěn)定性2.傳感器靜態(tài)特性技術指標漂移指在一定時間間隔內，傳感器輸出量存在著與被測輸入量無關的、不需要的變化。漂移包括零點漂移與靈敏度漂移。零點漂移或靈敏度漂移又可分為時間漂移(時漂)和溫度漂移(溫漂)。時漂是指在規(guī)定條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化；溫漂為周圍溫度變化引起的零點或靈敏度漂移。（7）漂移2.傳感器靜態(tài)特性技術指標（8）靜態(tài)誤差取2σ和3σ值即為傳感器的靜態(tài)誤差。靜態(tài)誤差也可用相對誤差來表示，即靜態(tài)誤差的求取方法如下：把全部輸出數據與擬合直線上對應值的殘差,看成是隨機分布,求出其標準偏差,即靜態(tài)誤差是指傳感器在其全量程內任一點的輸出值與其理論值的偏離程度。yi—各測試點的殘差；

n一測試點數。2.傳感器靜態(tài)特性技術指標（8）靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差是評價傳感器靜態(tài)性能的一項綜合性指標，常將它稱之為傳感器的精度，他基本包括了前面敘述的非線性誤差、重復性誤差、靈敏度誤差等，若這幾項誤差是隨機的、獨立的、正態(tài)分布的，也可以把這幾個單項誤差綜合而得，即：

2.傳感器靜態(tài)特性技術指標傳感器應用技術項目一

傳感器概述傳感器的動態(tài)特性講授內容對隨時間變化的動態(tài)信號測量時，要求傳感器能迅速準確地測出信號幅值的大小和無失真地再現被測信號隨時間變化的波形。傳感器的動態(tài)特性指傳感器對隨時間變化的輸入信號的響應特性。傳感器的動態(tài)特性

把一支熱電偶從溫度為t0℃環(huán)境中迅速插入一個溫度為t1℃的恒溫水槽中（插入時間忽略不計），這時熱電偶測量的介質溫度從t0突然上升到t1，而熱電偶反映出來的溫度從t0℃變化到t1℃需要經歷一段時間，即有一段過渡過程。熱電偶反映出來的溫度與其介質溫度的差值就稱為動態(tài)誤差1.研究傳感器動態(tài)特性的方法及其指標被測量隨時間變化的形式可能是各種各樣的，只要輸入量是時間的函數，則其輸出量也將是時間的函數。時域：瞬態(tài)響應法輸入信號：階躍函數、斜坡函數、脈沖函數指標：時間常數、上升時間、響應時間、超調量…頻域：頻率響應法輸入信號：正弦周期信號指標：頻帶寬度傳感器的動態(tài)特性2.傳感器的動態(tài)數學模型：常系數線性微分方程y——輸出量；x——輸入量；t——時間a0，a1，…，an——常數；b0，b1，…，bm——常數

——輸出量對時間t的n階導數；

——輸入量對時間t的m階導數；求解上述微分方程的方法：采用傳遞函數、頻率響應函數等足以反映系統(tǒng)動態(tài)特性的函數將系統(tǒng)的輸出與輸入聯系起來。傳感器的動態(tài)特性2.傳感器的動態(tài)數學模型：傳遞函數傳感器的動態(tài)特性動態(tài)特性的傳遞函數在線性或線性化定常系統(tǒng)中是指初始條件為0時，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。當傳感器的數學模型初值為0時，對其進行拉氏變換，即可得出系統(tǒng)的傳遞函數Y(s)——傳感器輸出量的拉氏變換式；X(s)——傳感器輸入量的拉氏變換式上式分母是傳感器的特征多項式，決定系統(tǒng)的“階”數。可見，對一定常系統(tǒng)，當系統(tǒng)微分方程已知，只要把方程式中各階導數用相應的s變量替換，即求出傳感器的傳遞函數。1）零階環(huán)節(jié)傳感器的動態(tài)特性方程式系數除了a0、b0之外，其它的系數均為零，這樣的系統(tǒng)稱為零階環(huán)節(jié)。此時，微分方程就變成代數方程，即式中，k=b0/a0為傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數。在工程應用中，電位器式的電阻傳感器、利用靜態(tài)式壓力傳感器測量液位均可看作零階系統(tǒng)。

無失真，無滯后，又稱為比例環(huán)節(jié)、無慣性環(huán)節(jié)。a0y(t)=b0x(t)改寫成

y(t)=kx(t)2）一階環(huán)節(jié)（慣性環(huán)節(jié)）傳感器的動態(tài)特性

方程式的系數除了a0、a1與b0之外，其它的系數均為零，則微分方程為式中：τ——傳感器的時間常數，τ=a1/a0；反映傳感器慣性的大小。

k——傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數，k=b0/a0。

改寫成

2）二階環(huán)節(jié)

傳感器的動態(tài)特性

二階環(huán)節(jié)的微分方程為式中：

ξ——傳感器的阻尼系數，

ωn—傳感器的固有頻率，

k——傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數，k=b0/a0；

改寫成

3.單位階躍響應（時域）：一階系統(tǒng)傳感器的動態(tài)特性對初始狀態(tài)為零的傳感器，若輸入單位階躍信號，即一階傳感器的單位階躍響應信號為

t≤0

t>0

τ越小響應越快動態(tài)誤差小3.單位階躍響應（時域）：二階系統(tǒng)傳感器的動態(tài)特性

二階系統(tǒng)兩個主要因素：阻尼比ξ，固有角頻率ωn。ξ>1時，特征根為兩個不同的負實根，階躍響應是一個不振蕩的衰減過程，這種狀態(tài)又稱為過阻尼狀態(tài)；ξ=1時，特征根為兩個相同的負實根，階躍響應也是一個不振蕩的衰減過程，但是它是一個由不振蕩衰減到振蕩衰減的臨界過程，故又稱為臨界阻尼狀態(tài)；

3.單位階躍響應（時域）：二階系統(tǒng)傳感器的動態(tài)特性

二階系統(tǒng)兩個主要因素：阻尼比ξ，固有角頻率ωn。

0<ξ<1時，特征根為一對共軛復根，階躍響應是一個衰減振蕩過程，在這一過程中ξ值不同，衰減快慢也不同，這種衰減振蕩狀態(tài)又稱為欠阻尼狀態(tài)。ξ=0時，特征根為一對虛根，階躍響應是一個等幅振蕩過程，這種等幅振蕩狀態(tài)又稱為無阻尼狀態(tài)；

3.單位階躍響應（時域）：二階系統(tǒng)傳感器的動態(tài)特性3.單位階躍響應（時域）：二階系統(tǒng)傳感器的動態(tài)特性4.傳感器的時域動態(tài)性能指標傳感器的動態(tài)特性①時間常數τ：一階傳感器輸出上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需的時間,稱為時間常數。②延遲時間td：傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的50%所需的時間。4.傳感器的時域動態(tài)性能指標傳感器的動態(tài)特性③上升時間tr：輸出達到穩(wěn)態(tài)值90%所需的時間。④峰值時間tp：輸出響應曲線達到第一個峰值所需時間。⑤超調量σ：輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值。⑥響應時間ts：響應曲線衰減到與穩(wěn)態(tài)值之差不超過±5%或±2%時所需要的時間，有時稱過渡過程時間。

傳感器應用技術項目二

基于電阻式傳感器的電子秤的設計與制作電位器式傳感器講授內容

電位器式傳感器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感元件?？梢杂脕頊y量振動、位移、速度、加速度和壓力等非電參數。按結構形式可分為：直線位移型、角位移型。按輸入/輸出特性可分為：線性電位器、非線性電位器。1.電位器式傳感器定義下圖為典型的電位器式傳感器的結構原理。它由電阻元件（包括骨架和金屬電阻絲）和電刷（活動觸點）兩個基本部分組成。由圖可見，當有機械位移時，電位器的動觸點產生位移，而改變了動觸點相對于電位參考點（A點）的電阻，從而實現了非電量（位移）到電量（電阻值或電壓幅值）的轉換。2.電位器式傳感器的結構電阻元件通常由極細的絕緣導線按照一定規(guī)律整齊地繞在一個絕緣骨架上形成。在它與電刷接觸的部分，去掉絕緣導線表面的絕緣層并拋光，形成一個電刷可在其上滑動的光滑而平整的接觸道。電阻元件除了由極細的絕緣導線繞制外，還可以采用具有較高電阻率的薄膜制成。電位計的電阻元件通常有線繞電阻、薄膜電阻、導電塑料（即有機實心電位計）等。2.電位器式傳感器的結構

電刷通常由具有一定彈性的耐磨金屬薄片或金屬絲制成，接觸端處彎曲成弧形。利用電刷與電阻本身的彈性變形產生的彈性力，使電刷與電阻元件有一定的接觸壓力，以使兩者在相對滑動過程中保持可靠的接觸和導電。線圈繞于骨架上，電刷可在繞線上滑動，從一匝滑到另一匝，當滑動電刷在繞線上的位置改變時，改變了繞線的長度，從而改變了電阻。2.電位器式傳感器的結構(1)結構簡單、尺寸小、重量輕、價格低廉且性能穩(wěn)定；

(2)受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場干擾等)影響?。?/p>

(3)可以實現輸出—輸入間任意函數關系；

(4)輸出信號大，一般不需放大；

(5)電刷與線圈或電阻膜之間摩擦，需要較大的輸入能量；

(6)分辨力較低；

(7)動態(tài)響應較差，適合于緩慢量的測量。3.電位器式傳感器特點常用的繞線式電位器通常由電阻絲、電刷及骨架構成。

1.電阻絲要求：電阻系數高，電阻溫度系數小，強度高，延展性好，對銅的熱電勢盡可能小，耐磨耐腐蝕，焊接性好。常用材料：銅鎳合金類、銅錳合金類、鉑銥合金類、鎳鉻絲、卡瑪絲及銀鈀絲等。4.繞線式電位器結構與材料2.骨架材料：對骨架材料要求形狀穩(wěn)定，其熱膨脹系數和電阻絲的相近，表面絕緣電阻高，并且希望有較好的散熱能力，

耐潮濕，易加工。常用的有陶瓷、酚醛樹脂和工程塑料等，也可以用經絕緣處理的金屬材料，這種骨架因傳熱性能良好，適用于大功率電位器。4.繞線式電位器結構與材料3.電刷結構：由具有彈性的金屬薄片或金屬絲制成，末端彎曲形成弧形。材料：電刷結構往往反映出電位器的噪音電平。只有當電刷與電阻絲材料配合恰當，觸點有良好的抗氧化能力，接觸電勢小，并有一定的接觸壓力時，才能使噪音降低。否則，電刷可能成為引起振動噪音的源。采用高固有頻率的電刷結構效果較好。常用電位器的接觸力在0.005～0.05N之間。

常用的電刷觸頭材料有銀、鉑銥、鉑銠等金屬。

4.繞線式電位器結構與材料線性電位器的理想空載特性曲線應具有嚴格的線性關系。下圖所示為電位器式位移傳感器原理圖。如果把它作為變阻器使用,假定全長為xmax的電位器其總電阻為Rmax,電阻沿長度的分布是均勻的,則當滑臂由A向B移動x后,A點到電刷間的阻值為：若把它作為分壓器使用，且假定加在電位器A、B之間的電壓為Umax,則輸出電壓為：5.線性電位器的空載特性直線位移式電位器傳感器原理圖

電位器式角度傳感器。

作變阻器使用,則電阻與角度的關系為5.線性電位器的空載特性作為分壓器使用,則有角位移式電位器傳感器原理圖

6.繞線式電位器靈敏度若線性電位器式傳感器截面長、寬為b、h，導線橫截面積A，繞線節(jié)距為t，則6.繞線式電位器靈敏度骨架寬、高其靈敏度應為：結論：線性線繞電位器的電阻靈敏度和電壓靈敏度除與電阻率ρ有關外,還與骨架尺寸h和b、導線橫截面積A(導線直徑d）、繞線節(jié)距t等結構參數有關;電壓靈敏度還與通過電位器的電流I的大小有關。6.繞線式電位器靈敏度傳感器應用技術項目二

電阻式傳感器非線性電位器空載時輸出電壓(電阻)與電刷行程之間具有非線性關系。研究意義：現實中有些對象是指數函數、對數函數、三角函數及其他任意函數。要滿足控制系統(tǒng)特殊要求,必須想辦法找到與線性控制系統(tǒng)的關系,用線性輸出特性解決非線性輸出。常見非線性特性有變骨架、變節(jié)距、分路電阻或電位給定四種。1.非線性電位器變骨架式非線性電位器變骨架式電位器是利用改變骨架高度或寬度的方法來實現非線性函數特性。如圖所示為一種變骨架高度式非線性電位器。2.變骨架式非線性電位器2.變骨架式非線性電位器變骨架高度式非線性電位器當Δx→0時,則有由上述兩個公式可求出骨架高度的變化規(guī)律為：2.變骨架式非線性電位器只要骨架高度滿足左邊式子，即可實現線性靈敏度要求。

變骨架高度式電位器的繞線節(jié)距是不變的,因此其行程分辨率與線性電位器計算式相同,則有但由于骨架高度是變化的,因而階梯特性的階梯也是變化的,最大階梯值發(fā)生在特性曲線斜率最大處,故階梯誤差為3.行程分辨率與階梯誤差變骨架式非線性電位器理論上可以實現所要求的許多種函數特性,但結構必須滿足：（1）為保證強度,骨架的最小高度hmin>3～4mm,不能太小。（2）骨架型面坡度α應小于20°～30°，否則繞制時容易產生傾斜和打滑,產生誤差,如圖3.7(a)所示。4.非線性電位器結構特征減小誤差方法：（1）減小坡度，可采用對稱骨架,如圖3.7(b)所示。（2）減小具有連續(xù)變化特性的骨架的制造和繞制困難,將骨架設計成階梯形的,如圖3.8所示,實際是對特性曲線采用折線逼近。4.非線性電位器結構特征

圖3.7對稱骨架式（a)骨架坡度太高;（b)對稱骨架減少坡度4.非線性電位器結構特征4.非線性電位器結構特征

圖3.8階梯骨架式非線性電位器實際是對特性曲線采用折線逼近.電位器具有精度高、性能穩(wěn)定、易于實現線性變化等優(yōu)點，但也存在很多不足：如分辨率低、耐磨性差、壽命較短等。因此，人們研制了一些優(yōu)良的非繞線式電位器。5.非繞線式電位器

碳膜電位器：在絕緣骨架表面上噴涂一層均勻的電阻液，經烘干聚合后而制成電阻。（電阻液由石墨、碳墨、樹脂材料配制而成。）

優(yōu)點：

分辨率高、耐磨性較好、工藝簡單、成本較低、線性度較好。

缺點：

接觸電阻大、噪聲大。金屬膜電位器：在玻璃或膠木基體上，用高溫蒸鍍或電鍍方法，涂覆一層金屬膜而制成。（制作金屬膜的合金：鍺銠、鉑銅、鉑銠、鉑銠錳等。）

優(yōu)點：溫度系數小，可在高溫環(huán)境下工作。

缺點：耐磨性差、功率小、阻值不高(1kΩ～2kΩ)。（1）薄膜電位器（2）導電塑料電位器這種電位器由塑料粉及導電材料粉(合金、石墨、炭黑等)壓制而成，它又稱為實心電位器。

優(yōu)點：耐磨性較好、壽命較長、電刷允許的接觸壓力較大，適用于振動、沖擊等惡劣條件下工作，且阻值范圍大，能承受較大的功率。

缺點：溫度影響較大、接觸電阻大、精度不高。

（3）光電電位器上述幾種電位器均為接觸式電位器，其共同的缺點是耐磨性較差、壽命較短。光電電位器是一種非接觸式電位器，它以光束代替了常規(guī)的電刷，有效地克服了上述幾種電位器的缺點。光電電位器原理圖1-光電導層；2-基體；3-薄膜電阻帶；4-電刷窄光束；5-導電電極

（3）光電電位器結構原理：在基體（常用材料為氧化鋁）上沉積一層硫化鎘或硒化鎘光電導層，然后在它的上面沉積一條金屬導電條作為導電電極，在它的下面沉積一條薄膜電阻帶，在電阻帶和導電電極之間形成一很窄的間隙，再無光束照射時，因光電導材料的暗電阻極大，可視為電阻帶與導電電極之間為斷路，而當電刷的窄光束照射在此窄間隙上時，就相當于把電阻帶和導電電極接通，這樣在外電源的作用下，負載電阻上便有電壓輸出，且隨著光束位置的移動而變化，如同電刷移動一樣。光電電位器原理圖1-光電導層；2-基體；3-薄膜電阻帶；4-電刷窄光束；5-導電電極

（3）光電電位器

優(yōu)點：耐磨性好，精度、分辨率高，壽命長(可達億萬次循環(huán))、可靠性好，阻值范圍寬(500～15M)等。

缺點：輸出電流較小，需配備高輸入阻抗放大器工作，工作溫度的范圍比較窄，線性度不高。此外，光電電位器需要照明光源和光學系統(tǒng)，其結構較復雜，體積和重量較大。

傳感器應用技術項目二

基于電阻式傳感器的電子秤的設計與制作應變片的工作原理講授內容1.實驗演示

取一根細電阻絲，兩端接上一臺數字式歐姆表（分辨率為1/2000），記下其初始阻值（圖中為10.01

）。當我們用力將該電阻絲拉長時，會發(fā)現其阻值略有增加（圖中增加到為10.05）。測量應力、應變、力的傳感器就是利用類似的原理制作的。電阻應變效應演示金屬絲受拉時，l變長、r變小，導致R變大。1.實驗演示

應變效應：導體或半導體材料在受到外界力(拉力或壓力)作用時，將產生機械變形，機械變形會導致其電阻值變化。

一根長l，截面積為A的金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為：

當電阻絲受到拉力F作用時，將伸長dl，橫截面積相應減小dA，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了dρ，從而引起電阻值相對變化量為：2.應變效應

導體受拉伸后的參數變化式中

——金屬絲長度相對變化，材料的軸向應變，用

ε表示，常用單位με;

——圓形電阻絲的截面積相對變化量，設

r為電阻絲的半徑：

——金屬絲半徑的相對變化，即徑向應變?yōu)?/p>

εr，由材料力學知：

其中

μ——導體材料的泊松比。2.應變效應A=πr2εr=–με通常把單位應變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的應變靈敏系數（簡稱靈敏系數）。其物理意義是單位應變所引起的電阻相對變化量，其表達式為：2.應變效應靈敏系數

K受兩個因素影響：材料幾何尺寸的變化，即1+2μ；材料的電阻率發(fā)生的變化，即（dρ/ρ）/ε。大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內，電阻的相對變化與應變成正比，即

K為常數。對金屬材料來說，電阻絲靈敏度系數表達式中1+2μ的值要比(dρ/ρ)/ε大得多，顯然，金屬絲材的應變電阻效應以結構尺寸變化為主。3.金屬材料的應變電阻效應壓阻效應是指半導體材料，當某一軸向受外力作用時，其電阻率ρ發(fā)生變化的現象。式中：

π——半導體材料的壓阻系數; σ——半導體材料的所受應變力; E——半導體材料的彈性模量;

由該公式可知：

由于πE>>(1+2μ)，因此半導體絲材的靈敏系數Ks≈πE?？梢?，半導體材料的應變電阻效應主要基于壓阻效應。通常Ks=(50～80)Km。4.半導體材料的壓阻效應5.金屬-半導體應變片特性小結

靈敏度金屬電阻絲:Km=1+2

m，

m為金屬材料的泊松系數,

m=0.3~0.5半導體材料:Ks=(50~80)Km,可測微小應變（600微應變，長度相對變化量為10-6為1微應變）線性度金屬電阻絲：非線性誤差小，在較大測量范圍內應變片靈敏系數基本不變。半導體材料：非線性誤差嚴重，測量范圍小。動態(tài)特性金屬電阻絲：響應速度在低頻時較好，但隨頻率提高，響應速度有可能跟不上而導致失真半導體材料：因體積小，保證響應速度良好的頻率范圍較寬。用應變片測量應變或應力時，是將應變片粘貼于被測對象上，在外力作用下，被測對象表面產生微小機械變形，粘貼在其表面上的應變片亦隨其發(fā)生相同的變化，因此應變片的電阻也發(fā)生相應的變化。當測得應變片電阻值變化量△R時，根據應變片的工作原理的數學表達式,便可得到被測對象的應變值。

6.應變片的測試原理應力值正比于應變，而試件應變又正比于電阻值的變化量△R，所以應力正比于電阻值的變化。這就是利用應變片測量應變的基本原理。6.應變片的測試原理彈性敏感元件電阻應變片測量電橋F△Ru或i傳感器應用技術項目二

基于電阻式傳感器的電子秤的設計與制作金屬電阻應變片講授內容1.應變片的類型

105金屬電阻應變片：絲式、箔式和薄膜式。2.金屬絲式應變片下圖為電阻應變片的典型結構圖。它由敏感柵、基底、蓋片、引線和粘結劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應變片的性能。因此，應根據使用條件和要求合理地加以選擇?；采w層金屬絲引線2.金屬絲式應變片（1）基片和覆蓋層基片用于保持敏感柵、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，還可保護敏感柵。最早的基底和蓋片多用專門的薄紙制成，基底厚度一般為(0.02～0.04)mm，基底的全長稱為基底長，其寬度稱為基底寬。2.金屬絲式應變片（2）敏感柵由金屬細絲（康銅、鎳鉻合金、貴金屬）繞成柵形。金屬細絲直徑為0.01-0.05mm柵長有100mm、200mm及1mm、0.5mm、0.2mm等規(guī)格，分別適應于不同的用途。對敏感柵材料的要求①較大的應變靈敏系數，盡量保持為常數；②高而穩(wěn)定的電阻率；③電阻溫度系數要?。虎芸寡趸芰Ω?，耐腐蝕性能強；⑤在工作溫度范圍內能保持足夠的抗拉強度；⑥加工性能良好；⑦易于焊接，對引線材料的熱電勢小。2.金屬絲式應變片（3）引線它是從應變片的敏感柵中引出的細金屬線。常用直徑約(0.1~0.15)mm的鍍錫銅線，或扁帶形的其他金屬材料制成。

對引線材料的性能要求電阻率低；電阻溫度系數??；抗氧化性能好；易于焊接；大多數敏感柵材料都可制作引線。2.金屬絲式應變片金屬絲式應變片有回線式和短接式二種，如圖所示?；鼐€式最為常用，制作簡單，性能穩(wěn)定，成本低，易粘貼，但其應變橫向效應較大。短接式應變片兩端用直徑比柵線直徑大5～10倍的鍍銀絲短接。優(yōu)點是克服了橫向效應，但制造工藝復雜。

圖中應變片a、c回線式

b、d短接式箔式應變片將金屬電阻材料通過特殊的碾壓而得到厚度為0.003~0.005mm的極薄的膜，加上絕緣底基以后，再通過光刻工藝將電阻箔刻成所需的柵狀電阻絲，然后再將這個箔柵加上覆蓋層和引出線就構成了箔式應變片。箔式應變片的基本結構

3.金屬箔式應變片3.金屬箔式應變片112因為這種應變片中的電阻材料被制成了箔，所以它與被粘貼的零件表面的接觸面積比絲式應變片大得多，這樣的應變片就能更好地“跟隨”應變零件的變化。由于接觸面積大，它的散熱條件比絲式應變片好得多。目前采用這種元件制成的傳感器比較多。為適應不同形狀的應變，敏感柵需與應力分布相適應，應變片常呈不同形狀，俗稱應變花。優(yōu)點：（1）尺寸準確，線條均勻，適應不同的測量要求，

（2）可制成多種復雜形狀尺寸準確的敏感柵（3）與被測試件接觸面積大，粘結性能好。散熱條件好，允許電流大，靈敏度提高。（4）橫向效應可以忽略。（5）蠕變、機械滯后小，疲勞壽命長。缺點：電阻值的分散性大。3.金屬箔式應變片4.薄膜應變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積的方法，將金屬敏感材料直接鍍制于彈性基片上。相對于金屬粘貼式應變片而言，薄膜應變片的應變傳遞性能得到了極大的改善，幾乎無蠕變，并且具有應變靈敏系數高，穩(wěn)定性好、可靠性高、工作溫度范圍寬(-100℃～180℃)、使用壽命長、成本低等優(yōu)點，是一種很有發(fā)展前途的新型應變片。優(yōu)點：應變靈敏系數大，允許電流密度大，工作范圍廣，易實現工業(yè)化生產。問題：難控制電阻與溫度和時間的變化關系。金屬電阻應變片常用的敏感柵材料有康銅、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金、鐵鉻鋁合金、鉑、鉑鎢合金等。

對金屬電阻應變片敏感柵材料的基本要求是：①靈敏系數大，并且在較大應變范圍內保持常數。②電阻率大。③電阻溫度系數小。④抗氧化能力高，耐腐蝕性能強;⑤與銅絲的焊接性好，與其他金屬的接觸熱電勢小。⑥機械強度高，且易于拉絲或輾薄。2.應變片材料要求傳感器應用技術項目二

基于電阻式傳感器的電子秤的設計與制作應變片的粘貼講授內容1.應變片的選擇在應變片的靈敏系數K

相同的一批應變片中，剔除電阻絲柵有形狀缺陷、片內有氣泡、霉斑、銹點等缺陷的應變片。用數字萬用表的電阻擋測量應變片的電阻值R，將電阻值差別在土2Ω范圍內的應變片選出待用。2.去污

119用銼刀和粗砂紙、砂輪等工具將試件在鋼板上的貼片位置的油污、漆層、銹跡、電鍍層除去，再用細砂紙打磨成45°交叉紋以增加粘貼力,之后用鑷子夾起用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球將貼片處擦洗干凈，至棉球潔白為止

。鋼試件應變片粘貼處表面處理示意圖3.測點定位120要在試件上用鋼板尺和劃針畫一個十字線(一根長，一根短)，十字線的交叉點對準測點位置，較長的一根線要與應變測量方向一致。鋼試件應變片定位示意圖4.貼片在應變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠，用鑷子將應變片放上去，并調好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡。鋼試件應變片粘貼示意圖5.固定焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應變片。接線柱粘貼示意圖6.絕緣度檢查應變片與試件之間必須是絕緣的，否則,實際電阻就會是應變片的電阻與試件電阻的并聯，從而導致測試的不準確。檢查絕緣度就是用兆歐表(測量大電阻的專用儀器)檢查應變片與試件之間的絕緣電阻。絕緣電阻為50MΩ以上為合格，低于50MΩ則用紅外線燈烤至合格，若再達不到要求，則重貼。7.防護在安裝好的應變計和引線上涂以中性凡士林油、石蠟(短期防潮)；或石蠟—松香—黃油的混合(長期防潮)；或環(huán)氧樹脂、氯丁橡膠、清漆等(防機械劃傷)作防護用，以保證應變計工作性能穩(wěn)定可靠。傳感器應用技術項目二

基于電阻式傳感器的電子秤的設計與制作應變片的主要特性講授內容1.應變片的電阻值指應變片在未經安裝也不受外力的情況下，在室溫測得的電阻值。目前常用的電阻系列有：60Ω、120Ω、200Ω、350Ω、500Ω、1000Ω、1500Ω等，其中以120Ω最常用。

2.靈敏系數128表示應變片安裝在被測試件表面，在其軸線方向的單向應力作用下，引起的電阻相對變化

與其單向應力引起的試件表面軸向應變

之比。應變片的靈敏系數值的準確性直接關系到應變測量的精度，其誤差大小是衡量應變片質量優(yōu)劣的重要標志。一般要求值盡量大而穩(wěn)定。需要指出，應變片的靈敏系數

并不等于其敏感柵整長電阻絲的靈敏系數

，一般情況下，＜3.橫向效應129將直的電阻絲繞成敏感柵后，雖然長度不變，應變狀態(tài)相同，但在的圓弧處，除受縱向的拉應變外，由泊松關系，還存在橫向的負應變

（

），造成電阻的減小，因而其靈敏系數

較整長電阻絲的靈敏系數

小，這種現象稱為應變片的橫向效應。應變片軸向受力及橫向效應

4.機械滯后

機械滯后

應變片安裝在試件上以后，在加載和卸載過程中，對同一機械應變量，兩過程的特性曲線并不重合，卸載時的指示應變高于加載時的指示應變，這種現象稱為應變片的機械滯后。產生機械滯后的主要原因是敏感柵、基底和粘合劑在承受機械應變之后留下的殘余變形所致。

機械滯后5.零漂和蠕變零漂已粘貼在試件上的應變片，在溫度保持恒定，試件上沒有機械應變的情況下，應變片的指示會隨著時間增長而逐漸變化，這就是應變片的零點漂移，簡稱零漂。蠕變已粘貼的應變片，溫度保持恒定，在承受某一恒定的機械應變長時間作用下，應變片的指示會隨時間的變化而變化，這種現象稱為蠕變。一般來說，蠕變的方向與原來應變量變化的方向相反。應變片工作時，零漂和蠕變是同時存在的。

6.應變極限、疲勞壽命

應變片的應變極限是指在一定溫度下，應變片的指示應變

與試件的真實應變

的相對誤差達到規(guī)定值(一般為10%)時的真實應變值

。對于已安裝的應變片，在恒定幅值的交變力作用下，可以連續(xù)工作而不產生疲勞損壞的循環(huán)次數N稱為應變片的疲勞壽命。

應變極限

7.絕緣電阻和最大工作電流

應變片的絕緣電阻是指已粘貼的應變片的引線與被測件之間的電阻值

。通常要求

在50MΩ

～100MΩ以上。絕緣電阻下降將使測量系統(tǒng)的靈敏度降低，使應變片的指示應變產生誤差。

對于已安裝的應變片，最大工作電流是指允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流

。工作電流的選取要根據試件的導熱性能及敏感柵形狀和尺寸來決定。

傳感器應用技術項目二

基于電阻式傳感器的電子秤的設計與制作應變片的測量電路講授內容1.應變片的測量電路由于機械應變一般都很小，要把微小應變引起的微小電阻變化測量出來，同時要把電阻相對變化ΔR/R轉換為電壓或電流的變化，因此，需要有專用的測量應變變化而引起電阻變化的測量電路。工程中通常采用直流電橋和交流電橋。由于電橋電路輸出信號很微弱，所以大部分傳感器的電橋輸出端要與直流放大器相連，如圖：1.應變片的測量電路137設電橋各臂的電阻分別為R1,R2，R3，R4，它們可以全部或者部分是應變片。由于直流放大器的輸入電阻比電橋電阻大得多，因此可將電橋的輸出看成是開路，這種電橋稱為電壓輸出橋，電橋輸出電壓U0為:當電橋平衡時,U0=0，所以:R1R4=R2R3或R1/R2=R3/R4直流電橋平衡條件,它說明欲使電橋平衡,其相鄰二臂的比值應相等.而電橋的四臂中任一電阻可用應變片代替。2.單臂電路138如果橋臂中的R1由應變片替代，其它為固定電阻，如圖所示:當電橋開路時，由前面分析可知:受應變時,其電阻變化為ΔR1,此時不平衡電橋輸出的電壓為:

（2）

ERLR2R4R1+ΔR1R3U0圖1直流測量電橋2.單臂電電路設橋臂比n=R2/R1,考慮到起始平衡條件另由于ΔR1<<R1,(例初始電阻值120Ω的應變計,受到1000微應變時,其電阻變化僅為0.24Ω),可略去分母中的，則上式可為:將(3)式改寫成式中KV為電橋的電壓靈敏度。2.單臂電路分析(4)式可得如下結論：①電橋的靈敏度KV正比于供橋電壓U

②電橋的靈敏度KV是橋臂比的函數當供橋電壓U

確定后，由求得n=1時，電壓靈敏度KV為最大。即：在當供橋電壓U確定后，當R1=R2、R3=R4時，電橋的靈敏度最高。根據這種對稱形式,可將(4)式簡化為:2.單臂電路結論：①KV愈大,說明應變計電阻相對變化相同的情況下,電橋輸出電壓愈大,電橋愈靈敏；②欲提高KV,必須提高電源電壓,但它受應變計允許功耗的限制；③選擇適當的橋臂比n電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比n的函數，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。

2.單臂電路下面來討論一下.前面分析到n=1時,KV

為最大。這就是說,在電橋電壓一定,當R1=R2,R3=R4時,電橋的電壓靈敏度最高。通常這種情況稱為電橋的第一種對稱形式。而R1=R3,R2=R4則稱為電橋的第二種對稱形式。第一種對稱形式有較高的靈敏度,第二種對稱形式線性較好,等臂電橋是其中的一個特例.由(5)式可知,當電源電壓及電阻相對變化一定時,電橋的輸出電壓及其電壓靈敏度將與各橋臂阻值的大小無關。2.單臂電路單臂電橋的非線性誤差：

因為作了非線性處理即:(3)式可看成處理后的理想的輸出電壓,可簡化為:但實際輸出電壓為:則電橋輸出電壓存在非線性誤差，其大小為:從上式可看出,ΔR1越大,相對誤差越大2.單臂電路（9）①提高橋臂比

從以上分析可看出,要減小非線性誤差必須使ΔR1<<R1

（9）

單臂電橋的非線性誤差補償方法②提高橋臂比n可使非線性誤差減??；但電橋電壓靈敏度KV將降低。為了不降低KV

，必須適當提高供橋電壓U。2.單臂電路3.半橋差動電路半橋差動電路的靈敏度：如果橋臂中的R1,R2由應變片替代，其它為固定電阻即采用半橋差動電橋,如右圖:如果橋臂電阻R1和鄰邊橋臂電阻R2都由應變片替代，且粘貼時使一個應變片受拉，另一個受壓，這種接法稱為半橋差動工作電路。見右圖：URLR2-ΔR2R4R1+ΔR1R3U0圖2-12半橋差動電路R23.半橋差動電路當電橋開路時，不平衡電橋輸出的電壓為：若化簡得：

（11）3.半橋差動電路即整理上式得：所以結論：①由于沒有省略項，所以U0與ΔR1/R1

成線性關系，半橋差動無非線性誤差；

②電壓靈敏度KV=U/2，比使用單只應變片提高了一倍。4.全橋差動電路全橋差動電路的靈敏度：如果橋臂電阻都由應變片替代，即全橋差動，見右圖：即滿足ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4則同理，推算出輸出電壓和電壓靈敏度為：URLR2-ΔR2R4+ΔR4R1+ΔR1U0圖2-12全橋差動電路R3-ΔR34.全橋差動電路可見：全橋差動電橋也無非線性誤差；電壓敏度KV=U是使用單只應變片的4倍，比半橋差動提高了一倍。所以該電路得到了廣泛使用。傳感器應用技術項目二

基于電阻式傳感器的電子秤的設計與制作應變片的溫度誤差及分析講授內容1.溫度誤差由于測量現場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差，稱為應變片的溫度誤差。用作測量應變的金屬應變片，希望其阻值僅隨應變變化，而不受其它因素的影響。實際上應變片的阻值受環(huán)境溫度（包括被測試件溫度）影響很大。因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素：其一是應變片的電阻絲具有一定溫度系數；其二是電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數不同。1.溫度誤差電阻溫度系數的影響敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關系可用下式表示：式中:

Rt——溫度為t時的電阻值；R0——溫度為t0時的電阻值；α0——溫度為t0時金屬絲的電阻溫度系數；Δt——溫度變化值，Δt=t-t0

當溫度變化Δt時，電阻絲電阻的變化值為：

ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt

Rt=R0(1+α0Δt)

1.溫度誤差試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數的影響當試件與電阻絲材料的線膨脹系數相同時：環(huán)境溫度變化不會產生附加變形。當試件與電阻絲材料的線膨脹系數不同時：環(huán)境溫度變化，電阻絲會產生附加變形，從而產生附加電阻變化。設電阻絲和試件在溫度為0℃時的長度均為l0,它們的線膨脹系數分別為βs和βg，若兩者不粘貼，則它們的長度分別為：ls=l0(1+βsΔt)lg=l0(1+βgΔt)

1.溫度誤差

當兩者粘貼在一起時，電阻絲產生的附加變形Δl、附加應變εβ和附加電阻變化ΔRβ分別為：1.溫度誤差由于溫度變化而引起的應變片總電阻相對變化量為

結論：因環(huán)境溫度變化而引起的附加電阻的相對變化量，除了與環(huán)境溫度有關外，還與應變片自身的性能參數（K0,α0,βs）以及被測試件線膨脹系數βg有關。

2.溫度補償方法電阻應變片的溫度補償方法通常有線路補償和應變片自補償兩大類。電橋補償是最常用且效果較好的電阻片溫度誤差補償方法。2.溫度補償方法R１為工作應變片，R２為補償片。電橋輸出電壓與橋臂參數的關系為:

2.溫度補償方法A為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數。由上式可知，當R3、R4為常數時，R1和R2對輸出電壓的作用方向相反。利用這個基本特性可實現對溫度的補償，補償效果較好，這是最常用的補償方法之一。2.溫度補償方法測量應變時，使用兩個應變片，一片貼在被測試件的表面，如圖中R1，稱為工作應變片。另一片貼在與被測試件材料相同的補償塊上，如圖中R2，稱為補償應變片。在工作過程中補償塊不承受應變，僅隨溫度發(fā)生變形。當被測試件不承受應變時，R1和R2處于同一溫度場，調整電橋參數，可使電橋輸出電壓為零。2.溫度補償方法當溫度升高或降低時，若,即兩個應變片的熱輸出相等，由此可得輸出電壓UO為2.溫度補償方法若此時有應變作用，只會引起電阻R1發(fā)生變化，R2不承受應變，故可得輸出電壓UO為:由上式可知，電橋輸出電壓只與應變有關，與溫度無關。最后應當指出，為達到完全補償，需滿足下列條件：2.溫度補償方法1.應變片工作過程中，保證另一橋臂兩電阻阻值相等；2.R1和R2的電阻溫度系數α、線膨脹系數β，應變靈敏系數K都相同，兩片的初始電阻值也要求相同；3.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一相同，即要求兩者線膨脹系數相等；4.兩應變片處于同一溫度環(huán)境中。3.單絲自補償應變片

165利用自身具有溫度補償作用的應變片來補償。根據溫度自補償應變片的工作原理，要實現溫度自補償，必須有當被測材料確定以后，就可以選擇合適的敏感柵材料滿足上式，達到補償的目的。4.雙絲組合式自補償應變計166這種溫度自補償應變計是由兩種不同電阻溫度系數（一種為正值，一種為負值）的材料串聯組成敏感柵，以達到一定的溫度范圍內在一定材料的試件上實現溫度補償。如圖所示。這種應變片的自補償條件要求粘貼在某種試件上的兩敏感柵，隨溫度變化而產生的電阻增量大小相等，符號相反，即焊點RaRb4.雙絲組合式自補償應變計R1R2F構件受彎曲應力FFR1R2構件受單向應力FR1(R4)R2(R3)CBADU0UiR1R2R3R4傳感器應用技術項目二

基于電阻式傳感器的電子秤的設計與制作應變片傳感器的應用講授內容1.柱式力傳感器柱式力傳感器的彈性元件分為實心和空心二種。實心圓柱可承受較大負荷,空心的多用于小集中力的測量，在彈性范圍內,作用力F與應變ε成正比關系，即:

式中:F為作用在彈性元件上的集中力；S為圓柱的橫截面積；E為彈性元件的彈性模量；σ為應力值；

圖1柱式力傳感器FF面積A-ε1+ε2-ε2+ε1截面積AF(a)實心圓柱(b)空心圓柱F

1.柱式力傳感器應變片粘貼在彈性體外臂應力分布均勻的中間部分，對稱的粘貼多片，具體位置及其在橋路中的連接如下圖所示:圖中R1和R3串連，作為測量片，R5和R7串連，作為R1和R3的補償片，而R2和R4串連作為測量片，R6和R8串連，作為R2和R4的補償片，一般將應變片對稱地貼在應力均勻的圓柱表面中部，構成差動對,且處于對稱位置，以減小彎矩的影響。

u0UR1R3R5R7R6R8R2R4R6R7R8R2R3R4R5圖2柱式力傳感器應變片的粘貼與橋路連接R1(a)圓柱面展開圖(b)橋路連接2.梁式力傳感器2.梁式力傳感器梁式力傳感器是一種高精度、抗偏、抗側性能優(yōu)越的稱重測力傳感器。采用的彈性元件：彈性梁轉換元件：電阻應變計基本原理：當垂直正壓力或拉力作用在彈性梁上時,電阻應變計隨金屬彈性梁一起變形，其應變使電阻應變計的阻值變化，因而應變電橋輸出與拉力(或壓力)成正比的電壓信號。配以相應的應變儀,數字電壓表或其他二次儀表,即可顯示或記錄重量(或力)。

R22.梁式力傳感器一端固定，一端自由，厚度為h，寬度為b，懸臂外端到應變片中心的距離為l。當外力作用在梁的自由端時，在固定端產生的應變最大,粘接應變計處的應變?yōu)椋核奶攸c是靈敏度比較高。所以多用于較小力的測量。例如，民用電子稱中就多采用懸臂梁。（1）等截面梁FR1、R4R2、R3hl圖3：(a)等截面懸臂梁R1R4b4只應變片2.梁式力傳感器一端固定，一端自由，當在自由端加上作用力時,在梁上各處產生的應變大小相等,設厚度為h，長度為

，固定端寬度為b0，E為楊氏模量，σ為應力值，力F作用在三角形頂點。（2）等強度懸臂梁

圖3：(b)等強度懸臂梁FR4R14只應變片b02.梁式力傳感器此位置上下兩側分別粘有4只應變片，R1、R4同側；R3、R2同側，這兩側的應變方向剛好相反，且大小相等，可構成全差動電橋。將它們組成差動全橋,則電橋的靈敏度為單臂工作時的4倍。懸臂梁式傳感器一般可測500kg以下的載荷,最小可測幾十克重。懸臂梁式傳感器也可達到很大的量程，如鋼制工字懸臂梁結構傳感器量程為0.2～30t，精度可達0.02%FS。懸臂梁式傳感器具有結構簡單、應變計容易粘貼,靈敏度高等特點。FhR1、R4lR2、R32.梁式力傳感器梁的二端都固定,中間加載荷,應變片R1-R4貼在中間位置,梁的寬度為b,厚度為h,長度為l,梁的應變力為:（3）固定梁

FR1、R4R2、R3hl/2l/2圖3：(c)雙端固定梁R1R4b4只應變片2.梁式力傳感器雙彎曲梁為傳感器彈性體，四片應變片分別粘貼在梁的上、下兩表面上，組成全橋電路。當載荷F作用時，R1、R2受拉伸，阻值增加；R3、R4受壓縮，阻值減小。電橋失去平衡，產生電壓輸出。（4）特殊梁-雙彎曲梁

圖4：

雙彎曲梁R4R3R2R1F2.梁式力傳感器各種懸臂梁2.梁式力傳感器FF固定點固定點電纜各種懸臂梁電纜3.應變式壓力傳感器

181應變式壓力傳感器由電阻應變計、彈性元件、外殼及補償電阻組成。一般用于測量較大的壓力。3.應變式壓力傳感器182薄壁筒上貼有兩片工作應變片，實心部分貼有兩片溫度補償片。實心部分在筒內有壓力時不產生形變。當無壓力時，四片應變片組成的全橋平衡；當被測壓力P進入應變筒的腔內時，圓筒發(fā)生形變，電橋失衡。圓筒外表面上的環(huán)向應變?yōu)椋菏街?p為被測壓力,D為圓筒外徑,d為圓筒內徑，E為楊氏模量。若壁較薄時，可用下式計算環(huán)向應變:DdP圖5:筒式壓力傳感器的彈性元件4.應變式加速度傳感器183應變式加速度傳感器主要用于物體加速度的測量。其基本工作原理是：物體運動的加速度與作用在它上面的力成正比，與物體的質量成反比，即a=F/m。在一懸臂梁的自由端固定一質量塊m。當殼體與待測物一起作加速運動時,梁在質量塊慣性力的作用下發(fā)生形變,使粘貼于其上的應變計的阻值變化。檢測阻值的變化可求得待測物的加速度。圖6應變式加速度傳感器L應變片質量塊m彈簧片外殼基座a4.應變式加速度傳感器184作加速運動時,梁根部的應變?yōu)?其中,W為慣性塊質量;G′為等強度梁折算到自由端的等效質量,一般為梁質量的1/6,gl為幾何尺寸.

應變片加速度傳感器不適用于頻率較高的振動和沖擊,一般適用頻率為10～60Hz范圍。4.應變式加速度傳感器圖7是應變片式加速度傳感器的結構示意圖，圖中1是等強度梁，自由端安裝質量塊2，另一端固定在殼體3上。等強度梁上粘貼四個電阻應變敏感元件4。為了調節(jié)振動系統(tǒng)阻尼系數，在殼體內充滿硅油。4.應變式加速度傳感器186

測量時，將傳感器殼體與被測對象剛性連接，當被測物體以加速度a

運動時，質量塊受到一個與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，該變形被粘貼在懸臂梁上的應變片感受到并隨之產生應變，從而使應變片的電阻發(fā)生變化。電阻的變化引起應變片組成的橋路出現不平衡，從而輸出電壓，即可得出加速度a值的大小。5.電阻式傳感器應用示例187示例1：應變片在懸臂梁上的粘貼及變形5.電阻式傳感器應用示例188

電子秤5.電阻式傳感器應用示例189電子秤磅秤超市打印秤遠距離顯示5.電阻式傳感器應用示例190

電子天平電子天平的精度可達十萬分之一5.電阻式傳感器應用示例191

吊鉤秤

便攜式5.電阻式傳感器應用示例192FR1R2R4示例2：應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置5.電阻式傳感器應用示例193FFFF示例2：應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置5.電阻式傳感器應用示例194荷重傳感器原理演示

荷重傳感器上的應變片在重力作用下產生變形。軸向變短，徑向變長。

05.電阻式傳感器應用示例195

汽車衡5.電阻式傳感器應用示例196

5.電阻式傳感器應用示例197

材料應變的測量斜拉橋上的斜拉繩應變測試

5.電阻式傳感器應用示例198

示例3：應變式數顯扭矩扳手

可用于汽車、摩托車、飛機、內燃機、機械制造和家用電器等領域，準確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2~500N.m，耗電量≤10mA，有公制/英制單位轉換、峰值保持、自動斷電等功能。5.電阻式傳感器應用示例199

液罐秤示意圖1-電動比例調節(jié)器；2-膨脹節(jié)；3-化學原料儲液罐A；4-化學原料儲液罐B；5-荷重傳感器（每罐各4只）；6-支撐構件；7-支撐平臺