后篇 非电量测试技术.

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1 后篇 非电量测试技术

2 被测量变化导致电阻 电感或电容量变化的敏感元件统称为电参数传感器。
第四章 电阻传感器 第一节 电位器传感器 第二节 电阻应变传感器 第三节 热电阻传感器 被测量变化导致电阻 电感或电容量变化的敏感元件统称为电参数传感器。

3 第一节 电位器传感器 一、组成与原理 1、组成：常用电位器传感器由电位器（骨 架、电阻丝 ）和触点机构（电刷等）电 位器传感器。
第一节 电位器传感器 一、组成与原理 1、组成：常用电位器传感器由电位器（骨 架、电阻丝 ）和触点机构（电刷等）电 位器传感器。 2、要求：被测量需要有一定的功率输出， 后级输入电阻要大。 3、特点：输出功率大，测量线路简单，但 线性与精度不高。

4 二、用途 把位移量转换为电阻变化 1 2 3 1 3 2 直线型 旋转型 阶跃值U=Ui/N 分辨率=(1/N）%
传感器及应用技术 1 3 2 直线型 旋转型 阶跃值U=Ui/N 分辨率=(1/N）% 阶梯误差=(1/N）%

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6 课 程 内 容

7 输出与灵敏度推导 U RL A x R U V x

8 作业 R3 R1 R V U x R2 L R4 对上图进行输入与输出推导，并进行灵敏度推导，画出相关曲线。

9 当四个桥臂电阻达到某一关系时，电桥输出为零，可测微小的电阻变化，灵敏度和准确度均高。下面为直流电桥。
补充：电桥测量电路： 当四个桥臂电阻达到某一关系时，电桥输出为零，可测微小的电阻变化，灵敏度和准确度均高。下面为直流电桥。 R1 R2 R3 R4 A B C D U U0 平衡时： 测量前应调零，使输出值只与电阻的应变相关

10 四、电位器函数转换器 R = f（x） 新方法？

11 五、负载特性及负载误差 电位计输出端接负载RL后，输出电压为： 接负载RL后所引起的相对非线性误差L m=R/RL ？ 后一级接入跟随器

12 五、噪声 由电刷移动产生（压力、材料匹配、固有频率等），阶梯特性带来的阶梯误差。 另外，易磨损，寿命短，容易受到振动而改变位置，不便于遥控操作。 六、非绕线式电位器 1、膜式电位器 2、导电塑料电位器 3、电动电位器（微型直流电机和减速器，可 实现遥控） 4、光电电位器 5、数字电位器（非接触式）

13 第二节 电阻应变传感器 一、概念： 电阻应变计是将被测量的力（压力、荷重、扭力等）通过它所产生的金属弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。它是由电阻应变片和测量线路两部分组成。 2、特点：参量类——外加物理量引起参数变化（R、L、C），属无源式。

14 l b l称应变片的 标距或工作基长 b称应变片的 工作宽度 b*l称应变片的规格

15 通过光刻、腐蚀而成，散热条件好，电流密度高，灵敏度高，可制成任意形状。
丝式(wire gauge) 箔式(foil gauge) 通过光刻、腐蚀而成，散热条件好，电流密度高，灵敏度高，可制成任意形状。 薄膜式 (film gauge) 真空蒸镀技术制成，特点同上。

16 三、电阻丝的应变效应 1、应变：由于外因使物体的形状尺寸所发生的相对改变。 2、工作原理:压阻效应
用相对变化量表示：受力后各部分的变化引起电阻的变化 或

17 对于直径为r的圆形截面电阻丝： 直径与长度的关系系数：泊松系数 太小，可忽略 μ=0.3～0.5 K =1.6 ～ 2 ε =10-6 ～ 10-3 ∴

18 灵敏度系数K的意义： 单位应变所引起的电阻相对变化，主要是受力后材料的几何尺寸变化引起。 3、结论： 金属电阻丝的电阻相对变化率与轴向应变成正比。 4、特点： 优点: 稳定性和温度特性好. 缺点: 灵敏度系数小.

19 1、电桥的特点：当四个桥臂电阻达到某一关系时，电桥输出为零，可测微小的电阻变化，灵敏度和准确度均高。下面为直流电桥。
五、电阻应变传感器的测量电路 1、电桥的特点：当四个桥臂电阻达到某一关系时，电桥输出为零，可测微小的电阻变化，灵敏度和准确度均高。下面为直流电桥。 R1 R2 R3 R4 A B C D U U0 平衡时： 测量前应调零，使输出值只与电阻的应变相关

20 2、工作原理： 条件： 电桥负载电阻无穷大，ΔRi << Ri 有：
应变前相等 1）单臂电桥： R1为应变片并且 R1 = R2 = R3 = R4 则：

21 2）双臂电桥： 静态时： R1 = R2 = R3 = R4 R1为拉应变片 R2 为压应变片 则： 灵敏度为单臂电桥的2倍 精度高 线性好
A B C D U U0 灵敏度为单臂电桥的2倍 精度高 线性好

22 3）全桥情况： R1 = R2 = R3 = R4 均为应变片 ΔRi / Ri =Kεi 则： 灵敏度为单臂电桥的4倍 精度高 线性好
A B C D U 3）全桥情况： R1 = R2 = R3 = R4 均为应变片 ΔRi / Ri =Kεi 则： U0 灵敏度为单臂电桥的4倍 精度高 线性好

23 差动电桥灵敏度高，可克服非线性误差，并有温度补偿作用（同向误差抵消）。
结论： 差动电桥灵敏度高，可克服非线性误差，并有温度补偿作用（同向误差抵消）。 电桥灵敏度正比于电桥供电电压，但提高电压受到应变片允许功率的限制。采用高内阻的恒流源供电电桥可减少非线性误差。 R1 R2 R3 R4 U U0 R1 R2 R3 R4 U U0 直流电桥的调零

24 六、半导体应变片 1、压阻效应： 对半导体的某一轴向施加一定的载荷而产生应变力时，其电阻率会发生一定的变化。

25 2、压阻效应的大小用压阻系数来表示： 纵向压阻系数 横向压阻系数 电阻率的相对变化率 纵向所受应力 横向所受应力 体型半导体应变片的结构形状

26 若只沿其纵向受到应力，令 则 几何形状变化对电阻的影响约为1~2 压阻效应的影响约为第一、二项的50~70倍 半导体材料的弹性系数
纵向的应变 几何形状变化对电阻的影响约为1~2 压阻效应的影响约为第一、二项的50~70倍

27 3、特点： 灵敏系数高，可测微小应变，机械迟滞和横向效应小，体积小。 但温度稳定性差，灵敏系数非线性大，需补偿

28 七、应用方法 方法一：将电阻应变片直接贴在被测点 上，用专门的电阻应变仪测出 该点的应变。 方法二：将其贴在弹性元件上，弹性元 件在被测物理量作用下变形应 变片作为传感元件将应变转换 为电阻的变化。

29 被测量（力）→受力结构的应变→电阻的变化率 最终电阻变化率与受力结构相关（形状、尺寸、材料、热处理、加工厚度、角度）

30 双弯曲梁为传感器弹性体，四片应变片分别粘贴在梁的上、下两表面上，组成全桥电路。当载荷F作用时，R1、R2受拉伸，阻值增加； R3、R4受压缩，阻值减小。电桥失去平衡，产生电压输出。

31 S型拉压传感器

32 悬臂梁式传感器

33 力的测量（压力、重力、扭矩、加速度） 弹性变形式的力传感器 电阻应变片式 差动变压器式 压电式 压磁式 空间力系测量装置

34 皮带称 火力发电厂需用皮带称称量所消耗的煤量 1、方法（测重）： 1）压磁式： （W → μ）精度差，适合恶 劣环境（宝钢用） 2）放射式： （钴60）工人不欢迎 3）差动变压器：易坏 4）电阻应变式（过载120~150%） Es2 Es1 Ep

35 ？ 结构： 算式： 某电厂平时用煤150吨/天，用煤部门安装一周后120吨/天，度量显示较之过去节煤10g/度。但供应部门并未少供煤。
V（t） q（t） 结构： 算式： Kg/s Kg/m m/s 某电厂平时用煤150吨/天，用煤部门安装一周后120吨/天，度量显示较之过去节煤10g/度。但供应部门并未少供煤。 ？

36 校准：实物（需大型磅秤）、链条、挂码 结论：系蠕变造成（粘贴方式），需每周 校准一次。 思考新办法？？？

37 膜片中心部位处于拉伸状态，边缘部分处于压缩状态，故两应变片扩散在中心（R1 ，R3 ） ，另两扩散在边缘（R2 ，R4 ）。
新办法： 把一个N型单晶硅平圆膜片作为压力敏感元件，在其上扩散P型杂质而得到四个相同的应变电阻，并将其组差动成电桥。 膜片中心部位处于拉伸状态，边缘部分处于压缩状态，故两应变片扩散在中心（R1 ，R3 ） ，另两扩散在边缘（R2 ，R4 ）。 A E R1 R4 D B R2 R3 C

38 利用固体扩散技术，将P型杂质扩散到一片N型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层，再装上引线接点。若在圆形硅膜片上扩散出四个P型电阻，构成惠斯登电桥的四个臂，这样的敏感器件通常称为固态压阻器件。
1 2 3 4 5 6 7 1—N-Si膜片 2—P-Si导电层 3—粘贴剂 4—硅底座 5—引压管 6—Si 保护膜 7—引线 

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40 误差分析： 1、横向效应 p152 横向缩短作用引起的电阻值的减小对于轴向伸长作用引起的电阻值的增加量起着抵消的作用，它使所测应变数值偏小，或说使应变片灵敏系数减小。弯曲半径越大，横向效应也越大。 通过改变电阻丝排列的形状可减小之。

41 2、温度影响：由于环境温度改变引起电阻值变化
1） 由电阻丝温度系数α引起； 2） 由电阻丝与被测件材料的线膨胀系数α1、α2的 不同引起的。 当温度变化Δt, 应变片电阻的增量ΔRt可用下式表示： ΔRt=RοαΔt+RοK(α1- α2)Δt = Rο[α+K(α1- α2]Δt 令 αt= α+K(α1- α2) 则： ΔRt= RοαtΔt

42 例 应变式加速度传感器 应变式加速度传感器 L 应变片 质量块m 弹簧片 外壳 基座 a

43 第二节 热电阻传感器 概念：利用电阻随温度变化的特性制成的传感器。 主要检测参数：温度、与温度有关的 参量。 分类：1）金属热电阻（热电阻）
2）半导体热电阻（热敏电阻）

44 热电阻＝电阻体＋绝缘套管＋接线盒

45 一、金属热电阻（热电阻） 1、材料：要求有大的、稳定的温度系数，ρ 大，线性好，性能稳定，便于生产 （铜、铂、镍）。 2、特点：测温精度较高，范围广（-200～600 0 C），稳定性、重复性好。但热 惯性大，灵敏度低。 3、结构：热电阻是由电阻体、绝缘套管和接 线盒等主要部件组成的，电阻丝是 热电阻的 最主要部分。

46 4、特点 1）铂电阻 阻值与温度的函数关系为: 其中：A, B, C 为常数

47 特点：精度高、稳定性好、性能可靠。 测温范围广。 我国分度： R0 = 46Ω BA1 结构：用很细的铂丝绕在云母片制成的平
R100 / R0 = 1.391 结构：用很细的铂丝绕在云母片制成的平 板性支架上，铂丝绕组的出线端与 银丝引出线相焊，并穿上瓷套管加 以绝缘和保护。 微型铂电阻: 特点是体积小，热惯性小气 密性好

48 2）铜电阻 适用范围：-50～1500C ,精度要求不高的场合 优点： 　　　铜的电阻与温度呈线性关系 　　　电阻温度系数高 　　　易提纯，价格便宜 缺点：机械强度不高、易氧化等, 温度范围小。

49 阻值与温度的函数关系为: α＝４.25～４.28×10-3 /0C 分度号: G R0=53Ω WZG型（常用铜热电阻） 3）其它金属热电阻： 铟电阻，锰电阻，碳电阻

50 WZB型铂电阻分度表 R0=100Ω 规定分度号BA-2 分度系数 A=3.39648710-2/℃； B=-5.84710-7/℃2；
C=-4.2210-12/℃4 温度/℃ 10 20 30 40 50 60 70 80 90 电阻值/Ω -200 17.28  -100 59.65 55.52 51.38 47.21 43.02 38.80 34.56 30.29 25.98 21.65 -0 100.00 96.03 92.04 88.04 84.03 80.10 75.96 71.91 67.84 63.75 103.96 107.91 110.85 115.78 119.70 123.60 127.49 131.37 135.24 100 139.10 142.95 146.78 150.60 54.41 158.21 162.00 165.78 169.54 173.29 200 177.03 180.75 186.48 188.10 191.88 195.56 159.23 202.89 206.53 210.07 300 213.79 217.40 221.00 224.59 228.17 231.76 235.29 238.83 242.36 245.88 400 249.38 252.88 256.36 259.83 263.29 266.78 270.18 272.60 277.01 280.41 500 283.86 287018 290.55 293.91 297.25 300.58 303.90 307.21 310.50 313.79 600 317.06 320.22 323.57 326.80 330.03 333.25

51 5、测温电路： 用电桥作为传感器的测量电路，在进行温度测量时特点是精度高，适于测低温。 热电阻的三线制：工业上用的铂电阻的引线为三根，目的是消除连接线电阻的影响。
R1 R2 Rt t Rt R4 t μA

52 二、热敏电阻 1）分类： 直热式：由金属氧化物粉料（半导体）按一 定比例挤压成型。 旁热式：除半导体外还有金属丝绕制的加热 器。 2）特点： 非线性：R与T呈指数关系 V与I的变化不服从欧姆定律

53 3）温度特性： NTC：具有负温度系数，阻值随温度升高而 下降，一般-50～3000C PTC：具有正温度系数，阻值随温度升高而 升高 NTC与PTC均有突变型与缓变型，但NTC以缓变型多， PTC以突变型多。 电阻温度系数大： NTC -2~-6%/0C PTC 1~-10%/0C

54 NTC使用极为广泛 作 业

55 NTC型电阻的计算 温度系数 T↑ → ↓ ↓ ＝（2000～6000）K 标称电阻值

56 稳定性差，一致性差（同一型号差3~5%） 灵敏度高（可测量0.001 ～ 0.005度的微小变化） 热惯性小，结构简单，使用广泛。
本身电阻止在3～700ＫΩ, 可用于远距离测量 在-50～350度范围内, 线性度好

57 4）用途 测微弱的温度变化，点温、面温，快速温 度测量，低精度测温； 温度补偿； 温度开关； 温度控制； 稳定振幅、放大倍数、输出电压等。

58 作业 1、一应变电阻R=120Ω，K=2，用作800μm/m的传感器元件，求ΔR， ΔR/R。若用电桥测量电路，U=4V，求相应的输出U0。 如应变片所受应力减少，使相应的输出U0降至1mV，求此时的应变值。 2、标出测量电桥中的电阻标号,说明原因。 A U0 R1 R2 D C R3 B R4 U