任务2 电阻式传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（重庆大学版）

任务2 电阻式传感器 任务导航 电阻式传感器是一种能把非电量（如力、压力、位移、扭矩等）转换成与之有对应关系的电阻值，再经过测量电桥把电阻值转换成便于传送和记录的电压（电流）信号的装置。电阻式传感器的种类很多，主要有电位器式、电阻应变式和压阻式、气敏、湿敏电阻式热电阻等类型。 电阻应变式传感器和压阻式传感器采用弹性敏感元件作为传递信号的敏感元件，这些弹性敏感元件主要有弹性圆柱、悬臂梁、弹簧管、弹性膜片等。电位器式传感器主要用于非电量变化较大的测量场合；电阻应变式传感器主要用于测量变化量相对较小的场合；压阻式传感器因灵敏度高、动态响应好等特点被广泛使用。而热电阻主要用于测温，将温度变化转变为电阻的变化。气敏和湿敏电阻，同样是将相应的非电量转变为电阻的变化。 学习目标 1.知识目标 （1）知道电位式传感器、电阻应变式传感器、压阻式传感器、气敏电阻传感器、湿敏电阻传感器、热电阻传感器的工作原理及特点； （2）理解电位式传感器、电阻应变式传感器、压阻式传感器、气敏电阻传感器、湿敏电阻传感器、热电阻传感器的测量电路； （3）了解电位式传感器、电阻应变式传感器、压阻式传感器、气敏电阻传感器、湿敏电阻传感器、热电阻传感器的分类及应用。 2.能力目标 （1）会正确操作传感器与检测技术综合实验台； （2）会对实验数据进行分析； （3）按操作规程进行操作，具有安全操作意识； （4）会计算传感器的非线性误差及灵敏度； （5）能够正确按照电路要求对电阻式传感器模块等进行正确接线，并调试； （6）完成实验报告。 2.1 弹性敏感元件 物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象称为变形。若外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。 弹性元件在传感器技术中占有极其重要的地位。它首先把力、力矩或压力转换成相应的应变或位移，然后配合各种形式的传感元件，将被测力、力矩或压力变换成电量。 根据弹性元件在传感器中的作用，它基本上可以分为两种类型：弹性敏感元件和弹性支承。前者感受力、力矩、压力等被测参数，并通过它将被测量变换为应变、位移等，也就是通过它把被测参数由一种物理状态转换为另一种所需要的相应物理状态。它直接起到测量的作用，故称为弹性敏感元件。 2.1 弹性敏感元件 2.1.1 弹性敏感材料的弹性特性 作用在弹性敏感元件上的外力与由该外力所引起的相应变形（应变、位移或转角）之间的关系称为弹性元件的弹性特性。 1.刚度 刚度是弹性敏感元件在外力作用下抵抗变形的能力 。 2.灵敏度 灵敏度是刚度的倒数。 与刚度相似，如果元件弹性特性是线性的，则灵敏度为常数；若弹性特性是非线性的，则灵敏度为变数。 3.弹性滞后 弹性元件在弹性变形范围内，弹性特性的加载曲线与卸载曲线不重合的现象称为弹性滞后现象 。 4.弹性后效 弹性敏感元件所加载荷改变后，不是立即完成相应的变形，而是在一定时间间隔中逐渐完成变形的现象称为弹性后效现象。由于弹性后效存在，弹性敏感元件的变形不能迅速地随作用力的改变而改变，引起测量误差。 图2.1 弹性特性 图2.2 弹性滞后现象 2.1.2 弹性敏感元件的材料及其基本要求 ① 具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能； ② 良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）； ③ 弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定； ④ 抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。 2.1.3 弹性敏感元件的变换原理 1．弹性圆柱 柱式弹性元件具有结构简单的特点，可承受很大的载荷，根据截面形状可分为圆筒形与圆柱形两种，如图2.3所示。 轴向应力的应变量 横向应力的应变量 图2.3 弹性圆柱 2.悬臂梁 （1）等截面梁。一端固定，另一端自由，且截面为矩形的梁称为等截面悬臂梁。等截面悬臂梁所受作用力 F 与某一位置处的应变关系可按下式计算： （2）等强度梁。等截面梁的不同部位所产生的应变是不相等的，当作用力 F 加在梁的两斜边的交汇点处时，等强度梁各点的应变值为： 图2.4 等截面悬臂梁 图2.5 等强度悬臂梁 3．薄壁圆筒 薄壁圆筒与弹簧管等弹性元件可将气体压力转换为应变。筒壁的每一单元将在轴线方向和圆周方向产生拉伸应力，