第二章 电阻式传感器原理与应用

1、2本章教学本章教学: :p理解电阻式传感器的基本原理；理解电阻式传感器的基本原理；p了解电阻式传感器的常用类型；了解电阻式传感器的常用类型；p掌握应变片式、压阻式传感器的形式、特点、应用掌握应变片式、压阻式传感器的形式、特点、应用方法和转换电路。方法和转换电路。3 电阻式传感器的基本原理是将被测的非电量转变电阻式传感器的基本原理是将被测的非电量转变成电阻值，通过测量电阻值达到测量非电量的目的。这成电阻值，通过测量电阻值达到测量非电量的目的。这类传感器种类很多，大致可以分为电阻应变式、压阻式类传感器种类很多，大致可以分为电阻应变式、压阻式和热电阻式传感器。利用电阻式传感器可以测量形变、和热电阻式

2、传感器。利用电阻式传感器可以测量形变、压力、力、位移、加速度和温度等非电量参数。本章主压力、力、位移、加速度和温度等非电量参数。本章主要介绍电阻应变片和压阻式传感器的原理和应用。要介绍电阻应变片和压阻式传感器的原理和应用。4 第一节第一节 应变式传感器应变式传感器 第二节第二节 压阻式传感器压阻式传感器 本章本章重点：应变片电桥测量电路误差分析；重点：应变片电桥测量电路误差分析；本章难点本章难点：应变片电桥测量电路误差分析。：应变片电桥测量电路误差分析。本章教学本章教学: :5n优点：结构简单、体积小、使用方便、性能稳定、优点：结构简单、体积小、使用方便、性能稳定、可靠、灵敏度高、动态响应快、

3、适合静态及动态测可靠、灵敏度高、动态响应快、适合静态及动态测量、测量精度高等量、测量精度高等n构成：弹性元件和电阻应变片构成：弹性元件和电阻应变片n适用领域：冶金、电力、交通、石化、商业、生物适用领域：冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等部门，是进行自动称重、过程检测和医学和国防等部门，是进行自动称重、过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一。实现生产过程自动化不可缺少的工具之一。6GX-1型悬臂梁称重传感器结构尺寸与外形(1)(1)金属的电阻应变效应金属的电阻应变效应 电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时其电阻值将发

4、生变化其电阻值将发生变化AlRF l、A 、 R8(1)(1)金属的电阻应变效应金属的电阻应变效应AAllRR对于半径为对于半径为r r的圆导体，的圆导体，A A= =rr2 2，A A/ /A A=2=2r r/ /r r又由材料力学可知，在弹性范围内，又由材料力学可知，在弹性范围内， Errll/,/,/)21 (ERR为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；为电阻丝材料的泊松比，一般金属为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.30.5=0.30.5；为压阻系数，与材质有关；为压阻系数，与材质有关；为应力值；为应力值；E E为材料的弹

5、性模量；为材料的弹性模量； 9(1)(1)金属的电阻应变效应金属的电阻应变效应/210RRk/0k材料的几何尺寸变化引起的材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率材料的电阻率随应变引起的（压阻效应）随应变引起的（压阻效应）金属材料：金属材料：k k0 0以前者为主，则以前者为主，则k k0 01+21+2=1.71.73.63.6半半 导导 体：体：k k0 0值主要是由电阻率相对变化所决定值主要是由电阻率相对变化所决定0kRR2110(2)(2)应变片的基本结构与种类 11(2)(2)应变片的基本结构与种类 根据应变片的类型和材料 进行分类n金属丝式金属丝式 n金属箔式金属箔式 n金属薄膜式金属

6、薄膜式回线式回线式短接式短接式：敏感栅平行排列，两端用直径：敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大比栅线直径大5 51010倍的镀银丝短接而成，倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。其优点是克服了横向效应。12(2)(2)应变片的基本结构与种类 1)金属丝式应变片 金属电阻丝应变片的基本结构金属电阻丝应变片的基本结构 1-1-基片；基片；2-2-电阻丝；电阻丝；3-3-覆盖层；覆盖层；4-4-引出线引出线 丝式应变片敏感栅常用的材料有丝式应变片敏感栅常用的材料有: :康铜、镍铬合金、镍铬康铜、镍铬合金、镍铬铝合金，以及铂、铂钨合金等。铝合金，以及铂、铂钨合金等。 13(2)(2)应变片的

7、基本结构与种类 1)金属丝式应变片金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略 0)21 (KRR应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比，应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比， 并且对同一电阻材料，并且对同一电阻材料， K K0 0=1+2=1+2是常数。是常数。其灵敏度系数多在其灵敏度系数多在1.71.73.63.6之间。之间。 14(2)(2)应变片的基本结构与种类 2)金属箔式应变片 在绝缘基底上，将厚度为在绝缘基底上，将厚度为0.0030.0030.01mm0.01mm电阻箔材，利用照电阻箔材，利用照相制板或光刻

8、腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状 15(2)(2)应变片的基本结构与种类 2)金属箔式应变片优点：（优点：（1 1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求，）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求， （2 2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 （3 3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。）与被测试件接触面积大，粘结性能好。 散热条件好，允许电流散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。大，灵敏度提高。 （4 4）横向效应可以忽略。）横向效应可以忽略。 （5 5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。）蠕变、机械滞后小，

9、疲劳寿命长。 （6 6）生产效率高，便于实现自动化生产。金属箔的材料常用康铜和）生产效率高，便于实现自动化生产。金属箔的材料常用康铜和镍铬合金等。镍铬合金等。 缺点：缺点：电阻值的分散性大电阻值的分散性大 阻值调整阻值调整 16(2)(2)应变片的基本结构与种类 3)薄膜应变片n采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m0.1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产现工业化批量生产 n优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实优点：应变

10、灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产现工业化生产n问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系 17 实际应用中，选择应变片时，要考虑应变片应变片的性能参实际应用中，选择应变片时，要考虑应变片应变片的性能参数主要有：数主要有：电阻值电阻值、灵敏度灵敏度、允许电流允许电流和和应变极限应变极限等。等。 应变片的电阻值 R是指应变片在未经安装也不受外力情况下，应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值于室温下测得的电阻值 电阻系列：电阻系列：6060、120120、200200、350350、600600、10001000 可以加大应变

11、片承受电压，可以加大应变片承受电压， 电阻值大电阻值大 输出信号大，输出信号大， 敏感栅尺寸也增大敏感栅尺寸也增大 18(1)(1)灵敏系数RRk/“标称灵敏系数标称灵敏系数”：一批产品中只能抽样：一批产品中只能抽样5 5的产品来测定，取的产品来测定，取平均值及允许公差值。平均值及允许公差值。电阻应变片的灵敏系数电阻应变片的灵敏系数k k 电阻丝的灵敏系数电阻丝的灵敏系数k k0 0 粘结层传递变形失真粘结层传递变形失真还存在有横向效应还存在有横向效应 原因：原因：19(2)(2)横向效应敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段：沿轴向拉应变直线段：沿轴向拉应变x

12、 x，电阻，电阻圆弧段：沿轴向压应度圆弧段：沿轴向压应度y y 电阻电阻 K K ( (箔式应变片箔式应变片) )yyxxy20(2)(2)横向效应 应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。21(3)(3)温度误差及其补偿 1 1）试件材料的线

13、膨胀引起的误差。当温度变化）试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t t时，因试件时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化（或压缩），引起的电阻相对变化 。0000()TTgsRR KR KT2200TTgllllT210()TTTgsllllT 0()TTgslTlTllllsTT001122(3)(3)温度误差及其补偿 2 2）敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化）敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化T T 时，敏感栅材料电阻温度系数为时，敏感栅材料电阻温度系

14、数为 ，则引起的电阻相对变化，则引起的电阻相对变化为。为。00TTRRRRT其中其中)1 (0TRRT0TTT23(3)(3)温度误差及其补偿 相应的虚假应变输出为相应的虚假应变输出为000/()TTgsRRTTKK可得由于温度变化而引起的总电阻变化为可得由于温度变化而引起的总电阻变化为000()TTTgsRRRRTR KT 24(3)(3)温度误差及其补偿 单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻温度补偿温度补偿 25(3)(3)温度误差及其补偿 电桥补偿法 U0R1R4R3URbFFR1Rb0143()BUA R RR R01143()()0tBBtUA RR

15、RRRR011143()()0tBBtUA RRR RRRR11RR K26(3)(3)温度误差及其补偿 电桥补偿法 n优点：优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好简单、方便，在常温下补偿效果较好n缺点：缺点：在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。27(3)(3)温度误差及其补偿 应变片的自补偿法 n粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度产生

16、的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。称为应变片自补偿法。na. a. 选择式自补偿应变片选择式自补偿应变片nb. b. 双金属敏感栅自补偿应变片双金属敏感栅自补偿应变片 28(3)(3)温度误差及其补偿 应变片的自补偿法-选择式自补偿应变片 优点：容易加工，成本低，优点：容易加工，成本低，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。实现温度补偿的条件为实现温度补偿的条件为当被测试件的线膨胀系数当被测试件的线膨胀系数g g已知

17、时，通过选择敏感栅材料，使已知时，通过选择敏感栅材料，使下式成立下式成立即可达到温度自补偿的目的。即可达到温度自补偿的目的。0)(0tKtsgt)(0sgK29(3)(3)温度误差及其补偿 应变片的自补偿法-双金属敏感栅自补偿应变片 R1R2组合自补偿法组合自补偿法敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成 选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R R1 1和和R R2 2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足 t2t1)()(RR 通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温通过

18、调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达度自补偿，可达0.45m/0.45m/的高精度。的高精度。)()(/111222112221ggttKKRRRRRR30(3)(3)温度误差及其补偿 热敏电阻补偿T KRtUiR1RR4R3U0R2RtR5 分流电阻分流电阻 UU = Ui - URtK31（1）直流电桥直流电桥的工作原理直流电桥的工作原理 )()()(-214343214321L3241LRRRRRRRRRRRRRRRRRUI 时电桥平衡时电桥平衡平衡条件平衡条件 : :R R1 1R R4 4=R=R2 2R R3 3 R R1 1/R/R2 2=R=R3 3/R/R4 4

19、 R1+R1R2R4R3UILRLL0I 32（1）直流电桥采用等臂电桥，即采用等臂电桥，即R R1 1= = R R2 2= = R R3 3= =R R4 4= =R R 。此时式。此时式(2.1.24)(2.1.24)可写为可写为)2)(2()(4321324143210RRRRRRRRRRRRRRRUU当当R Ri i R R ( ( i i=1,2,3,4) =1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，则时，略去上式中的高阶微量，则 RRRRRRRRUU432104432104UKU33（1）直流电桥 R Ri i(1+) (1+)，故，故(1+)(1+)项可以忽略项可以忽略llE

20、RR54半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的，半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的，而电阻率而电阻率的变化是由应变引起的的变化是由应变引起的 半导体单晶的应变灵敏系数可表示半导体单晶的应变灵敏系数可表示ERRKl/半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小551. 结构型式及特点 主要优点主要优点 灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍 横向效应和机械滞后极小横向效应和机械滞后极小 温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多温度稳定性和线性度比金属电阻应

21、变片差得多 56（2）测量电路 恒压源恒压源)/(0tRRRUU电桥输出电压与电桥输出电压与R R / / R R成正比，输出电压受环境温度的影响。成正比，输出电压受环境温度的影响。恒流源恒流源RIU0电桥输出电压与电桥输出电压与R R成正比，环境温度的变化对其没有影响。成正比，环境温度的变化对其没有影响。57压阻式压力传感器结构简图压阻式压力传感器结构简图1 1低压腔低压腔 2 2高压腔高压腔 3 3硅杯硅杯 4 4引线引线 5 5硅膜片硅膜片 采用采用N N 型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜。镀半导体电阻应变薄膜。58

22、工作原理：工作原理： 膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。 四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡， 输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。 四个电阻的配置位置四个电阻的配置位置： 按膜片上径向应力按膜片上径向应力r r和切向应力和切向应力t t的分布情况确定。的分布情况确定。 )31 ()1(83)3()1(8322022202rrhprrhptr设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。 59特点n优点优点: : 体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。n测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻式压测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进