第2章电阻式传感器

1、第2章 电阻式传感器2.1 金属应变式传感器2.2 半导体压阻应变式传感器2.3 测量电路2.4 电位器式传感器介绍第二章第二章 应变式传感器应变式传感器第2章 电阻式传感器2.1 金属应变式传感器金属应变效应金属应变片类型金属应变片的静态特性金属应变片的动态特性电阻应变式传感器（也称应变片式）是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。属于电参数型传感器（将感受的输入被测参量转换为电参数R的变化。 ）由电阻应变敏感元件粘贴在弹性元件上构成。广泛应用于测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数。弹性元件被测量应变式变换器图 电阻应变式传感器组成框图Rx金属应变式传感器工作原理金属应变式传感器工作

2、原理 导体或半导体材料在外力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种 产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。 设有一段长为l，截面积为A，电阻率为的导体(如金属丝)，那么它具有的电阻为:式中：电阻丝的电阻率； l电阻丝的长度； A电阻丝的截面积。AlR 当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其l、A和均发变化，导体的电阻随之发生变化，电阻相对变化为：材料的轴向线应变:对圆形截面2lllRlAAAAdRdldAdRlA 22dllArdAdrAr 两边除以两边除以 有：有：AlR 在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，那么轴向应变和径向应变的关

3、系可表示为： 为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反，则ldlrdr(12)dRdldRl电阻丝的灵敏系数Sg影响Sg的因素 (1)应变片受力后材料几何尺寸的变化（1+2u）； (2)材料电阻率发生的变化 d d1212ddRdRdRR 或12ddRRSg金属材料： 在电阻丝拉伸极限内泊松比u=0.5，故Sg 2。半导体材料： 与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关： 半导体应变片的K比金属丝式高5080倍，但半导体材料温度系数大，应变时非线性比较严重，使其应用范围受到一定的限制。12d ddLLdE 12d 2.1 金属应变式传感器金属应变效应金属应变片类型金属应变片的静态特性金属应变片

4、的动态特性应变片的基本结构和类型应变片的基本结构和类型应变计的结构(a)丝式 (b)箔式 (c)真空沉积薄膜式1基底 2敏感栅 3盖层 4引线应变片的种类、结构、材料和粘贴按材料有金属电阻应变片和半导体应变片2种金属电阻应变片有丝式、箔式和真空沉积式。结构：由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。敏感栅有丝式（电阻丝直径0.010.05mm）、箔式（金属箔栅厚度0.0030.01mm）和薄膜式（真空沉积厚度0.1um以下）。基片和覆盖层材料：胶膜、纸、玻璃纤维布等绝缘材料。主要有丝式、箔式和真空沉积式三种典型应变计的结构型式主要有丝式、箔式和真空沉积式三种典型应变计的结构型式(1)基底为保持敏

5、感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质的基底上。一般为0.020.04mm。(2)敏感栅应变计中实现应变-电阻转换的敏感元件。其电阻值一般在100以上。(3)盖层用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用。(4)引线它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。测量原理测量原理 用应变片测量时，将其粘贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，这是用来直接测量应变。 通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，则可用应变片测量上述各量，而做成各种

6、应变式传感器。应变片之所以应用得比较广泛，是由于它有如下的优点：应变片之所以应用得比较广泛，是由于它有如下的优点：测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，可测，误差小于1%。应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可用于动态测量。测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从1%2%。适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。便于多点测量、远距离测量和遥测。价格便宜，品种多，工艺较成熟。金属电阻应变片的材料要求：l应变范围大；l大；l温度影响小；l良好的焊接性能，与

7、其它金属的接触电阻小；l机械强度高，具有优良的机械加工性能。如：康铜金属电阻应变片的粘贴胶的重要性高温、低温情况2.1 金属应变式传感器金属应变效应金属应变片类型金属应变片的静态特性金属应变片的动态特性电阻应变片的静态特性1. 敏感元件弹性特性弹性元件：具有弹性变形特性的物体作用：被测量应变（位移）应变片电阻值刚度：外力作用下变形大小的量度S大，在一定F下弹性元件变形大。 弹性元件材料： 合金钢、铍青铜、不锈钢dxsdF2. 灵敏系数F轴向应变tR/R应变片灵敏系数Sg0通常实际灵敏系数SgSg0 ，栅端圆弧部分横向效应的影响，叫标称灵敏系数Sg，在规定条件下实验确定。0gtRSR0gtRSR

8、3. 横向效应在半圆弧段应变变化- ut，书上分析较深，自己阅读。电阻丝绕成敏感栅后，应变状态相同，但电阻变化减小，使SgSg0 。箔式应变片可减小横向效应产生的误差。4. 机械滞后机械滞后 实际应用中，由于敏感栅基底和粘结剂材料性能，或使用中的过载、过热，都会使应变计产生残余变形，导致应变计输出的不重合。这种不重合性用机械滞后机械滞后(zj)来衡量。 机械滞后是指粘贴在试件上的应变计，在恒温条件下增(加载)、减(卸载)试件应变的过程中，对应同一机械应变所指示应变量(输出)之差值。通常在室温条件下，要求机械滞后zj3-10。实测中，可在测试前通过多次重复预加、卸载，来减小机械滞后产生的误差。

9、5.蠕变和零漂蠕变和零漂 粘贴在试件上的应变计，在恒温恒载条件下，指示应变量随时间单向变化的特性称为蠕变蠕变(时漂时漂)。 当试件初始空载时，应变计示值仍会随时间变化的现象称为零漂零漂。蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性，通常要求3-15。引起蠕变的主要原因是，制作应变计时内部产生的内应力和工作中出现的剪应力，使丝栅、基底，尤其是胶层之间产生的“滑移”所致。 选用弹性模量较大的粘结剂和基底材料，适当减薄胶层和基底，并使之充分固化，有利于蠕变性能的改善。应变片的机械滞后特性 应变片的蠕变（时漂）和零漂特性 零漂零漂 蠕变蠕变6.应变极限应变极限 应变片的线性(灵敏系数为常数)特性，只有

10、在一定的应变限度范围内才能保持。当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变计的输出特性将出现非线性。在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限。如图所示。 应变极限是衡量应变计测量范围和过载能力的指标，通常要求lim 8000 。应变器的应变极限特性7. 绝缘电阻和最大工作电流Rm：50100MImax：l25mA（静态）l75100mA（动态）l箔式散热条件好，可更大2.1 金属应变式传感器金属应变效应金属应变片类型金属应变片的静态特性金属应变片的动态特性金属应变片的动态特性疲劳寿命：在一定交变外力下，可以连续工作的循环次数。动态响应特性：临界工作频率0( )sinF t

11、Ft02sinx应变片的动态响应特性00102022llxxxx2100021000002sinsin100%sin1 100%xxppxdxlxxlll L与f的关系容许误差一定的情况下，l 越大，f 就得越低f一定的情况下，l 越大，误差就越大2.1 金属应变式传感器2.2 半导体压阻应变式传感器2.3 测量电路2.4 电位器式传感器介绍第二章第二章 应变式传感器应变式传感器第2章 电阻式传感器金属材料： 在电阻丝拉伸极限内泊松比u=0.5，故Sg 2。半导体材料： 与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关： 半导体应变片的K比金属丝式高5080倍，但半导体材料温度系数大，应变时非线性比较严

12、重，使其应用范围受到一定的限制。12d ddLLdE 12d (12)dRdldRlLdE基本原理基本原理1.压阻效应和压阻系数压阻效应和压阻系数 半导体的k值取决于半导体材料、导电类型、晶轴方向和杂质浓度等。压阻式传感器的弹性敏感元件通常都是由单晶硅制作的圆膜片。 单晶硅是各向异性材料，取向不同时，特性不同，而取向是用晶向表示的。所谓晶向就是晶面的法线方向。品向确定之后，晶面就是确定的。kERdR压阻式传感器的特点压阻式传感器的特点 压阻式传感器是20世纪60年代初出现的，随着半导体工业和集成电路的迅速发展，目前，这种传感器已在航空、宇航、风洞及其他领域得到广泛应用，此传感器有如下显著特点：

13、(1) 灵敏度高。其灵敏系数比金属丝式应变片高约50100倍。因此其输出信号大，可达200mV左右，有些压力传感器的灵敏度高达50mV/MPa,可不用放大器直接驱动记录仪表。(2) 固有频率高，响应快。由于这种传感器小而轻，膜片直径小，刚度大，机械滞后小，横向效应小，自振频率很高。目前频率一般可达到500kHz，国外有些公司的产品可达1500KHz。(3) 结构简单，可方便地实现微型化，易于批量生产。由于压阻元件的制造是采用半导体集成电路工艺，因此其尺寸可以最大限度地小型化。目前国内研制的硅杯直径为1mm, 国外已有多种外径小于1mm的超小型产品。小尺寸可满足密集安装的要求，并能提供准确的“点

14、”压力。还可将计算处理电路和传感器集成在一起，制成“智能传感器”。(4) 精度。它没有一般传感器所具有的传动件、粘结剂，因此其非线性和滞后误差都非常小。目前，精度一般为0.1%0.05%，较高的可达0.01%。(5) 工作可靠，抗振、抗干扰能力。 压阻式传感器主要缺点是电阻和灵敏系数的热稳定性差，在温度变化大的环境中使用时，必须进行温度补偿。其使用温度范围受到一定限制，国内都在100以下，国外多用 150以下，如采用水冷或温度补偿措施，工作温度可达500。此外，其量程小，在测量大应变时，非线性较严重。受腐蚀性气体影响大、工艺复杂、要求严格、成本较高等。2.1 金属应变式传感器2.2 半导体压阻

15、应变式传感器2.3 测量电路2.4 电位器式传感器介绍第二章第二章 应变式传感器应变式传感器第2章 电阻式传感器电阻应变片的测量电路1 直流电桥（1）直流电桥平衡条件 电桥平衡条件：Uo=0，则有311234oRRUERRRR1423R RR R3124RRRR或（2）电压灵敏度将一个应变片接入电桥中构成单臂电桥。桥臂比：利用平衡条件并忽略分母的R1n：311121344112134oRRRUERRRRRRRERRRRR241212131;1oRRRnnRRUERRRn令有：桥臂比：电桥电压灵敏度影响因素：E(电桥供电电压)、n 。E越大越好得到：n=1(R1= R2= R3= R4)，Svm

16、ax：n：2111oVUnSERnR0VdSdn 1144oVREEUSR；（3） 非线性误差及其补偿方法非线性误差n=1时（四等臂电桥）111111111111111212ooooRnRUERnnRRUURRUnRRRRR 6116115000 ,2()2 5000 100.010.5%5000 ,130()130 5000 100.6520%SgR RSgSgR RSg 金属应变片 ，半导体应变片 ，补偿方法1差动电桥半桥差动电路： 2个应变片（1拉、1压）112 RREUo11;22oVREEUSR消除温度影响：结论：分母中结论：分母中 RT可忽略，分子中无可忽略，分子中无 RT项，故减

17、小了温度变化的影响，项，故减小了温度变化的影响，具有温度补偿作用具有温度补偿作用。311123411111111112122222ToTTTTTTTTTRRRRUERRRRRRRRERRRRRRRERRRRRERR 1111222212TTTTTRRRRRRRRRRR ，且补偿方法2差动电桥全桥差动电路： 4个应变片（2拉、2压）112 RREUo113311123411;22oVTToTTTTRUESERRRRRRRUERRRRRRRERR 2 交流电桥直流电桥的输出为直流信号，放大时宜产生零点漂移。所以可采用交流电桥。交流电压源供电，引线有分布电容，应变片呈现复阻抗特性Z1、Z2。平衡条件

18、：电阻、电容、电感都平衡交流电桥输出:平衡条件：输出电压 ：电压灵敏度 ：31123414231234()()oZZUZZZZZ ZZ ZZZZZUU1423142312340;/Z ZZ ZZ ZZ Z ZZZZ14231423mmmmZ ZZZ00001414UZUUZUKUZZ3 应变片的温度误差及补偿(1) 应变片的温度误差（环境引起电阻值变化）l电阻温度系数a0的影响l试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数(g, s)的影响温度变化引起的总附加应等效变量tsg,000001ttRRtRRRRt0000gsRK RK Rt0000000000gstgsRRRRtK RtRRtKK 3. 电阻应变片的温度补偿方法(2) 线路补偿法实现完全补偿的四个条件：(1)(2)(3)补偿块材料和被测试件材料必须一样;(4)两个应变片要处于同一温度场。143134,0oBBoUA R RR RRRRR