第3章-电阻式传感器

1、2012nnyaa xa xa x 第3篇 物理传感器3章章 电阻式传感器电阻式传感器 4章章 电容式传感器电容式传感器 5章章 电感式传感器电感式传感器 6章章 压电式压电式 传感器传感器 7章章 光学式传感器光学式传感器 8章章 热电式传感器热电式传感器本篇内容：本篇内容：按被测量分类（一种宏观分类方法）按被测量分类（一种宏观分类方法）物理传感器物理传感器: 用于测量血压、体温、血流量、生物磁用于测量血压、体温、血流量、生物磁场等，场等，被测量都是物理量被测量都是物理量。设计时利用这些非电量的物。设计时利用这些非电量的物理性质和物理效应。理性质和物理效应。 化学传感器化学传感器: 用于测量

2、人体内某些化学成分、浓度、用于测量人体内某些化学成分、浓度、PHPH值等，值等，被测量都属于化学量（被测量都属于化学量（被测物质分子量较小）。被测物质分子量较小）。设计时多利用电化学原理或物理效应。设计时多利用电化学原理或物理效应。生物传感器生物传感器：用于测量酶、抗原、抗体、激素、用于测量酶、抗原、抗体、激素、DNADNA、RNARNA等物质，等物质，被测量都属于化学量被测量都属于化学量（被测物质分子量较（被测物质分子量较大）。大）。对这些物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器 。生物医学传感器的分类生物医学传感器的分类 在这一节里，介绍电阻传感器，例如：电位在这一节里，介绍电阻传感器

3、，例如：电位器、电阻应变片、测温热电阻。它们的基本原理器、电阻应变片、测温热电阻。它们的基本原理都是将各种被测非电量的变化转换成电阻的变化都是将各种被测非电量的变化转换成电阻的变化量，然后通过对电阻变化量的测量，达到非电量量，然后通过对电阻变化量的测量，达到非电量电测的目的。电测的目的。 利用电阻传感器可以测量角位移、直线位移、利用电阻传感器可以测量角位移、直线位移、应变、力、加速度、重量、转矩、温度、湿度、应变、力、加速度、重量、转矩、温度、湿度、气体成分及浓度、磁场强度等气体成分及浓度、磁场强度等。本章内容3.1 电位器式传感器3.2电阻应变式传感器3.3 固态压阻式传感器3.4电阻式传感

4、器的测量电路3.5电阻式传感器的应用前言 ：工作原理电阻式传感器电阻式传感器测量原理测量原理: 被测的非电量 R 电量输出 其其基本基本原理为：原理为：设设有一根长度为有一根长度为L L，截面，截面积为积为A，电阻率为，电阻率为的金属丝，则它的的金属丝，则它的电阻值电阻值R可用下式表示：可用下式表示：AlR 三个参数：长度L，截面积A，电阻率，如果发生变化，则它的电阻值R随之发生变化，构成不同电阻传感器：1、长度L发生变化电位器式传感器；电位器式传感器；2、截面积A、长度L发生变化电阻应变片传感器；电阻应变片传感器；3、电阻率发生变化热敏电阻、光导性光检测热敏电阻、光导性光检测器等。器等。 电

5、位器是一种机电转换元件，可将位移位移(直线位移或线位移)转换成电阻或电压输电阻或电压输出。 优点：结构简单，尺寸小，重量轻，价格便宜，输出信号大，受环境影响小。 缺点：由于有摩擦，要求输出信号大，可靠性和寿命差，动态特性不好，干扰大，一般用于静态或缓变量的检测。电位器分类电位器分类:线性电位器和非线性电位器线性电位器和非线性电位器3.1电位器式传感器电位器式传感器电位器接负载，此时的输出特性为负载特性，不接负载或负载无穷大，输出特性称空载特性。3.1.1线性电位器空载特性 maxmaxxxRRx 假定全长xmax的电位器，总电阻为Rmax,电阻沿长度的分布是均匀的,则当滑臂由A向B移动x后,A

6、点到电刷间的阻值为若把它作为分压器使用,且假定加在电位器A、B之间的电压为Umax,则输出电压为maxmaxxxUUx 右图为电位器式角度传感器。作变阻器使用,则电阻与角度的关系为 maxmaxaaRRa其他内容参看教材44-44页3.1.5 电位器的负载特性 上面讨论的电位器空载特性相当于负载开路或为无穷大时的情况,而一般情况下,电位器接有负载,接入负载时,由于负载电阻和电位器的比值为有限值,此时所得的特性为负载特性,负载特性偏离理想空载特性的偏差称为电位器的负载误差负载误差。 带负载的电位器的电路如图所示。电位器的负载电阻为Rf,则此电位器的输出电压为图 带负载的电位器电路电阻相对变化:

7、电位器的负载系数为:maxfRmRmaxRRrx2maxmaxmaxxxffxxfRRRRRRRUU教材中：教材中：a=1/m在未接入负载时,电位器的输出电压Ux为 则接入负载Rf后的简化的输出电压Uxf表达式为:)1 ()1 (1maxmaxrraarUrmrrUUxfUx=rUmax 00100 xxfxfUUU比较两式可知，Rf不是无穷大，负载与空载输出之间产生偏差，则负载误差为：00100)1 (111rmrf由图可见,无论m为何值, 电刷在起始和最终位置时,负载误差都为零;当当X=1/2时时,可求导,负载误差最大,且增大负载系数时,负载误差也随之增加。3.2.电阻应变片式传感器应变式

8、传感器特征：应变式传感器特征： 材料类型：材料类型：金属应变片、半导体应变片金属应变片、半导体应变片 应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度主要优点：使用简单、精度高、范围大、体积小主要优点：使用简单、精度高、范围大、体积小工作原理：由弹性元件、电阻应变片和其他附件组成。工作原理：由弹性元件、电阻应变片和其他附件组成。弹性元件受力弹性元件受力变形变形，张贴在表面的，张贴在表面的应变片随之变形应变片随之变形，并，并产生相应的产生相应的电阻变化。电阻变化。 应变式电阻传感器作为应变式电阻传感器作为测力的主要测力的主要传感器传感器，测力范围小到肌肉纤维，

9、大到，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到登月火箭，精确度可到 0.01-0.1%0.01-0.1%。有。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。剪切式。 应变式力传感器应变式力传感器 S型力传感器型力传感器 FFFF应应用实例用实例应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形各种悬臂梁各种悬臂梁 电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示电子天平电子天平电子天平的精度电子天平的精度可达十万分之一可达十万分之一电子秤中的各类弹性元件电子秤中的各类弹性元件 2llRAr金属丝受拉时，金属丝受拉时，l变长、变长

10、、r变小，导致变小，导致R变大变大 。1 .金属丝的应变效应金属丝的应变效应 xSKRdR1 .金属丝的应变效应金属丝的应变效应应变效应应变效应: :金属导线在受到外界力的作用时，产生机械金属导线在受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。变化的现象称为应变效应。 根据应力根据应力和应变和应变的关系的关系: 应力应力=E， 金属丝的应变效应金属丝的应变效应ll+ dl2r2(r-dr)FF xSKRdR金属的电阻相对变化与金属的电阻相对变化与应变应变成成正比关系。正比关系。通过通过

11、弹性元件弹性元件，可将应力转，可将应力转换为应变，这是换为应变，这是应变式传感器测应变式传感器测量应力的基本原理量应力的基本原理。1 .金属丝的应变效应金属丝的应变效应 KS为金属丝的灵敏系数，p47注释金属的径向应变金属的轴向应变令yxrdrLdL/ / 在弹性范围内金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为 y=-x为金属材料的泊松系数。为金属材料的泊松系数。应变式传感器的核心元件：应变式传感器的核心元件：电阻应变片电阻应变片，试件上的应力，试件上的应力变化转换成电阻变化。变化转换成电阻变化。 应变效应应变效应应变是量纲为1的数。通常应变很小，常用10-6来表示。

12、例如，当应变为0.000001时，在工程中常表示为110-6或m/m。在应变测量中，也常称为微应变。金属丝式应变片的结构金属丝式应变片的结构视频：应变片视频：应变片半导体应变片又称为压阻式传感器。半导体应变片又称为压阻式传感器。基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。压阻效应：压阻效应：半导体材料的半导体材料的电阻率电阻率随作用应力的变化而发生变化的现象。随作用应力的变化而发生变化的现象。 3.3 固态压阻式传感器固态压阻式传感器半导体材料敏感条半导体材料敏感条电阻率的相对变化值与其在轴向所电阻率的相对变化值与其在轴向所受的应力之比受

13、的应力之比为一常数。即为一常数。即xllEdxlERdR)21 （l半导体材料的压阻系数。式中半导体材料的压阻系数。式中1+2项随几何形状而项随几何形状而变化，变化，lE项为压阻效应，随电阻率而变化。项为压阻效应，随电阻率而变化。当半导体材料受轴向力作用时，电阻相对变化为当半导体材料受轴向力作用时，电阻相对变化为dRdRx)21（ERdRKlxB/实验证明实验证明lE比比1+2大近百倍，所以大近百倍，所以1+2可以忽略，因而：可以忽略，因而： xlERdR)（灵敏系数灵敏系数半导体应变片的灵敏系数比金属丝式的高5080倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使应用范围受到一定的限制

14、。 半导体应变片的优点：半导体应变片的优点：体积小，灵敏度高，频率体积小，灵敏度高，频率响应范围宽，输出幅值大，不响应范围宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪需要放大器，可直接与记录仪连接，使测量系统简单。连接，使测量系统简单。 电桥电路电桥电路又叫惠斯登电桥惠斯登电桥，它是将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。 金属应变片的电阻变化范围很小，如果金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测直接用欧姆表测量量其电阻值的变化将十分困难，且其电阻值的变化将十分困难，且误差很大误差很大。 例例：金属箔式应变片的标称阻值金属箔式应变片的标称阻值R R0 0为为1

15、00100 ，灵敏度，灵敏度K K=2=2，粘贴在横截面积为粘贴在横截面积为9.8mm9.8mm2 2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E E=2=2 10101111N/mN/m2 2，所受拉力，所受拉力F F=0.2t=0.2t，受拉后应变片的阻值，受拉后应变片的阻值R R 的变的变化量仅为化量仅为0.20.2 。 所以必须使用所以必须使用不平衡电桥不平衡电桥来测量这一微小的变来测量这一微小的变化量，化量，将将 R /R转换为转换为输出电压输出电压Uo。 为什么要使用不平衡电桥为什么要使用不平衡电桥 把对某物理量敏感的电阻应变材料加工成传感器，作为电把对某物理量敏感的

16、电阻应变材料加工成传感器，作为电桥中的某一臂电阻，或某几个臂电阻，通过电桥的失衡程度桥中的某一臂电阻，或某几个臂电阻，通过电桥的失衡程度（桥路电流或电压）来判断该物理量的大小。（桥路电流或电压）来判断该物理量的大小。 如果直接测应变片电阻的改变，可能很困难。因为测量一个如果直接测应变片电阻的改变，可能很困难。因为测量一个在很大的基值上附加的在很大的基值上附加的一个很小的信号是很困难的一个很小的信号是很困难的。利用电桥利用电桥可以把这个信号的基值去掉，变成了一个在零值附近的信号，可以把这个信号的基值去掉，变成了一个在零值附近的信号，并且可以通放大电路来增大灵敏度。并且可以通放大电路来增大灵敏度。

17、 （1 1）平衡条件）平衡条件 4332110RRRRRREU一、直流电桥一、直流电桥不平衡电桥法用在动态应变测量中。不平衡电桥法用在动态应变测量中。(2)不平衡电不平衡电桥法桥法 如图，R1为应变片，R2、R3、R4为固定电阻。未承受应变时，R1R4R2R3，电桥平衡，Uo0。承受应变后，阻值变为R1R1，电桥的不平衡输出为 设设R2/R1n，又因，又因R1R1时，时，R1R4R2R3，上，上式简化为式简化为电桥的电压灵敏度电桥的电压灵敏度(相对灵敏度相对灵敏度)为为 Su与U（供电电压）成正比，U越高，Su越高。但是U的提高受到应变片允许工作电流的限制，通常为15 V。 Su与n有关。在U

18、一定时，由灵敏度取极值的条件，可求得n1时Su最大。即在U一定、R1R2、R3R4时，Su最大。通常这种情况称为电桥的第一种对称形式。此时 而而R1R3，R2R4则称为电桥的第二种对则称为电桥的第二种对称形式。称形式。第一种对称形式有较高的灵敏度，第二种对称第一种对称形式有较高的灵敏度，第二种对称形式线性较好。形式线性较好。 等臂电桥是其中的一个特例。等臂电桥是其中的一个特例。 以上都是基于以上都是基于 R1R1，所以得到的是线性关，所以得到的是线性关系。但当应变片感受较大应变时，系。但当应变片感受较大应变时，分母上的分母上的 R1/ /R1项就不能忽略项就不能忽略，此时得到的为非线性关系，此

19、时得到的为非线性关系，从而造成非线性误差。在补偿非线性误差时常用从而造成非线性误差。在补偿非线性误差时常用的措施如下的措施如下 (3)电桥电路的非线性误差补偿电桥电路的非线性误差补偿 采用差动电桥。在电桥的相邻两臂接入两个参数相同的应变片，测量时一个受拉应力，一个受压应力，电阻变化量符号相反，数值相等，即构成半桥差动电路。此时假设假设432121RRRRRR，则无需近似即有则无需近似即有 可见，差动电桥法不仅补偿了非线性误差，且电可见，差动电桥法不仅补偿了非线性误差，且电压灵敏度提高了压灵敏度提高了1倍。另外还能起到温度补偿的作用。倍。另外还能起到温度补偿的作用。 全桥差动电路不仅补偿了非线性

20、误差，且电压灵敏度比全桥差动电路不仅补偿了非线性误差，且电压灵敏度比半桥差动电路补偿时又提高了半桥差动电路补偿时又提高了1倍。也能起到温度补偿的作用。倍。也能起到温度补偿的作用。 在四臂都接入相同应在四臂都接入相同应变片（等臂），变片（等臂），相对两个受拉应力，另两个受压应力，相对两个受拉应力，另两个受压应力，构成构成全桥差动电路全桥差动电路。若满足。若满足 R1 R2 R3 R4，则，则全桥差动电路全桥差动电路 1.脉象传感器脉搏波经传感顶子作用于等强度悬臂梁的自由端，使之弯曲变形。贴在梁上下面的应变片接入全桥或半桥，输出的电压即反应脉动规律。侧视图上视图3.5 电阻式传感器的应用 传感器置于体外的测量。图所示为传感器置于体外的有创血压测量，即用血管外传感器测量，是一种常用的血压测量方案。2.血管外血压传感器血管外血压传感器由插管技术将血液压力传到圆帽，膜片产生位移，带动活动元件移动，使R1，R4以及R2, R3