电阻式传感器课件

1、电阻式电阻式传感器传感器 1 应变片式传感器应变片式传感器 2 压阻式传感器压阻式传感器下页下页上页上页返回返回图库图库第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 纽 克西 欧米克隆 派 柔 西格玛 陶 玉普西隆 弗爱 凯 普赛 奥米伽 A 阿尔法 B 贝塔 伽玛 德尔塔 伊普西隆 泽塔 伊塔 西塔 约塔 卡帕 兰姆达 米欧 电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，其基本原理是将被测其基本原理是将被测物理量物理量的变化转换成的变化转换成电电阻值阻值的变化，再经相应的的变化，再经相应的测量电路测量电路最后显示最后显示被测量值的变化。被测量值的变化。 下页下页返回返回图库图

2、库电阻式传感器与相应的测量电路组成的电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度度等测试系统等测试系统-目前已成为目前已成为生产过程检测生产过程检测以及实现以及实现生产自动化生产自动化不不可缺少的手段之一。可缺少的手段之一。输入量（被测量）：位移等输入量（被测量）：位移等输出量：阻值的变化输出量：阻值的变化应变式压力、测力、称重传感器应变式压力、测力、称重传感器下页下页上页上页返回返回图库图库 第一节第一节 应变式传感器应变式传感器 电阻应变片的工作原理是基于电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效电阻应变效应

3、应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。应发生变化。 应变片的主要优点是应变片的主要优点是精度高、频响宽、体精度高、频响宽、体积小、重量轻积小、重量轻； 缺点：缺点：产生漂移产生漂移一、工作原理一、工作原理下页下页上页上页返回返回图库图库退出退出图图 金属丝伸长后几何尺寸金属丝伸长后几何尺寸下页下页上页上页返回返回图库图库由于箔片的应用较为广泛，常采用由于箔片的应用较为广泛，常采用光刻技术光刻技术来制作。来制作。在此以箔片为例来研究应变片的工作原理。在此以箔片为例来研究应变片的工作原理。bh长为长为LbhLALR dhhRdbbRdLLRdRd

4、R hdhbhLbdbbhLLdLbhLdbhL 下页下页上页上页返回返回图库图库hdhbhLbdbbhLLdLbhLdbhLdR hdhbdbLdLdRdR 式中式中d/为应变片的为应变片的电阻率相对变化量电阻率相对变化量，其值与半导体敏感元，其值与半导体敏感元件在件在轴向所受的应变力轴向所受的应变力有关，其关系为有关，其关系为 Ed 半导体材料的压阻系数半导体材料的压阻系数; 半导体材料的所受应变力半导体材料的所受应变力; E半导体材料的弹性模量半导体材料的弹性模量; 半导体材料的应变。半导体材料的应变。LdLLL bbbdb hhhdh由压阻效应由压阻效应 Ed )21( ERdRhdh

5、bdbLdLdRdR 下页下页上页上页返回返回图库图库 )21( ERdR由上式可见，电阻的相对变化量由两部分组成：由上式可见，电阻的相对变化量由两部分组成：第一项，第一项，电阻率变化电阻率变化所引起的；所引起的；第二项，材料受力后产生的第二项，材料受力后产生的几何变形（形变）几何变形（形变）。分两种情况：分两种情况：v 金属材料，第一项很小可忽略，主要第二项起作金属材料，第一项很小可忽略，主要第二项起作用，此时有用，此时有v 半导体材料，第二项相对于第一项很小，可忽略半导体材料，第二项相对于第一项很小，可忽略6 . 37 . 1)21( kkRdR 100值值大大于于kkERdR （50-7

6、0倍）倍） 半导体应变片是用半导体材料制成的，其工半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的作原理是基于半导体材料的压阻效应压阻效应。 压阻效应是指半导体材料，当压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受某一轴向受外力作用时，外力作用时， 其电阻率其电阻率发生变化的现象发生变化的现象。 引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅lb二、应变片种类、材料、粘贴二、应变片种类、材料、粘贴图图3-2 金属电阻应变片的结构金属电阻应变片的结构 1金属电阻应变片的种类金属电阻应变片的种类敏感栅敏感栅(核心核心)丝式丝式:丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径0.010.05mm

7、的电阻丝平行排列而成。的电阻丝平行排列而成。箔式箔式:光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，属箔栅， 其厚度一般为其厚度一般为0.0030.01mm，可制，可制成各种形状的敏感栅（即应变花），其优点是成各种形状的敏感栅（即应变花），其优点是表面积和截面积之比大，表面积和截面积之比大， 散热性能好，允许散热性能好，允许通过的电流较大，可制成各种所需的形状，通过的电流较大，可制成各种所需的形状， 便于批量生产。便于批量生产。 覆盖层覆盖层与与基片基片将敏感栅紧密地粘贴在中间，将敏感栅紧密地粘贴在中间，对敏感栅起几何形状对敏感栅起几何形状固定和绝缘、保护固定和绝

8、缘、保护作用，作用， 基片要将被测体的应变准确地传递到敏感栅基片要将被测体的应变准确地传递到敏感栅上，因此它很薄，一般为上，因此它很薄，一般为0.030.06mm, 使它与被测体及敏感栅能牢固地粘合在一起，使它与被测体及敏感栅能牢固地粘合在一起，此外它还应有良好的此外它还应有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热绝缘性能、抗潮性能和耐热性能性能。基片和覆盖层的材料有胶膜、纸、玻璃纤。基片和覆盖层的材料有胶膜、纸、玻璃纤维布等。维布等。 图图3-3 常用应变片的形式常用应变片的形式2 金属电阻应变片的材料金属电阻应变片的材料 对电阻丝材料应有如下要求：对电阻丝材料应有如下要求： 灵敏系数大灵敏系数大，

9、且在相当大的应变范围内保持常数；且在相当大的应变范围内保持常数； 值大值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；大的电阻值； 电阻温度系数小电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；，否则因环境温度变化也会改变其阻值； 与铜线的与铜线的焊接性能好焊接性能好， 与其它金属的接触电势小；与其它金属的接触电势小； 机械强度高机械强度高， 具有优良的机械加工性能。具有优良的机械加工性能。 康铜康铜是目前应用最广泛的应变丝材料：是目前应用最广泛的应变丝材料：灵敏系数灵敏系数稳定性好，不但在稳定性好，不但在弹性变形弹性变形范围内能保持为

10、常数，范围内能保持为常数， 进进入入塑性变形塑性变形范围内也基本上能保持为常数；范围内也基本上能保持为常数；康铜的电阻康铜的电阻温度系数温度系数较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在可使电阻温度系数在5010-6/的范围内；的范围内；康铜的康铜的加工性能加工性能好，易于焊接，好，易于焊接， 因而国内外多以康铜作为应变因而国内外多以康铜作为应变丝材料。丝材料。 3应变片粘贴（应变片粘贴（链接到应变片粘贴图片链接到应变片粘贴图片） 1、工件表面清理、工件表面清理 除锈（砂纸打）、去油（脱脂棉蘸丙酮）、除锈（砂纸打）、去油（脱脂棉蘸丙酮）、 凉

11、干（不可摸）；凉干（不可摸）； 2、划线，找正贴片位置方向划线、划线，找正贴片位置方向划线 3、贴片，、贴片， 贴片前检查阻值是否符合要求；贴片前检查阻值是否符合要求； 在贴片位置涂一薄层胶，一定要薄，厚了会造成误差；在贴片位置涂一薄层胶，一定要薄，厚了会造成误差； 将应变片贴上，加一薄层塑料轻轻挤压，挤压方向从将应变片贴上，加一薄层塑料轻轻挤压，挤压方向从 中心向四周以除气泡；中心向四周以除气泡； 加温使之聚合。加温使之聚合。4、检查、连线、检查、连线 肉眼看：正、牢，边有没有翘曲；肉眼看：正、牢，边有没有翘曲； 检查阻值有无变化，绝缘性能；检查阻值有无变化，绝缘性能； 连线，焊在工件上，以

12、保护根部连线，焊在工件上，以保护根部下页下页上页上页返回返回图库图库5、检查，涂防护层（密封、检查，涂防护层（密封防水、防氧化、防尘）防水、防氧化、防尘） 914环氧树脂胶、丁腈橡胶环氧树脂胶、丁腈橡胶 简易方法简易方法：40%腊腊+ 50%松香松香+ 10%润滑干油润滑干油 检查并用布带缠绕好。检查并用布带缠绕好。 应变片粘贴时应加压挤出气泡及多余胶，因为胶层厚薄对应变片粘贴时应加压挤出气泡及多余胶，因为胶层厚薄对测试有影响，例如试件厚测试有影响，例如试件厚12.7mm，当胶层厚，当胶层厚76m时误差时误差1.2，胶层厚，胶层厚20m时误差时误差0.4；试件厚；试件厚6.4mm，当胶层厚，当

13、胶层厚0.76mm时误差时误差2.8，总之胶层越薄越好。另外，零件应变，总之胶层越薄越好。另外，零件应变通过胶层以剪应变方式使敏感栅产生拉压变形，因此，必须通过胶层以剪应变方式使敏感栅产生拉压变形，因此，必须使两端及中间各部分全面粘贴牢固。使两端及中间各部分全面粘贴牢固。下页下页上页上页返回返回图库图库1.选点及工件表面清理。选点及工件表面清理。 采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等2.打磨。打磨。 用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力3.清洗清洗 用浸有酒精（或丙酮）的纱布片或脱脂棉球擦洗用浸有酒精（或丙

14、酮）的纱布片或脱脂棉球擦洗 干燥、划线、量阻值干燥、划线、量阻值4.贴片。贴片。 在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶5.排气。排气。 用镊子将应变片放上并调好位置，然后盖上薄膜，用手指揉和滚压，用镊子将应变片放上并调好位置，然后盖上薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡排出下面的气泡 6.分开端子分开端子 把应变片的端子用手轻轻的分开，以免和应变片脱离把应变片的端子用手轻轻的分开，以免和应变片脱离 7.测量电阻。测量电阻。 从分开的端子处用万用表测量应变片的电阻，防止端子折断和坏从分开的端子处用万用表测量应变片的电阻，

15、防止端子折断和坏的应变片的应变片8.焊接。焊接。 把引线和端子的用点焊的方式焊接，要小心端子折断把引线和端子的用点焊的方式焊接，要小心端子折断 9.固定。固定。 焊接后用胶布将引线和测量对象固定在一起，防止引线和应变片脱离焊接后用胶布将引线和测量对象固定在一起，防止引线和应变片脱离灵敏系数灵敏系数灵敏系数是指电阻的相对变化量与轴向应变的比值。灵敏系数是指电阻的相对变化量与轴向应变的比值。 dRdRK 21影响影响K的因素：敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂、的因素：敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂、基地性能、栅端圆弧部分横向效应基地性能、栅端圆弧部分横向效应 KK0三、金属应变片主要特性三、金属

16、应变片主要特性下页下页上页上页返回返回图库图库横向效应横向效应： 纵向应变会使应变片的阻值发生变化，而沿垂直纵向应变会使应变片的阻值发生变化，而沿垂直于应变片轴向的横向应变也会引起其电阻的相对变化，于应变片轴向的横向应变也会引起其电阻的相对变化，这种现象称为这种现象称为横向效应横向效应。 横向效应使得实际的灵敏系数与标称值不等，这横向效应使得实际的灵敏系数与标称值不等，这将造成误差。解决的办法，厂家通过实验测定将造成误差。解决的办法，厂家通过实验测定H值值（横向效应系数），利用（横向效应系数），利用H值对测量结果进行修正。值对测量结果进行修正。一般按抽样一般按抽样0.1%测量，测量，Fll1F

17、rxyar(a)(b)下页下页上页上页返回返回图库图库机械滞后机械滞后加载特性与卸载特性不重合的现象。加载特性与卸载特性不重合的现象。原因：残余变形原因：残余变形措施：合适的粘合剂、三次加载循环措施：合适的粘合剂、三次加载循环零漂和蠕变的定义零漂和蠕变的定义：在恒定温度，无机械应：在恒定温度，无机械应变时，应变片阻值随时间变化的特性，称为变时，应变片阻值随时间变化的特性，称为零漂零漂；在恒定温度、恒定应变时，应变片阻；在恒定温度、恒定应变时，应变片阻值随时间变化的特性，称为值随时间变化的特性，称为蠕变蠕变。零漂和蠕变的原因零漂和蠕变的原因：应变片制造过程中产生：应变片制造过程中产生的内应力；在

18、一定温度和载荷条件下电阻丝的内应力；在一定温度和载荷条件下电阻丝材料、胶粘剂和底基内部结构的变化。材料、胶粘剂和底基内部结构的变化。 下页下页上页上页返回返回图库图库零漂和蠕变零漂和蠕变绝缘电阻和最大工作电流绝缘电阻和最大工作电流 应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值Rm。通常要求Rm在50100 M以上。绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误差。Rm取决于粘结剂及基底材料的种类及固化工艺。在常温使用条件下要采取必要的防潮措施，而在中温或高温条件下，要注意选取电绝缘性能良好的粘结剂和基底材料。 最大工作电流是指已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响其

19、工作特性的最大电流Imax。工作电流大，输出信号也大，灵敏度就高。但工作电流过大会使应变片过热，灵敏系数产生变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。工作电流的选取要根据试件的导热性能及敏感栅形状和尺寸来决定。通常静态测量时取25mA左右。 动态测量时可取75100mA。箔式应变片散热条件好，电流可取得更大一些。在测量塑料、玻璃、陶瓷等导热性差的材料时，电流可取得小一些。 应变极限和疲劳寿命应变极限是指温度恒定指示应变和真实应变相应变极限是指温度恒定指示应变和真实应变相对误差不超过对误差不超过90%时候的最大真实应变值时候的最大真实应变值疲劳寿命是指恒定幅值的交变力作用下，可以疲劳寿命是指恒定幅值

20、的交变力作用下，可以联系工作而不出现疲劳损坏的循环次数联系工作而不出现疲劳损坏的循环次数 例：例： 初始电阻初始电阻R=120 灵敏度系数灵敏度系数K=2 纵向应变纵向应变 =1000时时 求：该应变片电阻的绝对变化量求：该应变片电阻的绝对变化量 解：解： KLLKRR下页下页上页上页返回返回图库图库下页下页上页上页返回返回图库图库 R=0.24 RkR 四、测量电路四、测量电路 上述一例中各参数均为产品较有代表性的参数。而纵上述一例中各参数均为产品较有代表性的参数。而纵向应变量也取得十分大（通常应变片的线性工作范向应变量也取得十分大（通常应变片的线性工作范围仅有围仅有600 ）。由上例中可以

21、得出以下结论：）。由上例中可以得出以下结论：v应变片式传感器对应变产生的电阻变化量很小，通应变片式传感器对应变产生的电阻变化量很小，通常是在几个欧姆以下。常是在几个欧姆以下。v要求测量电路必须能够要求测量电路必须能够测量微小电阻测量微小电阻的变化。电桥的变化。电桥电路是最常用的测量微小电阻变化的电路。电路是最常用的测量微小电阻变化的电路。下页下页上页上页返回返回图库图库1 直流电桥直流电桥 直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件 电桥电路如图电桥电路如图3-9所示，图中所示，图中E为电源电压，为电源电压，R1、R2、R3及及R4为桥臂电阻，为桥臂电阻，RL为负载电阻。为负载电阻。 当当RL时，电桥输

22、出电压为时，电桥输出电压为 433211RRRRRREUo（3-34） 图图3-9 直流电桥直流电桥 R1R2R4R3ACBEDIoRLUo当电桥平衡时，当电桥平衡时，Uo=0，则有，则有 R1R4=R2R3或或 4321RRRR （3-35） 相邻两臂电阻的相邻两臂电阻的比值应相等比值应相等， 或相对两臂电阻的乘积或相对两臂电阻的乘积应相等。应相等。 电压灵敏度电压灵敏度 应变片工作时，其应变片工作时，其电阻值变化很小电阻值变化很小，电桥相应，电桥相应输出输出电压电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。也很小，一般需要加入放大器进行放大。 由于由于放大器的输入阻抗放大器的输入阻抗比桥路输出阻

23、抗比桥路输出阻抗高高很多，很多，所以此时仍视电桥为所以此时仍视电桥为开路开路情况。情况。 当受应变时，若应变片电阻变化为当受应变时，若应变片电阻变化为R，其它桥，其它桥臂固定不变，电桥输出电压臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡，则电桥不平衡，输出电压为输出电压为: 341211113443211414332111111)(RRRRRRRRRRERRRRRRRERRRRRRRREUo（3-36） 设桥臂比设桥臂比n=R2/R1，由于，由于R15的小曲率圆环，可用下式计算出的小曲率圆环，可用下式计算出A、B两点两点的应变。的应变。 EbhFREbhFRA2291. 109. 1式中：式中

24、： h圆环厚度；圆环厚度； b圆环宽度；圆环宽度； E材料弹性模量。材料弹性模量。这样，这样， 测出测出A、 B处的应变，处的应变， 即可得到载荷即可得到载荷F。 （3-56） （3-57） 下页下页上页上页返回返回图库图库 3. 梁式力传感器梁式力传感器等强度：粘贴要求不高等强度：粘贴要求不高等面积：加工简单、粘贴要求高等面积：加工简单、粘贴要求高二、二、 应变式压力传感器应变式压力传感器 主要用来主要用来测量流动介质测量流动介质的的动态或静态压力动态或静态压力, 如如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力、动机内部的压力、 枪管及炮管

25、内部的压力、内燃枪管及炮管内部的压力、内燃机管道的压力机管道的压力等。等。图图3-15 膜片式压力传感器膜片式压力传感器（a） 应变变化图应变变化图; （b） 应变片粘贴应变片粘贴 根据以上特点，一般在平膜片圆心处根据以上特点，一般在平膜片圆心处切向粘贴切向粘贴R1、R4两个应两个应变片变片，在边缘处沿，在边缘处沿径向粘贴径向粘贴R2、R3两个应变片两个应变片，然后接成全桥测，然后接成全桥测量电路。量电路。 trxhRpR2R1R4R3rt(a)(b) 应变片压力传感器大多采用应变片压力传感器大多采用膜片式膜片式或或筒式筒式弹性元件。弹性元件。 图图3-15为膜片式压力传感器，应变片贴在膜片内壁，为膜片式压力传感器，应变片贴在膜片内壁，在压力在压力p作用下，膜片产生作用下，膜片产生径向应变径向应变r和切向应变和切向