第二章应变电阻传感器

1、第二章第二章 电阻传感器电阻传感器 本章学习本章学习电阻式传感器的原电阻式传感器的原理及应用，包括：电位器、电阻理及应用，包括：电位器、电阻应变片、测温热电阻、气敏电阻应变片、测温热电阻、气敏电阻及湿敏电阻等及湿敏电阻等。第二章第二章 电阻传感器电阻传感器第一节第一节 电阻应变式传感器（重点）电阻应变式传感器（重点）第二节第二节 测温热电阻传感器（了解）测温热电阻传感器（了解）第四节第四节 湿敏电阻传感器（了解）湿敏电阻传感器（了解）第三节第三节 气敏电阻传感器（了解）气敏电阻传感器（了解）小结与习题小结与习题第一节第一节 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 导体或半导体材料在外界力的作用导体或

2、半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。着发生变化，这种现象称为应变效应。 电阻应变式传感器主要由电阻应变电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成片及测量转换电路等组成。用途用途 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第一节第一节 电阻应变式传感器电阻应变式传感器一、应变片的工作原理一、应变片的工作原理二、应变片的种类与结构二、应变片的种类与结构四、应变效应的应用四、应变效应的应用 三、测量转换电路三、测量转换电路不平衡电桥不平衡电桥 小结小结一、一、应变应变片的工作原理的

3、工作原理 2llRAr金属丝受拉时，金属丝受拉时，l变长、变长、r变小，导致变小，导致R变大变大 。一、应变片的工作原理一、应变片的工作原理 设有一长度为设有一长度为l、截面积为、截面积为A、半径为、半径为r、电阻率、电阻率为为 的金属单丝，它的电阻值的金属单丝，它的电阻值R可表示为可表示为 当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中时，上式中 、r、l都将发生变化，从而导致电阻值都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如金属丝受拉时，发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、将变长、r变小，变小，均导致均导致R变大；又如，某些半导体受拉时，变

4、大；又如，某些半导体受拉时， 将变大将变大，导致，导致R变大。变大。 实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量 R R与材料力学中的轴向应变与材料力学中的轴向应变 x的关系在很大范围内是的关系在很大范围内是线性的，即线性的，即 2llRAr 2-1xRKRK电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度微应变微应变() 对于不同的金属材料，对于不同的金属材料，K K 略微不同，一般为略微不同，一般为2 2左左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率电阻率 会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料会产生很大的变化，

5、所以灵敏度比金属材料大几十倍。大几十倍。 在材料力学中，在材料力学中， x = l/l称为电阻丝的轴向应变，也称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变，是量纲为称纵向应变，是量纲为1的数。的数。 x通常很小，常用通常很小，常用10-6表示之。例如，当表示之。例如，当 x为为0.000001时，在工程中常表示为时，在工程中常表示为1 10-6或或 m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变。在应变测量中，也常将之称为微应变()。 对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于变最好不要大于1 10-3，即，即1000 m/m，否则有可能超，否则有可能超

6、过材料的极限强度而导致断裂。过材料的极限强度而导致断裂。 应变片用于测量力应变片用于测量力F的计算公式的计算公式 由材料力学可知，由材料力学可知， x=F /（AE），所以），所以 R /R又又可表示为可表示为 如果应变片的灵敏度如果应变片的灵敏度K K 和试件的横截面积和试件的横截面积A A以及以及弹性模量弹性模量均为已知，则只要设法测出均为已知，则只要设法测出 R R / /R R的数值的数值，即可获知试件受力，即可获知试件受力的大小，例如可用于电子秤的大小，例如可用于电子秤的称重。的称重。 2-2RFKRAE二、应变片的种类与结构二、应变片的种类与结构 应变片可分为应变片可分为金属应变片

7、金属应变片及及半导体应变片半导体应变片两大类。前者两大类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前箔式应变片应用可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前箔式应变片应用较多。较多。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。一次性试验。 箔式应变片中箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制

8、成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变从而将温度影响减小到最小的程

9、度，目前广泛用于各种应变式传感器中。式传感器中。箔式应变片的外形箔式应变片的外形n半导体应变片是用半导体材料作敏感栅而半导体应变片是用半导体材料作敏感栅而制成的。当它受力时，电阻率随应力的变制成的。当它受力时，电阻率随应力的变化而变化。它的化而变化。它的主要优点主要优点是是灵敏度高灵敏度高（灵（灵敏度比丝式、箔式大几十倍）敏度比丝式、箔式大几十倍）,主要缺点是主要缺点是灵敏度的一致性差、温漂大、电阻与应变灵敏度的一致性差、温漂大、电阻与应变间非线性严重。在使用时，需采用温度补间非线性严重。在使用时，需采用温度补偿及非线性补偿措施。偿及非线性补偿措施。半导体应变片半导体应变片及金属及金属丝式应变

10、片的结构丝式应变片的结构半导体应变片半导体应变片外形外形金属丝式应变片的金属丝式应变片的内部结构内部结构应变片主要性能指标举例应变片主要性能指标举例 上表中，哪几个型号是半导体应变片？上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？依据是什么？ 三、测量转换电路三、测量转换电路不平不平衡电桥衡电桥 金属应变片的电阻变化范围很小，如果直金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。且误差很大。 例例如，如，有一金属箔式应变片，标称阻值有一金属箔式应变片，标称阻值R R0 0为为100100 ，灵敏度灵敏度K K=2=

11、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，的钢质圆柱体上，钢的弹性模量钢的弹性模量E E=2=2 10101111N/mN/m2 2，所受拉力，所受拉力F F=0.2t=0.2t，受拉，受拉后应变片的阻值后应变片的阻值R R 的变化量的变化量RR仅为仅为0.20.2 (式式2-2），），所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如何将下面分析该桥式测量转换电路是如何将 R /R转换为转换为输出电压输出电压Uo的。的。 ）F/(AE*K*RR 三、测量转换电路三、测量转换电路不平衡

12、电桥不平衡电桥 3i124o1234() 2-34RURRRURRRR误差小于5%电桥平衡的条件电桥平衡的条件 ：R1/R2=R4/R3电桥平衡的条件电桥平衡的条件 ：R1/R2=R4/R3 调节调节RPRP，最终可以，最终可以使使R R1 1 / /R R2 2 = =R R4 4/ /R R3 3（ R R1 1 、R R2 2 是是R R1 1、R R2 2并联并联RPRP后的后的等效电阻）等效电阻），电桥趋于，电桥趋于平衡，平衡，U Uo o被预调到零位，被预调到零位，这一过程称为调零。图这一过程称为调零。图中的中的R R5 5是用于减小调节是用于减小调节范围的限流电阻。范围的限流电阻

13、。 单臂电桥单臂电桥 全桥四臂工全桥四臂工作方式的灵敏作方式的灵敏度最高，双臂度最高，双臂半桥次之，单半桥次之，单臂半桥灵敏度臂半桥灵敏度最低。最低。 双臂电桥双臂电桥 R1、 R2为应变为应变片，片， R3、R4为固定为固定电阻电阻 。应变片。应变片R1 、R2 感受到的应变感受到的应变 1 2以及产生的电以及产生的电阻增量正负号相间，阻增量正负号相间，可以使输出电压可以使输出电压Uo成倍地增大。成倍地增大。四臂全桥四臂全桥 全桥的四个桥臂都为应变片，全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变如果设法使试件受力后，应变片片R1 R4产生的电阻增量（或产生的电阻增量（或感受到的应变感

14、受到的应变 1 4）正负号相）正负号相间，就可以使输出电压间，就可以使输出电压Uo成倍成倍地增大。上述三种工作方式中，地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。臂半桥）还能实现温度自补偿。全桥的温度补偿原理全桥的温度补偿原理 当环境温度升高当环境温度升高时，桥臂上的应变片时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂消，所以全桥的

15、温漂较小；半桥也同样能较小；半桥也同样能克服温漂。克服温漂。 四、应变效应的应用四、应变效应的应用 应变效应的应用十分广泛。它可以测量应应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器。应变式传感器应变式传感器中，敏感元件一中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件

16、就是应变片，测量般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。从应变仪上读取被测试件的应变量。 应变式力传感器应变式力传感器 应变式力传感器应变式力传感器 FFFF各种悬臂梁各种悬臂梁 各种悬臂梁各种悬臂梁 FF固定点固定点固定点固定点电缆应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形 应变式荷重传感器的外形及应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置应变片的粘贴位置FR1R2 R4应变式荷重传感器外形

17、及受力位置（续）应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF应变式荷重传感器外形及受力位置（续）应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 荷重传荷重传感器上的应感器上的应变片在重力变片在重力作用下产生作用下产生变形。轴向变形。轴向变短，径向变短，径向变长。变长。 汽车衡汽车衡汽车衡汽车衡（以下参考（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 ）汽车衡汽车衡称重系统称重系统荷重传感器计算公式荷重传感器计算公式 当当KF 为常数时，桥路所加的激励源电压为常数时，桥路所加的激励源电压Ui 越高，满越高，满量程输出电压量程输出电压Uom也越高。也越高。 KF = Uom/ U

18、i (2-5) 思考：综合考虑灵敏度与功耗发热，思考：综合考虑灵敏度与功耗发热， Ui 的取值范围多少为好？的取值范围多少为好？ioommmFK UFUUFFF(2-7)荷重传感器应用估算荷重传感器应用估算( (难点，重点）难点，重点） 例例2-2 现用图现用图2-8所示的荷重传感器称重。当桥路所示的荷重传感器称重。当桥路电压为电压为12V时，测得桥路的输出电压为时，测得桥路的输出电压为8mV，求被测，求被测荷重为多少吨。荷重为多少吨。 解解 从图从图2-8所示的荷重传感器铭牌上得到所示的荷重传感器铭牌上得到F m=100 103N，KF= 2mV/V，根据式（，根据式（2-5）得）得Uom=

19、24mV。被测荷重。被测荷重 ioommmFK UFUUFFF333O3Fi100 106 1012.5 10 N 1.3t2 1024mF UFK U 12833.33.39t荷重传感器应用估算荷重传感器应用估算 在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了4个个荷重传感器，量程荷重传感器，量程Fm =20t， 灵敏度灵敏度KF =2.5mV/V，使用使用4个独立的桥路电源，每一个电源电压均相等，个独立的桥路电源，每一个电源电压均相等， Ui =12V，四个荷重传感器的输出串联，总的输出电，四个荷重传感器的输出串联，总的输出电压压Uo =24mV， 请估算汽车

20、的质量。请估算汽车的质量。(16t) 汽车在钢板上有少许的前、后、左、右偏位，汽车在钢板上有少许的前、后、左、右偏位，是否会影响测量结果？为什么？是否会影响测量结果？为什么？ ioommmFK UFUUFFF荷重传感器用于构件荷重传感器用于构件的称重的称重 荷重传感器荷重传感器（共（共 3个，个，120度分布，以达到度分布，以达到均衡目的，另两个未拍出）均衡目的，另两个未拍出）底座底座垫块垫块电缆电缆休休 息息 一一 下下电子秤电子秤 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人体秤人体秤 吊钩秤吊钩秤 便携式便携式

21、应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程装配扭矩。量程2500N.m，耗电量，耗电量10mA，有公制有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。等功能。压阻式固态压力传感器压阻式固态压力传感器 利用扩散工艺制作的四个半导体应变利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕

22、变非常小，动态响应快。动态响应快。 压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片 隔离、承压隔离、承压膜片可以将腐膜片可以将腐蚀性的气体、蚀性的气体、液体与硅膜片液体与硅膜片 隔离开来。隔离开来。 压阻式固态压阻式固态 压力传感器压力传感器 内部结构内部结构信号处理电路信号处理电路小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器高压进气口高压进气口低压进气口低压进气口绝对压力传感器绝对压力传感器小型压阻式固态压力传感器（续）小型压阻式固态压力传感器（续）呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器p1进气管进气管p2进气管进气管固态压力固态压力传感器传感器小型压阻式固态压力传感器（续）小型压阻式固态压力传感器（续）表压压力传感器表压压力传感器p1进气管进气管投入式液位计投入式液位计 压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。硅油传导压力而与液体相通。 投入式液位计外形（续）投入式液位计外形（续） 压阻式压阻式固态压力固态