第二章电阻式传感器

1、基本原理基本原理: 被测的非电量被测的非电量 R 电量输出电量输出特点特点: 结构简单，性能稳定，灵敏度较高，动态测量结构简单，性能稳定，灵敏度较高，动态测量电阻元件电阻元件第一节第一节 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一、工作原理一、工作原理 二、应变片的类型和材料二、应变片的类型和材料 三、金属应变片的主要特性三、金属应变片的主要特性 四、转换电路四、转换电路 五、温度误差及其补偿五、温度误差及其补偿六、应变式传感器应用六、应变式传感器应用 L L六六六六（一）金属的电阻应变效应（一）金属的电阻应变效应金属丝在外力作用下发生机械金属丝在外力作用下发生机械变形时

2、其电阻值将变形时其电阻值将发生发生变化变化 电阻应变效应电阻应变效应：2lRSSr电阻电阻截面积截面积测量原理测量原理：弹性元件受力弹性元件受力 应变片应变应变片应变 电阻值变化电阻值变化 被测物理量大小被测物理量大小 电阻变化电阻变化电阻相对变化量电阻相对变化量 (2-2)23222RRRdRdldrdlrlldldrdrrrdldrdRlr2dRdldrdRlr()dll611 10/mm mm drdluurl 0/(12 )(12)dRdduukR 横向应变横向应变电阻相对变化量电阻相对变化量因为（电阻率很小） 电阻丝的灵敏度系数灵敏度系数012ku 即电阻的相对变化dR/R与电阻丝的

3、轴向应变 成正比，在电阻丝的比例极限比例极限内，k0为常数(一般 k0=1.73.6)(2-3)1+2ud/ 应变片的基本结构及测量原理应变片的基本结构及测量原理 应变片贴在被测对象表面 被测对象受力变形受力变形应变片敏感敏感 珊变形珊变形电阻改变电阻改变电量变化电量变化 应变片结构如图，由敏感栅敏感栅(金属丝栅) 、 绝缘基片绝缘基片及覆盖片覆盖片三部分组成。结构结构测量原理测量原理二、应变片的类型和材料二、应变片的类型和材料1 1、金属丝式、金属丝式 分类分类：回线式和短接式。图2-2。2 2、金属箔式、金属箔式 图2-3，利用光刻技术将薄金属箔制成任意形状的敏感珊。3 3、金属薄膜式、金

4、属薄膜式 在绝缘基片上利用薄膜技术沉淀金属电阻材料薄膜敏感珊三、金属应变片的主要特性三、金属应变片的主要特性 （二）横向效应（二）横向效应 轴向正应变横向的负应变- -u应变片阻值变化R灵敏系数k下降 /R RkRkR （一）灵敏系数（一）灵敏系数应变片应变片标称灵敏系数标称灵敏系数因为所以且 (1)xxyyxxdRKKRKHxyxyKKH 0yxu 0(1)xxxdRKu HKR%100 xyKKH （三）机械滞后（三）机械滞后( (迟滞误差）迟滞误差） 试验时加载和卸载的应变曲线误差 （四）零漂和蠕变（四）零漂和蠕变 零漂零漂：温度不变、不受力时，应变片的阻值随时间变化的特性蠕变蠕变：温度

5、和载荷不变时，应变片的阻值随时间变化的特性 （五）应变极限和疲劳寿命（五）应变极限和疲劳寿命 1 1、应变极限、应变极限 应变片指示应变与真实应变相对误差为10%10%时的真实应变。2 2、疲劳寿命、疲劳寿命 应变片在恒幅值交变力下连续工作而不疲劳损坏的循环次数N N （六）最大工作电流和绝缘电阻（六）最大工作电流和绝缘电阻 1 1、绝缘电阻、绝缘电阻Rm（七）应变片的电阻值（七）应变片的电阻值R 应变片在室温且未安装时的电阻值R特性参数特性参数2 2、最大工作电流、最大工作电流max 允许通过而不影响工作特性的最大电流（Imax输出信号k应变片发热零漂和蠕动）引线与试件间的电阻值（Rmk）（

6、八）动态响应特性（八）动态响应特性 机械应变波是以声波的速度声波的速度在试件和应变片中传播。图2-7 应变波波长，应变片长l应变片端点坐标x1、x2，中点坐标x0，则 x1=x0 -l / 2 , x2=x0+ l / 2应变波的变化为：应变波的变化为： ft2sin0应变片在基片长l内测的平均应变平均应变为则应变波幅测量的相对误差相对误差为当应变沿应变片的x方向传播，则x=t , = f , t=x/f , 则x2sin00000202212sinsin()sin()Plxlxxlxdxll000|1sin1pxpxxll应用应用:可根据频率范围和误差要求选择应变片的长度l应变片在x0点的真

7、实应变真实应变为p0 x000sin(2/ )xx/0.8 /hktltl上升时间：上升时间：可测频率可测频率：0.35/0.44 /kftl应用应用:可根据 f 和选择应变片的长度la)为阶跃应变波b)为应变片理论输出c)为应变片实际输出一般以一般以t tk k作为上升时间作为上升时间RR（一）直流电桥（一）直流电桥图2-81 1、直流电桥平衡条件、直流电桥平衡条件（图图2-8a2-8a)RL、IL为负载及其电流对节点a: I1+I3 I=0对节点b: I1 I2+IL=0对节点d: I4+IL I3=0对回路abda: I1R1 I3 R3 I LRL=0对回路bcdb: I 2R2+I

8、LR L I 4R4=0对回路adca: U=I 3R3+I 4R41423123412343412()()()()()LLR RR R UIRRRRRR R RRR R RR电桥平衡IL=0平衡条件平衡条件： R1为应变片电阻变化值，RL为放大器电阻，且RL Uab=UR1/(R1+R2) Uad=UR3/(R3+R4)2、直流电桥电压灵敏度、直流电桥电压灵敏度(图图2-8b)URRRRRRRRUUUUadabbd)(432132410 将R1R1+ R1代入上式，且上下同除R 1R3，则得式 （2-6） 41310214113(1)(1)RRRRUURRRRRR 设桥臂比 n=R2/ R1

9、 ，根据平衡条件R 1R4=R 2R3，代入 式（2-6），且略去分母中的R1/ R1，则 得： URRnnU1120)1 (2(1)nkUn电桥灵敏度电桥灵敏度电桥输出电桥输出定义定义：电桥灵敏度电桥灵敏度 ku=U0/(R1/ R1)14312RRRRnkU对称电桥对称电桥（常采用）（常采用）10144RUUUkR， 电桥输出电压电桥输出电压U U0 0和和电压灵敏度电压灵敏度k k与各与各桥臂阻值无关桥臂阻值无关（2-7）（二）电桥的非线性误差（二）电桥的非线性误差式（2-7）是（2-6）的近似值，设式（2-6）的值（实际实际值值） 为0U1001101()1LRUURRUnR(2-10

10、)对称电桥（对称电桥（n=1)1111112212LRRRRRR则非线性误差非线性误差L11011(1)(1)RnRUURnnR 即112LRR 对金属丝应变片R小L可忽略 对半导体应变片R大L不不可忽略 （三）交流电桥（三）交流电桥 与直流电桥直流电桥的区别区别：RZ；直流电源直流电源交流电源交流电源12341111222233334444jjjjZrjxz eZrjxz eZrjxz eZrjxz e各臂阻抗各臂阻抗：142301234()()Z ZZ ZUUZZZZ其电压输出交流电桥平衡条件（U0=0)14231423z zz z比较比较： 直流电桥平衡容易调节因为没有高次谐波；直流电桥

11、连接线分布影响小没有电容的影响；直流电源容易获得，但后续直流放大器较少直流电源容易获得，但后续直流放大器较少；直流电桥易产生零点漂移。直流电桥易产生零点漂移。结论：结论：应变片多采用交流电桥。应变片多采用交流电桥。五、温度误差及其补偿五、温度误差及其补偿温度误差温度误差敏感栅电阻随温度的变化电阻随温度的变化引起的误差。tRRt1t）（tkRR)(sg2t）（温度变化的电阻总变化量总变化量 所以相应的虚假应变虚假应变 /()ttgsRkttRk 12()tttgsRRRtktRRR 试件试件和敏感栅敏感栅材料的线膨胀系数不同不同引起的误差。RRk因为应变片灵敏系数应变片灵敏系数温度补偿温度补偿温

12、度补偿温度补偿自补偿法 线路补偿法（桥路补偿法）单丝自补偿法双丝自补偿法（组合式）单丝自补偿法单丝自补偿法 ()tgsk 双丝自补偿法双丝自补偿法 12121221()()() /()ttttRRRRRRRR 满足条件满足条件: :满足条件满足条件:线路补偿法线路补偿法 1B340R /R =R /RU =0满足条件满足条件:六、应变式传感器举例六、应变式传感器举例包括两个主要部分两个主要部分： 弹性敏感元件弹性敏感元件亦称弹性体，利用它把被测的物理量 (如力、扭矩、压力、加速度等)转换为弹性体的应变值； 应变片应变片，它作为传感元件，将应变转换为电阻值的变化。(1)应变式测力传感器应变式测力

13、传感器Ptr1R2R3R4Rtrrt应变式压力传感器应变式压力传感器图2-23 膜片式压力传感器(3)(3)应变式加速度传感器应变式加速度传感器 (右图） 案例案例1 1：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量：冲击对桥梁进行激励，桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。案例案例2：电子称电子称原理：原理：将物品重量通过悬臂梁转化为结构变形，再通过应变片转化为电量输出。第二节第二节 压阻式传感器压阻式传感器一、工作原理 二、类型与特点 三、温度误差及其补偿一、工作原理一、工作原理固体受到作用力后，电阻率就要发生变化的现象应变效应应变效应的电阻变化主要是应变片的敏感栅产生应变作 用，如下应变片的公式 k0=1

14、.73.6 压阻效应压阻效应的电阻变化主要是半导体材料的电阻率作用，如下式： dRdR210k(12 )dRdR 1、压阻效应、压阻效应半导体材料的压阻效应特别强。半导体材料的压阻效应特别强。区别：区别：)21 ( dd）（21根据半导体电阻理论半导体电阻理论因此，半导体应变片半导体应变片应变灵敏度应变灵敏度k0为压阻式传感器分两类两类： 利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片；在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻， 称扩散型压阻传感器。lldRdER 0/ldRkER2、类型、类型 ：二、温度误差及其补偿二、温度误差及其补偿 压阻器件本身受到温度影响后，要产生零点温度漂移零点温度漂移和灵灵敏度温度漂移敏度温度漂移1 1、零点温度补偿、零点温度补偿 图2-27，当温度R3B点的电位高于D点的电位两点的电位差就是零漂零漂。所以在R2上并联一个负温度系数的阻值较大的电阻Rp来平衡R3的变化，而实现补偿。Lk0(k0=LE)补偿措施补偿措施：2