传感器技术讲解课件

第5章电阻式传感器

电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。第一节应变式传感器目前自动测力或称重中应用最普遍的是应变式传感器，应变式传感器有下列优点：1.精确度，线性度好，灵敏度高2.滞后和蠕变都较小，寿命高3.容易与二次仪表相匹配实现自动检测4.结构较简单，体积较小应用灵活5.工作稳定和保养方便应变式传感器除可用于测量力参数外，还可用于测量加速度，振幅等其他物理量。应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将被测量转换为电量输出的一种传感器。一、工作原理（一）金属的电阻应变效应当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化。取一根长度为L，截面积为S，电阻率为的金属丝，未受力时其电阻R为（2-1）当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长ΔL,横截面积相应减小ΔS,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ,故引起电阻值相对变化量为式中ΔL/L是长度相对变化量,用应变ε表示ΔS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即（2-2）（2-3）（2-5）由材料力学可知,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系可表示为式中:μ——电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。（2-5）将式（2-3）,式（2-5）代入式（2-2）,可得或（2-6）（2-7）

通常把单位应变能引起的电阻值变化称为金属电阻丝的灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量,其表达式为（2-8）（2-9）因此灵敏度系数受两个因素影响:

①受力后材料几何尺寸的变化,即（1+2μ）;②受力后材料的电阻率发生的变化,即Δρ/ε。用应变片测量时，将其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，而做成各种应变式传感器。(二)应变片的基本结构及测量原理

（1）敏感栅感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。（2）基底绝缘及传递应变。测量是应变片的基底提高粘结剂粘在试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。由纸薄、胶质膜等制成。（3）粘结剂敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结。（4）覆盖层保护作用。防湿、蚀、尘。（5）引线连接电阻丝与测量电路，输出电参量。二、应变片的类型和材料（一）应变片的类型和材料1.金属丝式应变片回线式：横向效应较大短接式：克服横向效应金属丝式应变片材料要求2.金属箔式式应变片片箔式应变变片是在绝缘缘基底上上，将厚厚度为0.003～0.01mm电阻箔材，利用照相相制版或或光刻技技术，制制成各种种需要的的形状。。优点：①可制成多多种复杂杂形状尺尺寸准确确的敏感感栅；②与被测件件粘结面面积大；；②散热条件件好，允允许电流流大，提提高了输输出灵敏敏度；④横向效应应小；⑥蠕变和机机械滞后后小，寿寿命长。。缺点：电电阻值的的分散性性大3.金属薄膜膜应变片片采用真空空蒸发或或真空沉沉积等方方法在薄薄的绝缘缘基片上上形成厚厚度在0.1微米以下下的金属属电阻材材料薄膜膜的敏感感栅，最最后再加加上保护护层。优点：应变灵敏敏系数大大，允许许电流密密度大。。存在问题题：温度稳定定性差(二)应变片的的粘贴应变片是是用粘合合剂粘贴贴到被测测件上的的。粘合合剂形成成的胶层层必须准准确迅速速地将披披测件应应变传进进到敏感感栅上。。粘合剂剂的性能能及粘贴贴工艺的的质量直直接影响响着应变变片的工工作特性性，如零零漂、蠕蠕变、滞滞后、灵灵敏系数数，线性性以及它它们受温温度变化化影响的的程度。。对粘合剂剂和粘贴贴工艺有有严格要要求三、金属属应变片片的主要要特性(一)灵敏系数数灵敏系数数由实验确定定。实验发现现，实际应变变片的K值比单丝丝的K值要小，，造成此现现象原因因是横向效应应。还有粘结层传传递变形形失真。。(二)横向效应应将直的电电阻丝绕绕成敏感感栅之后，虽虽然长度度相同，，但应变状态态不同，，其灵敏敏系数降低低了。。这种种现象象称横横向效应应。1、定性性分析析当将应应变片片粘贴贴在被被测试试件上上时,由于其其敏感感栅是是由n条长度度为l1的直线线段和和（n-1）个半径径为r的半圆圆组成成,若该应应变片片承受受轴向向应力力而产产生纵纵向拉拉应变变εx时,则各直直线段段的电电阻将将增加加,但在半半圆弧弧段则则受到到从+εx到-μεx之间变变化的的应变变。总的作作用结结果：：将直直的电电阻丝丝绕成成敏感感栅后后,虽然长长度不不变,应变状状态相相同,但圆弧弧段横横向收收缩引引起阻阻值减减小量量对轴轴向伸伸引起起阻值值增加加量起起着抵抵消作作用。。因因而同同样应应变阻阻值变变化减减小，，K值减小小，此此现象象为横向效效应。。2.定量分分析应变片片置于于二维维应力力场，，即有有，，又又有。。横向效效应在在圆弧弧段产产生，，消除除圆弧弧段即即可消消除横横向效效应。。为了减减小横横向效效应产产生的的测量量误差差，现现在一一般多多采用用箔式式应变变片，，其圆圆弧部部分尺尺寸较较栅丝丝尺寸寸大得得多，，电阻阻值较较小，，因而而电阻阻变化化量也也就小小得多多。(三)机械滞滞后、、零漂漂和蠕蠕变加载和和卸裁裁特性性曲线线之间间的最最大差差值称称为应应变片片的滞滞后值值。粘贴在试件件上的应变变片，在温温度保持恒恒定没有机机械应变的的情况下，，电阻值随随时问变化化的特性称称为应变片片的零漂。。粘贴在试件件上的应变变片，温度度保持恒定定，在承受受某一恒定定的机械应应变，其电电电阻值随随时间变化化而变化的的特性称为为应变片的的蠕变。一一般来说，，蠕变的方方向与原应应变量变化化的方向相相反。(四)应变极限和和疲劳寿命命应选用抗剪剪强度较高高的粘结剂剂和基底材材料，基底底和粘结剂剂的厚度不不宜太大，，并经适当当的固化处处理。对于已安装装的应变片片，在恒定定幅值的交交变力作用用下，可以以连续工作作而不产生生疲劳损坏坏的循环次次数称为应应变片的疲疲劳寿命。。（五）最大大工作电流流和绝缘电电阻绝缘电阻是是指应变片片的引线与与被测件之之间的电阻阻值。最大工作电电流是指允允许通过应应变片而不不影响其工工作特性的的最大电流流。工作电流大大，应变片片输出信号号大，灵敏敏度高，但但过大的电电流会把应应变片烧毁毁。（六）应变变片的电阻阻值电阻值大可可加大应变变片承受电电压，因此此输出信号号大，但敏敏感栅尺寸寸也增大。。(六)动态响应特特性电阻应交片片在测量频频率较高的的动态应变变时，应考考虑其动态态特性。动动态应变是是以应变波波的形式在在试件中传传播的，它它的传播速速度与声波波相同。电路的作用用：将电阻的变变化量转换换为电压输输出。通常采用直直流电桥和和交流电桥桥。一、直流流电桥1.直流电桥工作原理四、转换电电路直流电桥电电路如图所所示，它的的四个桥臂臂由电阻组成AC端接直流电电压UBD端输出电压压一般情况桥桥路应接成成等臂电桥桥,输出为零。。这样无论哪哪个桥臂上上受到外来来信号作用用后，桥路路都将失去去平衡，就就会有信号号输出。电桥输出端端接入输入入阻抗很高高的指示仪仪表或放大大器时，可认为电桥桥负载为无无穷大，电电桥输出端端相当于开开路，只能能输出电压压信号，称称为电压输输出。此时时，桥路的的电流为：：AB之间和CD之间的电位位差分别为为：空载输出当电桥平衡衡时,Uo=0,则有R1R4=R2R3或电桥平衡条条件：相邻两臂臂电阻的比比值应相等,或相对两臂臂电阻的乘乘积相等。。电桥接入的的是电阻应应变片时，，即为应变变桥。当一一个桥臂、、两个桥臂臂乃至四个个桥臂接入入应变片时时，相应的的电桥为单单臂桥、半半桥和全臂臂桥。2．不平衡直直流电桥的的工作原理理及电压灵灵敏度当电桥后面面接放大器器时，放大大器的输入入阻抗很高高，比电桥桥输出电阻阻大很多，，可把电桥桥输出端看看成开路。。R1为电阻应变变片，RL→∞。设桥臂比n=R2/R1,分母中ΔR1/R1可忽略。由电桥平衡衡条件R2/R1=R4/R3。电桥电压灵灵敏度定义义为提高灵敏度度的措施①提高供电电电源的电压压U（在功耗允许许的范围内内）②n=1R1=R2=R3=R4由dKU/dn=0求KU的最最大大值值,得n=1时,KU为最最大大值值。。当R1=R2=R3=R4时,电桥桥电电压压灵灵敏敏度度最最高高,此时时有有得出出单单臂臂电电桥桥电电桥桥输输出出为为直流流电电桥桥的的优优点点：：高稳稳定定度度直直流流电电源源易易于于获获得得，，电电桥桥调调节节平平衡衡电电路路简简单单，，传传感感器器及及测测量量电电路路分分布布参参数数影影响响小小等等。。（二二））电电桥桥的的非非线线性性误误差差单臂臂桥桥实实际际输输出出为为：：非线线性性误误差差为为对于于对对称称电电桥桥，，n=1（1）采采用用差差动动电电桥桥减减小小非非线线性性误误差差试件件上上安安装装两两个个应应变变片片，，R1受拉拉，，R2受压压。。接入入电电桥桥相相邻邻桥桥臂臂,则电桥桥输输出出电压压为为对于于一一般般应应变变片片来来说说,所受受应应变变ε通常常在在5××10-3以下下,若取取KU=2,则ΔR1/R1=KUε=0.01,代入入式式（（3-38）计算算得得非非线线性性误误差差为为0.5%;若KU=130,εε=1××１0-3时,ΔR1/R1=0.130,则得得到到非非线线性性误差差为为6%,故当当非非线线性性误误差差不不能能满满足足测测量量要要求求时时,必须须予予以以消消除除。。如果果ΔR1=ΔΔR2,R1=R2,R3=R4,则得得结论论：差差动动电电桥桥消消除除了了非非线线性性误误差差，，灵灵敏敏度度比比单单臂臂电电桥桥提提高高了了一一倍倍。。且且具具有有温温度度补补偿偿作作用用。。全桥桥差差动动电电路路：：R1R4受拉拉应应变变,R2R3两个个受受压压应应变变,将两两个个应应变变符符号号相相同同的的接接入入相相对对桥桥臂臂上上结论论：：全桥桥电电路路电电压压灵灵敏敏度度为为单单臂臂桥桥的的4倍，，消消除除了了非非线线性性误误差差，，且且具具有有温温度度补补偿偿作作用用。。若ΔR1=ΔΔR2=ΔΔR3=ΔΔR4,且R1=R2=R3=R4,则(2)采用用恒恒流流源源电电桥桥减减小小非非线线性性误误差差(二)交流流电电桥桥当被被测测量量为为动动态态量量时时，，应变变电电桥桥采采用用交交流流电电桥桥。。由于于供供桥桥电电源源为为交交流流电电源源,引线线分分布布电电容容使使得得二二桥桥臂臂应应变变片片呈呈现现复复阻阻抗抗特特性性,相当当于于二二只只应应变变片片各各并并联联了了一一个个电电容容,则每每一一桥桥臂臂上上复复阻阻抗抗分分别别为为要满满足足电电桥桥平平衡衡条条件件,即U0=0,则有有Z1Z4=Z2Z3将Z1、Z4、Z2、Z3值代代入入得得整理理上上式式得得交流流电电桥桥的的平平衡衡条条件件为为结论论：交交流流电电桥桥除除了了要要满满足足电电阻阻平平衡衡条条件件外外,还必必须须满满足足电电容容平平衡衡条条件件。。为为此此在在桥桥路路上上除除设设有有电电阻阻平平衡衡调调节节外外还还设设有有电电容容平平衡衡调调节节。。当被被测测应应力力变变化化引引起起Z1=Z0+ΔΔZ,Z2=Z0ΔZ变化化时时,则电电桥桥输输出出为为：：交流流电电桥桥平平衡衡调调节节五、、温温度度误误差差及及其其补补偿偿(一)温度度误误差差：：由于于测测量量现现场场环环境境温温度度的的改改变变而而给给测测量量带带来来的的附附加加误误差差,称为为应应变变片片的的温温度度误误差差。。①环境境温温度度变变化化时时，，敏敏感感栅栅电电阻阻随随温温度度的的变变化化引引起起的的误误差差。。敏感栅的电阻阻丝阻值随温温度变化的关关系可用下式式表示式中:αt——金属丝的电阻阻温度系数;Δt—温度变化值,Δt＝t－t0。当温度变化Δt时②环境温度变化化时，试件材材料的线膨胀胀引起的误差差——应变片灵敏系系数——试件膨胀系数数——应变片敏感栅栅材料的膨胀胀系数因此，由于温温度变化形成成总的电阻相相对变化为(二)温度补偿通常补偿温度度误差的方法法有的自偿法法和线路补偿偿法1．自补偿法(1)单丝自补偿法法：用热处理理的方法调整整栅丝的温度度系数要实现温度自自补偿,必须有电阻丝材料与与被测材料配配合恰当，基基本满足上式式。(2)组合式补偿偿偿法应变片敏感栅栅丝由两种不不同温度系数的金金属丝串接组组成。组合式补偿应应变片的另一一种形式：二种串接的的电阻丝具有有相同符号的的温度系数，，满足以下条条件由此可求得2.线路补偿法①常用的最好的的补偿方法是是电桥补偿法法。补偿原理：桥桥路相临两臂臂增加相同电电阻，对电桥桥输出无影响响。电桥输出电压压Uo与桥臂参数的的关系为Uo=A（R1R4－RBR3)式中:A——由桥臂电阻和和电源电压决决定的常数。。R1—工作应变片；；RB—补偿应变片温度补偿条件件：①R3=R4。②R1与RB为特性一致的的应变片。R1为工作应变片，，RB为补偿应变片它们处于同一一温度场，且且仅工作应变变片R1承受应变。补偿过程：当温度升高或或降低Δt=t－t0时,工作应变片由由R1变为R1+ΔR1t，补偿应变片由由RB变为RB+ΔRBt。且ΔR1t=ΔRBt。此时电桥输出出为Uo=A［（R1+ΔR1t）R4－(RB+ΔRBt)R3］=0若此时被测试试件有应变ε的作用,则工作应变片片电阻R1又有新的增量量ΔR1=R1Kε,而补偿片因不不承受应变,故不产生新的的增量,此时电桥输出出电压为Uo=AR1R4KεUo与ε成单值函数关系系。②差动电桥补偿偿法测量梁的弯曲曲应变时，将将两个应变片片分贴于上下下两面对称位置置，特特性性相同，所以二电阻变变化值相同而而符号相反。但按按图接入入电桥，因而而电桥输出电电压比单片时时增加1倍。当梁上下面温温度一致时，，可可起温度补补偿作用。③热敏电阻补偿偿法热敏电阻Rt与应交片处在在相同的温度度下，当应变变片的灵敏度度随温度升高高而下降时，，热敏电阻的的阻值下降，，使电桥的输输入电压随温度升高而增增加，从而提提高电桥的输输出电压。选选则分流电阻阻的值可以使应应变片灵敏度度下降对电桥输出的影影响得到很好好的补偿。六、应变式传传感器举例（一）应变式力力传感器1.柱（筒）式力力传感器图所示为柱柱式、筒式力力传感器,贴片在圆柱面面上的位置及及在桥路中的的连接如图（（c）、（d）所示。纵向向和横向各贴贴四片应变片片，纵向对称称的R1和R3串接,R2和R4串接,横向的R5和R7串接,R6和R8串接,并置于桥路对对臂上以减小小偏心载荷及及弯矩的影响响,横向贴片作温温度补偿用。。桥路输出电压压2.薄壁圆圆环式式力传传感器器所示为为环式式力传传感器器结构构图及及应力力分布布图。。A处应力力为负负，B处为正正。对R/h>5的小曲曲率圆圆环,A、B两点处处的应应变为为h———圆环厚厚度;b———圆环宽宽度;E———材料弹弹性模模量。。若A处内外外环对对称贴贴两片片应变变片，，B处受拉拉或压压应力力将应应变片片接于于电桥桥电路路。输出电电压为为3．梁式式力传传感器器4．轮辐辐式力力传感感器（二））应应变变式压压力传传感器器1.膜片式式压力力传感感器,应变片片贴在在膜片片内壁壁,在压力力p作用下下,距离圆圆心x处膜片片产生生径向向应变变εr和切向向应变变εt,表达式式分别别为:p———膜片上上均匀匀分布布的压压力;R,h———膜片的的半径径和厚厚度;x———离圆心心的径径向距距离。。膜片弹弹性元元件承承受压压力p时,其应变变变化化曲线线的特特点为为:在平膜膜片圆圆心处处切向向粘贴贴R1、R4两个应应变片片,在边缘缘处沿沿径向向粘贴贴R2、R3两个应应变片片,然后接接成全全桥测测量电电路。。输出出电压压为：：2．筒式式压力力传感感器3．组合合式压压力传传感器器（三））应应变变式加加速度度传感感器测量时时,将传感感器壳壳体与与被测测对象象刚性性连接接。应变片片加速速度传传感器器不适适用于于频率率较高高的振振动和和冲击击,一般适适用频频率为为10～60Hz范围。。第二节节压压阻阻式传传感器器压阻效效应：：固体体受到到作用用力后后，电电阻率率就要要发生生变化化，这这种现现象叫叫压阻阻效应应。半半导体体材料料的压压阻效效应特特别强强。半导体体压阻阻式传传感器器的分分类：：①粘贴式式应变变片②扩散硅硅型压压阻传传感器器特点：：灵敏敏系数数大，，分辨辨率高高，频频率影影响高高，体体积小小。主主要用用于测测量压压力、、加速速度和和载荷荷等一、半半导体体应变变片结结构及及工作作原理理1、半导体体应变变片的的制作作与结结构制作材材料用用单晶晶硅、、锗。。P型单晶晶硅结结构如如图。。在直直角坐坐标系系中它它有许许多晶晶轴方方向，，实验验发现现沿不不同晶晶轴方方向压压阻系系数相相差很很大（（电阻阻率变变化相相差很很大））。2、工作作原理理压阻效效应：：半导导体沿沿某一一轴向向受到到应力力而产产生应应变时时，其其电阻阻率发发生变变化，，此现现象为为压阻阻效应应。一、基基本工工作原原理半导体体电阻阻率的的变化化为：：半导体体电阻阻材料料有结结晶的的硅和和锗，，掺入入杂质质形成成P型和N型半导导体。。当硅硅膜比比较薄薄时，，在应应力作作用下下的电电阻相相对变变化为为：二、温温度误误差及及其补补偿压阻式式传感感器受受到温温度影影响后后，要要产生生零位位漂移移和灵灵敏度度漂移移，，因因而而会会产产生生温温度度误误差差。。传感感器器灵灵敏敏度度的的温温漂漂是是由由于于压压阻阻系系数数随随温温度度变变化化而而引引起起的的。。当当温温度度升升高高时时，，压压阻阻系系数数变变小小，，传传感感器器的的灵灵敏敏度度要要降降低低，，反反之之灵灵敏敏度度升升高高。。零位位温温漂漂一一般般可可用用串串、、并并联联电电阻阻的的方方法法进进行行补补偿偿。。三、、压压阻阻式式传传感感器器举举例例(一)半导导体体应应变变式式传传感感器器常用用硅硅、、锗锗等等材材料料作作成成单单根根状状的的敏敏感感栅栅，，其其使使用用方方法法与与金金属属应应变变片片相相同同。。因因为为半导导体体应应变变片片的的灵灵敏敏系系数