第2章1压阻式传感器

传感器根据中华人民共和国国家标准（GB7665-87）传感器（Transducer/Sensor）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。2.1常用传感器2.1.1传感器的组成敏感元件

直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量转换元件

敏感元件的输出就是它的输入，抟换成电路参量转换电路

上述电路参量接入基本转换电路，便可转换成电量输出敏感元件转换元件转换电路被测量电量2.1.2传感器分类传感器分类方法较多,大体有以下几种：1）

按传感器检测的范畴分类物理量传感器化学量传感器生物量传感器２）按传感器的输出信号分类模拟传感器数字传感器３）按传感器的结构分类结构型传感器物性型传感器复合型传感器4）按传感器的功能分类单功能传感器多功能传感器智能传感器５）按传感器的转换原理分类机—电传感器光—电传感器热—电电传感器磁—电传感器电化学传感器6）按传感器的能源分类有源传感器无源传感器传感器选用原则

选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。1、灵敏度

一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。a)灵敏度过高引起的干扰问题；b)量程范围。c)交叉灵敏度问题。2响应特性

传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。3线性范围

任何传感器都有一定线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。4稳定性

稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。5精确度

传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。6测量方式

传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。2.2.1传感器的标定传感器的标定是通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系。同时，确定出不同使用条件下的误差关系。

传感器的标定工作可分为如下几个方面， 1.新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，同时检定数据也是改进传感器设计的重要依据；2.经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测工作。

传感器的标定 目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。1.静态标准条件

没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（20±5℃）、相对湿度不大于85%，大气压力为101±7kPa的情况。上一页下一页返回对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。静态特性标定的方法标定过程步骤：⑴将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点；⑵根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点的输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值；⑶将输入值由大到小一点一点的减少，同时记录下与各输入值相对应的输出值；⑷按⑵、⑶所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输出——输入测试数据用表格列出或画成曲线；⑸对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。2.3电阻式传感器

电阻式传感器的基本原理是将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经过转换电路变成电量输出。测量原理应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将测量物体变形转换成电阻变化的传感器。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2.3.1应变式传感器当电阻丝受到拉力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。k0称为灵敏度系数金属材料半导体材料用应变片测量时，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

说明（1）敏感栅

感受应变，并将应变转换为电阻的变化。（2）基底

绝缘及传递应变。测量时应变片的基底通过粘结剂粘在试件上，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。应变片的粘贴粘贴在应变变化均匀且较大的地方。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a）回线式：横向效应较大b）短接式：克服横向效应金属丝式应变片材料要求：灵敏系数高、电阻率高、稳定性好、温度系数小、机械强度高、抗氧化、耐腐蚀。2.金属箔式应变片箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电阻箔材，利用照相制版或光刻技术，制成各种需要的形状。优点：①可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅；②与被测件粘结面积大；②散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；④横向效应小；⑥蠕变和机械滞后小，寿命长。缺点：电阻值的分散性大3.金属薄膜应变片

采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1微米以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，可在-197～317℃温度范围内工作。存在问题：温度稳定性差三、金属应变片的主要特性****(一)灵敏系数

定义:应变片安装于试件表面,在其轴线方向的单向应力作用下,应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比.灵敏系数由实验确定。实验发现，实际应变片的K值比单丝的K值要小，造成此现象原因是横向效应。还有粘结层传递变形失真。(二)横向效应将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称横向效应。定性分析当将应变片粘贴在被测试件上时,由于其敏感栅是由n条长度为l1的直线段和（n-1）个半径为r的半圆组成,若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变εx时,则各直线段的电阻将增加,但在半圆弧段则受到从+εx到-εy之间变化的应变。

总的作用结果：将直的电阻丝绕成敏感栅后,虽然长度不变,应变状态相同,但圆弧段横向收缩引起阻值减小量对轴向伸引起阻值增加量起着抵消作用。因而同样应变阻值变化减小，K值减小，此现象为横向效应。横向效应在圆弧段产生，消除圆弧段即可消除横向效应。

(三)机械滞后、零漂和蠕变加载和卸裁特性曲线之间的最大差值称为应变片的滞后值。粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定没有机械应变的情况下，电阻值随时间变化的特性称为应变片的零漂。粘贴在试件上的应变片，温度保持恒定，在承受某一恒定的机械应变，其电阻值随时间变化而变化的特性称为应变片的蠕变。一般来说，蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。(四)应变极限和疲劳寿命

应变极限是指在一定温度下,应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围时的最大真实应变值。对于已安装的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数称为应变片的疲劳寿命。（五）最大工作电流和绝缘电阻绝缘电阻是指应变片的引线与被测件之间的电阻值。最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流。工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高，但过大的电流会把应变片烧毁。（六）应变片的电阻值应变片在未经安装也不受外力情况下,于室温下测得的电阻值,是使用应变片时需知道的一个特性参数.(六)动态响应特性电阻应变片在测量频率较高的动态应变时，应考虑其动态特性。动态应变是以应变波的形式在试件中传播的，它的传播速度与声波相同。为什么要有电桥呢？应变效应R/R=k

其中k2，（应变片的灵敏系数）

一般取10~3000

（弹性元件的应变）。若R=120,=1000,R/R=2100010–6=0.002,则R=0.002120=0.24一般电桥分为直流电桥交流电桥四、转换电路（一）直流电桥电路是由4个电阻组成的四边形电路，一般来说输出端接在阻抗较高的放大器或仪表上，所以输出端相当于开路，没有电流，根据分压定律R1R2R3R4UU0ACDB在ADC支路上，在ABC支路上，实际测量时，为保证测量的准确性，在实测前应使电桥平衡，使输出电压的变化只与应变片感受应变所引起的电阻变化有关。电桥平衡：在R=0时，输出电压U0=0的状态。电桥平衡条件：R1R4=R2R3上式是合理布桥的依据，在不同受力条件下，提高电桥的灵敏度，解决温度补偿等问题都要根据上式来分析和计算。上式的特点是：相邻相减，相对相加。运用上式时，注意各部分量值的极性（即正、负号要清楚）。一般为等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R，而且Ri«R(i=1,2,3,4)，高阶微量的影响较小，可略去，同时利用平衡条件，有a.单臂工作：即只有一个桥臂为工作臂（如R1

有R1的变化），其它为标准电阻（不是应变片）。则b.相邻两臂工作：R1，R2为工作片，R3，R4为标准电阻，此时没有意义，应避免。可见灵敏度比单臂工作时提高了一倍。例1.利用半桥进行温度补偿将R1，R2放在相同的温度场中，R1感受应变的变化。对于R1有R1工作片FR2补偿片补偿块对于R2有温度影响通过电桥相互抵消，U0只反映应变的变化。例2.半桥进行补偿（另一种方法）既实现了温补，又实现了提高灵敏度的作用。R1（拉）R2（压）Fc.相对两臂工作：R1，R4工作片，R2，R3为标准电阻，不能实现温补,但灵敏度提高了一倍。要提高灵敏度，应使相邻两臂的变化相反，相对两臂的变化相同。当时，d.全桥工作：即四个臂均为工作臂，分别有R1，R2，R3，R4的变化，此时有解既提高了灵敏度，又实现了温度补偿。R1（R4）FR1（R2）R2（R3）R4（R3）例3.全桥测纯弯曲（上拉下压）f.最一般的情况因为分母中R1-R20，

R3-

R40，所以存在非线性。虽然也称全桥，但则再举几例

1.纯弯曲悬臂梁测力。当F力有偏斜时，即有一分力，造成12，相邻两臂联接可消除拉伸变形的影响。从而只测量出纯弯曲的变形，同时输出电压增加一倍，可温补。这样布桥具有一定的抗偏载能力。R2R1FF'2.杆受拉伸变形当作用力F不是绝对在轴线方向，有时若有弯曲变形的影响也可以消除。R4（R2）R1FFR4R1FFF'F'R1，R4（相对桥臂）接入电路,电桥输出电压？若误将接入电路，电桥输出电压?R1，R2（相邻两臂）电桥灵敏度

这里假设电桥的一臂R1为电阻应变片，应变片工作时，其电阻变化，此时电桥失去平衡，输出电压为：设桥臂比n=R2/R1,忽略分母中ΔR1/R1。由电桥平衡条件R4/R3＝R2/R1＝n。

电桥灵敏度定义为：当R1=R2，R3=R4时,电桥电压灵敏度最高,此时有n＝1时的电桥，称为对称电桥，常采用这种电桥的形式。（三）交流电桥采用交流电源供电，各桥臂用阻抗形式，则Z1Z2Z3Z4ÙÙ0ACDB~分析和计算要视情况而定。此时平衡条件为：而阻抗可用复数表示:平衡条件为:①敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示式中:αt——金属丝的电阻温度系数;Δt—温度变化值,Δt＝t－t0。当温度变化Δt时引起电阻相对变化为：温度误差及其补偿

（一）温度误差应变片电阻值随温度变化的特性称为温度特性，由此引起的误差称为温度误差，又称热输出。因环境温度改变引起电阻变化的主要因素有两个：②环境温度变化时，试件材料的线膨胀引起的误差——应变片灵敏系数——试件膨胀系数——应变片敏感栅材料的膨胀系数因此，由于温度变化形成总的电阻相对变化（虚应变）为当温度变化时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化为：例如：康铜丝的t=2010-6/C，当t=1C时，(R/R)1=tt=

2010-6，若应变片灵敏系数k=2，由于电阻变化引起的应变误差为可达10之多。再如：试件为钢材，电阻丝为康铜丝，g=1110-6/C，s=1510-6/C，当t=1C，k=2时，(R/R)