传感器技术-第三章

第三章电阻式传感器电阻式传感器3.1电阻应变片3.1.1应变电阻效应电阻式传感器

导体或半导体材料在外界力（拉力或压力）的作用下产生机械变形，机械变形会导致其电阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。电阻式传感器当材料受到轴向力而被拉伸（或压缩）时，其l、A和均发生变化，因而电阻随之发生变化。对上式取对数后再作微分，即式中，材料的轴向线应变，常用单位（1=110-6mm/mm）

（3.2）其中，r

导体的半径；

导体材料的泊松比。所以，对于金属导体或半导体，上式中电阻率相对变化的受力效应是不一样的，分别讨论如下：（3.3）电阻式传感器

金属材料的应变电阻效应通过实验研究发现，金属材料的电阻率相对变化与其体积相对变化之间有如下关系式中，C

由一定的材料和加工方式决定的常数。（3.4）（3.5）代入式(3.3)，并考虑实际上RR，故可得式中，

金属丝材料的应变灵敏系数电阻式传感器上式表明：金属材料的电阻相对变化与其线性应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。电阻式传感器

半导体材料的应变电阻效应半导体单晶Si、Ge等材料在外力作用下电阻率将发生变化，这种现象称为压阻效应。（3.6）式中，作用于材料的轴向应力；

半导体材料在受力方向的压阻系数；

E

半导体材料的弹性模量。电阻式传感器将式(3.6)代入式(3.3)，可得（3.7）式中，

半导体材料的应变灵敏系数。因此，金属和半导体的应变电阻效应为，式中，K0

导电材料的灵敏系数。

金属材料金属丝材的应变电阻效应以几何尺寸变化为主。电阻式传感器

灵敏系数的讨论它由两部分组成：前部分为受力后金属丝几何尺寸变化所致；后部分为电阻率随应变而变的部分。>>它由两部分组成：前部分为受力后半导体几何尺寸变化所致；后部分为半导体材料的压阻效应所致。电阻式传感器半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。

半导体材料<<电阻式传感器使用应变片测量应变或应力时，是将应变片牢固地粘贴在被测弹性元件上，当元件受力变形时，应变片随之相应变形，从而引起电阻的变化。当测得应变片电阻值变化量为ΔR时，便可得到被测对象的应变值，根据应力与应变的关系，得到应力值σ。3.1.2测试原理通过弹性敏感元件的作用，将位移、力矩、压力、加速度等参数转换为应变，因此可将应变片由测量应变扩展到测量能引起应变的各种参量，从而形成各种电阻应变式传感器。电阻式传感器3.1.3电阻应变片的结构和类型

应变片的结构利用导电材料的应变电阻效应，可以制成测量元件表面应变的传感元件。为在较小的尺寸范围内敏感有较大的输出，通常把应变丝制成栅状的应变传感元件，即电阻应变片（也称应变片或应变计）。引线盖层基底敏感栅金属丝式应变片：一般以使用面积（lb）和敏感栅的电阻值来表示。阻值一般在100Ω以上。1.敏感栅应变片中实现应变－电阻转换的传感元件。它通常由直径0.015～0.05mm的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。电阻式传感器对制作敏感栅材料的要求：灵敏系数K和电阻率尽可能高而稳定，且K在很大范围内为常数，即电阻变化率与应变之间在较大范围内具有良好的线性关系；电阻温度系数小，电阻－温度间的线性关系和重复性好，与其它金属之间的接触热电势小；机械强度高，辗压及焊接性能好，抗氧化、抗腐蚀能力强，机械滞后微小，价格便宜。电阻式传感器2.基底：为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常将粘结剂将它固结在纸质或胶质的基底上。应变片工作时，基底起着把元件应变准确地传递给敏感栅的作用。为此基底必须很薄，一般为0.02～0.04mm。3.引线：起着敏感栅和测量电路之间的过渡连接和引导作用。4.盖层：用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层。5.粘结剂：在制造应变片时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；在使用应变片时，用它把应变片基底再粘贴在元件表面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。电阻式传感器回线式敏感栅短接式敏感栅回线半径r：0.1～0.3mm横向效应敏感栅平行排列，两端用直径比栅丝直径大5～10倍的镀银丝短接而成。克服了横向效应。

应变片的类型金属丝式电阻式传感器通过光刻腐蚀技术将厚度为0.003～0.01mm金属箔片制成所需的各种图形的敏感栅，亦称应变花。优点：与被测试件粘贴面积大，传递试件应变性能好；散热条件好；横向效应小；蠕变较小。金属箔式金属薄膜应变片采用真空溅射或真空沉积的方法，将产生应变的金属或合金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂，薄膜厚度在0.1m以下。这种应变片的灵敏系数高，允许工作电流密度大，工作温度范围宽，可达－197C～317C电阻式传感器利用半导体压阻效应制成的一种转换元件。具有灵敏系数高、机械滞后小、体积小及耗电量少等优点。半导体应变片的电阻温度系数大,非线性大。随着半导体IC工艺发展，相继出现了扩散型、外延型和薄膜型半导体应变片。电阻式传感器半导体应变片半导体敏感条引线基底电阻式传感器3.1.4电阻应变片的主要特性

灵敏系数（K）当具有初始电阻R的应变片粘贴于元件表面时，元件受力引起的应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化。在一定的应变范围内，有如下关系：式中，x—应变片轴向应变；

—应变片的灵敏系数。它表示安装在被测元件上的应变片，在其轴向受到单向应力时引起的电阻相对变化（），与此单向应力引起的元件表面轴向应变（x）之比。电阻式传感器

需要注意的是，应变片的灵敏系数K并不等于其敏感栅应变丝的灵敏系数K0，一般情况下，KK0。因为在单向应力产生双向应变的情况下，K除了受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。应变片的标定：应变片的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。因此，K值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件下通过实测确定，故K又称标定灵敏系数。

横向效应及横向效应系数（H）电阻式传感器敏感栅轴向纵栅：轴向拉应变x

，电阻增加圆弧横栅：横向压应变y，电阻减小εyεx应变片在感受被测试件的应变时，横向应变将使其电阻变化率减小，从而降低灵敏系数的现象称为应变片的横向效应。电阻式传感器总电阻相对变化为式中，Kx

—纵向灵敏系数，当εy＝0时，单位轴向应变引起的电阻值相对变化；

Ky

—横向灵敏系数，当εx＝0时，单位横向应变引起的电阻值相对变化；

a＝εy／εx—双向应变比；

H

＝Ky

／Kx

—双向应变灵敏系数比。

电阻式传感器

横向效应降低了电阻应变片的灵敏系数，带来测量误差，所以要减小H。当a＝εy／εx＝－0，则在单向应力、双向应变情况下，横向应变总是起着抵消轴向应变的作用。横向效应的大小用横向效应系数H来表示，即敏感栅的纵栅l0愈长，而横栅r愈小，则H愈小。因此，采用短接式或直角式横栅，可有效地克服横向效应的影响。电阻式传感器短接式直角式箔式电阻式传感器

机械滞后（Zj）对于已安装在元件表面的应变片，在温度恒定时，增加或减少机械应变过程中，在同一机械应变量的作用下指示应变的差数，称为应变片的机械滞后。造成机械滞后的原因：敏感栅、基底和粘合剂再承受机械应变后留下的残余变形。

蠕变（）和零漂（P0）对于已安装在试件表面的应变片，在恒温恒载条件下，指示应变量随时间单向变化的特性称为蠕变。当试件初始空载时，应变片指示仍会随时间变化的现象称为零漂。蠕变和零漂是衡量应变片时间稳定性的指标。电阻式传感器3.2电阻应变片的测量电路电阻应变片把机械应变信号转换成R/R后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用测量电路把应变片的R/R变化转换成可用的电压或电流输出。电阻式传感器直流电桥R1R2R3R4BDUoUiACRLIo－＋a.电桥平衡条件当电桥平衡时,Uo=0,则有：R1R4=R2R3欲使电桥平衡,其相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积相等，此时可使得流过负载电阻RL的电流为零。或电阻式传感器b.电压灵敏度R1R2R3R4BDUoUiACRLIo－＋以单臂电桥为例当R1产生应变时,若应变片电阻变化为ΔR1，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo≠0。电桥不平衡输出电压为:设桥臂比n=R2/R1，考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3，且ΔR1/R1很小可忽略。电阻式传感器电桥电压灵敏度定义为：因此，电桥不平衡输出电压为:电桥电压灵敏度K正比于电桥供电电压Ui；

电桥电压灵敏度K=K(n)，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。当R1=R2=R3=R4时,电桥电压灵敏度最高（n＝1）,。c.非线性误差及其补偿方法电阻式传感器理想值实际值全等臂电桥R1=R2=R3=R4,则非线性误差（n=R2/R1=R4/R3）电阻式传感器差动电桥法是利用电桥输出特性中的相对臂与相邻臂之“和”、“差”特征，通过应变片的合理布片与接桥达到补偿目的。若将电桥四臂接入四个应变片,即两个受拉应变，

两个受压应变,将两个应变符号相同的接入相对桥臂上,构成全桥差动电路。补偿方法—差动电桥R2－R2R4+R4abUoUiR1+R1全桥差动电路R3－R3电阻式传感器若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2