傳感及微傳感基礎(chǔ)--電阻式傳感器

1、電阻式傳感器小組成員：u電阻傳感器的基本原理，結(jié)構(gòu)和靜態(tài)動態(tài)特性u電阻傳感器的測量電路及誤差分析u電阻傳感器的應(yīng)用電阻式傳感器 電阻式傳感器是一種能把非物理量（如位移，力，壓力，加速度，扭矩等）轉(zhuǎn)換成與之有確定關(guān)系的電阻量，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成便于記錄的電壓（電流）信號的一種裝置。 電阻式傳感器種類較多，主要有變阻器式，電阻應(yīng)變式和固態(tài)壓阻式傳感器等三種類型。 變阻式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，輸出信號功率大，被測量與轉(zhuǎn)換量間容易實現(xiàn)線性或某些確定的函數(shù)關(guān)系。但由于電位器可靠性差，干擾（噪聲）大，壽命短，比其它類型的電阻式傳感器性能要差一些，故其應(yīng)用范圍在逐漸縮小。 應(yīng)變式傳感器是利用金屬的電阻

2、應(yīng)變效應(yīng)將被測量為電量輸出的一種傳感器。這類傳感器結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕，使用方便，性能可靠，分辨力高，靈敏度高，價格便宜，工藝成熟，因此在航空航天，機械，化工，建筑，醫(yī)學等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器具有悠久的歷史，是應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。將電阻應(yīng)變片粘貼到各種彈性敏感元件特定表面上，當加速度，力，力矩，壓力及流量等物理量作用于彈性元件時會導致應(yīng)力和應(yīng)變的變化，進而引起電阻應(yīng)變片電阻的變化。電阻的變化經(jīng)電路處理后以電信號的方式輸出，這就是電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理。利用應(yīng)變式變換原理實現(xiàn)的傳感器稱為應(yīng)變式傳感器。金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)u 電阻應(yīng)變式的工作原理是基于金屬的應(yīng)

3、變效應(yīng)。金屬絲的電阻隨著它所受的機械變形（拉伸或壓縮）的大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。u由物理學已知，一根金屬絲的電阻為 R-金屬絲的電阻；AlRdAdAldlRdR 當電阻絲受到拉力當電阻絲受到拉力F作用時，作用時，將伸長將伸長dl，橫截面積相應(yīng)減小，橫截面積相應(yīng)減小dA，電阻率因材料晶格發(fā)生，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了變形等因素影響而改變了d，從而引起電阻值相對變化量為：從而引起電阻值相對變化量為： ll+dl2r2(r-dr)F圖圖 導體受拉伸后的參數(shù)變化導體受拉伸后的參數(shù)變化6 則： 由于E(1+2)E(1+2)，因此半導體絲材的靈敏系數(shù)KsEKsE?？梢?/p>

4、，半導體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)主要基于壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)。通常Ks=(50Ks=(5080)Km80)Km。)21 (ERdRdR 7u有上面公式可以看出：金屬絲的靈敏系數(shù)Ks受兩個因素影響，第一項（1+2u）是由于材料的幾何尺寸發(fā)生變化；第二項是由于材料的變形，導致材料電阻率發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變片測量應(yīng)變的理論基礎(chǔ)。電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)與類型圖 典型應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)及組成(a)(a)絲式 (b) (b)箔式 (c) (c)半導體1 1敏感柵 2 2基底 3 3引線 4 4蓋層 5 5粘結(jié)劑 6 6電極9結(jié)構(gòu)：(1)(1)敏感柵: :實現(xiàn)試件表面應(yīng)變電阻轉(zhuǎn)換的敏感元件。通常由直徑為0.0150.0150

5、.05mm0.05mm的金屬絲繞成柵狀，或用金屬箔腐蝕成柵狀。(2)(2)基底: :為保持敏感柵固定的形狀、尺寸和位置，通常用粘結(jié)劑將其固結(jié)在紙質(zhì)或膠質(zhì)的基底上。基底必須很薄，一般為0.020.020.04mm0.04mm。 (3)(3)引線: :起著敏感柵與測量電路之間的過渡連接和引導作用。通常取直徑約0.10.10.15mm0.15mm的低阻鍍錫銅線，并用釬焊與敏感柵端連接。10(4)(4)蓋層：用紙、膠作成覆蓋在敏感柵上的保護層；起著防潮、防蝕、防損等作用。(5)(5)粘結(jié)劑：制造應(yīng)變計時，用它分別把蓋層和敏感柵固結(jié)于基底；使用應(yīng)變計時，用它把應(yīng)變計基底粘貼在試件表面的被測部位。因此它也

6、起著傳遞應(yīng)變的作用。常用的粘結(jié)劑分為有機和無機兩大類。有機粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機硅樹脂，聚酰亞胺等。無機粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。11金屬箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片應(yīng)變式傳感器的特點：u測量應(yīng)變式的靈敏度和準確度高，性能穩(wěn)定可靠。u應(yīng)變片尺寸小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，測量速度快。u測量范圍廣?？蓽y量彈性形變，也可測量塑性形變。u適應(yīng)性強，可在高溫，超低溫，高壓，水下，強磁場以及核輻射等惡劣環(huán)境下使用。u便于多點測量，遠距離測量和遙測。u價格便宜，品種多，工藝成熟，便于選擇和使用，可以測量各種物理量。2.2應(yīng)變片的靜態(tài)特性1 .應(yīng)

7、變片的電阻值R。：應(yīng)變片的電阻值大，可以加大應(yīng)變片承 受的電壓，從而可以提高輸出信號，但一般情況下其相應(yīng)的敏感柵的尺寸也要隨之增大。2.絕緣電阻：絕緣電阻是敏感柵和基底之間的電阻值。3.靈敏系數(shù)K:當應(yīng)變片應(yīng)用于試件表面時，在其軸線方向上的單向受力作用下，應(yīng)變片的電阻值相對變化與試件表面上粘貼應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變值比，稱為靈敏系數(shù)。4.橫向效應(yīng)及橫向效應(yīng)系數(shù)： 金屬應(yīng)變片的敏感柵通常都呈柵狀。它由軸向縱刪和圓弧橫柵組成。粘貼在試件表面上的應(yīng)變片，其縱柵和橫柵對應(yīng)的變化，從而引起電阻的變化H雙向靈敏系數(shù)比 標定情況下：可見，橫向效應(yīng)使傳感器的靈敏度系數(shù)下降，必須使H減小 理論分析和實驗表明，對絲

8、繞式應(yīng)變片的長度要長、橫柵要小，則H愈小。0(1)xxR RKH(1)xxyyxxR RKKKaH 5.機械滯后（回差）原因：基底材料、粘結(jié)劑的材料、殘余變形通常要求：jZ10jZjZ卸載加載真實應(yīng)變真實應(yīng)變指示應(yīng)變指示應(yīng)變0u允許電流：允許電流是指應(yīng)變片不因電流產(chǎn)生的熱量而影響測量精度所允許通過的最大電流。u7.應(yīng)變極限：應(yīng)變片測量的應(yīng)變范圍是有一定限度的，應(yīng)變片的線性特性，只有在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)才能保持。在恒溫條件下，是非線性誤差達到10%時的真實應(yīng)變值，稱之為應(yīng)變極限。u8.蠕變和零漂： 蠕變 與零漂 零漂和蠕變反映傳感器的長期穩(wěn)定性應(yīng)變片承受一恒定的機械應(yīng)變，這是指示應(yīng)變隨時間變化的特

9、性參數(shù)稱為蠕變。當試件空載時，應(yīng)變片示值仍會隨時間變化的現(xiàn)象稱為零漂0P0P10%真實應(yīng)變指示應(yīng)變2.3應(yīng)變片的動態(tài)特性u傳播u1.應(yīng)變波在試件材料中的傳播：傳播速度與聲波相同。u2.應(yīng)變波在粘接層和應(yīng)變片基片中的傳播：傳播時間極端可以不計。u3.應(yīng)變波在應(yīng)變片線柵長度內(nèi)的傳播只有當應(yīng)變波通過應(yīng)變片全部長度后，應(yīng)變片所反映的波形才能達到最大值，這就會有一定的時間延遲，將對動態(tài)測量產(chǎn)生影響。u應(yīng)變片工作頻率范圍的估算u1.正弦應(yīng)變波 對正弦信號的響應(yīng)一頻率為f，幅值為0的正弦波，以速度v沿著應(yīng)變計縱向x方向傳播時，在某一瞬時t：應(yīng)變計中點xt的瞬時應(yīng)變?yōu)?而柵長l范圍xt（l/2）內(nèi)的平均應(yīng)變?yōu)?/p>

10、相對誤差為：上式表明，當頻率增加時，誤差增大,因此應(yīng)使：012sinsinptlxlldxl21sin16pttlllfe max6lle max6fel0sin(2 / )ttx 疲勞壽命應(yīng)變計的疲勞壽命是指：在恒定幅值的交變應(yīng)力作用下，應(yīng)變計連續(xù)工作，直至產(chǎn)生疲勞損壞時的循環(huán)次數(shù)。當應(yīng)變計出現(xiàn)以下三種情形之一者，即可認為是疲勞損壞：（1）敏感柵或引線發(fā)生斷路；（2）應(yīng)變計輸出幅值變化 10%；（3）應(yīng)變計輸出波形上出現(xiàn)穗狀尖峰。 測量電路及其分析2.4測量電路測量電路直流電橋及其輸出特性電橋平衡的條件： 相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，或相對兩臂電阻的乘積相等。電壓輸出橋的輸出特性輸出電壓：13

11、24R RR R313242034123412()RR RR RRUUURRRRRRRR1423RRRR如果只有一個臂工作，如R1，則：因此，單臂電橋的電壓靈敏度為： 111011111424RURRUURRR1014uURSUR 代入R：分子分母同除以R1R3,并略去高除微量得：如果為全等臂電橋，n=1，則：可簡寫為（ Ri Ri）： 11332244033441122RRRRRRRRUURRRRRRRR312421234031241234111RRRRnURRRRnURRRRnnRRRR331241240123412341142RRRRRRRRUURRRRRRRR3124012341234

12、44RRRRUUUKRRRRu電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越高，電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓的提高受到應(yīng)變片允許功耗的限制；u電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度u當供橋電壓和電阻相對變化一定時，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂阻值大小無關(guān)。 n =1時，時，Su 為最大為最大 和差特性 非線性特性從上述各式可看出，只有R很小時，橋路的輸出才為線性非線性誤差為3124012344RRRRUURRRR11111100110111142424RRRUURRRUUKeRUUKR采用金屬應(yīng)變計，減小R，在一定精度條件下可

13、免去補償措施 半導體應(yīng)變計雖然靈敏度高，但非線性誤差大 非線性補償差動電橋補償采用恒流源交流電橋交流電橋u交流電橋平衡條件：平衡條件與直流情況相似。u電橋的調(diào)平： 1.電阻調(diào)平 2.并阻調(diào)平 3.電容調(diào)平 差動電路：是消除非線性誤差的有效措施。應(yīng)變片的溫度效應(yīng)及補償用應(yīng)變片測量時，由于環(huán)境溫度變化所引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，從而產(chǎn)生很大的測量誤差，稱應(yīng)變片的溫度誤差，又稱熱輸出。溫度誤差產(chǎn)生的原因 溫度變化引起應(yīng)變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應(yīng)變試件材料與敏感材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變溫度補償方法：溫度誤差自補償法：（1） 單絲自補償法 從上式可

14、以看出，對于給定的試件,g一定，適當選取柵絲的溫度系數(shù)t及膨脹系數(shù)s，使 t =-k(g- s)，可補償溫度誤差。雙絲自補償應(yīng)變片： 應(yīng)變片敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成。通過試驗與計算，調(diào)整R1與R2的比例，使溫度變化時產(chǎn)生的電阻變化橋路補償法：雙絲半橋式補償塊法差動電橋補償熱敏電阻補償：熱敏電阻 Rt 與應(yīng)變片處在相同的溫度下，當應(yīng)變片的靈敏度隨溫度升高而下降時，熱敏電阻的阻值下降，使電橋的輸入電壓隨溫度升高而增加，從而提高電橋輸出電壓。選擇分流電阻 R5 的值，可以使應(yīng)變片靈敏度下降對電橋輸出的影響得到很好的補償。此方法的缺點是不能補償因溫度變化引起的電橋不平衡。 應(yīng)變片的選

15、用與粘貼應(yīng)變片的種類：金屬電阻應(yīng)變片和半導體應(yīng)變片兩大類常見的為：金屬絲式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片金屬薄膜應(yīng)變片半導體應(yīng)變片：體型半導體應(yīng)變片，薄膜型半導體應(yīng)變片，擴散型半導體應(yīng)變片應(yīng)變片粘貼工藝試件的表面處理，應(yīng)變片位置確定，貼片、干燥固化，質(zhì)量檢查，引線的焊接和固定，應(yīng)變片的防護屏蔽。應(yīng)變片傳感器的種類：應(yīng)變式測力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式位移傳感器其他應(yīng)變式傳感器 電阻式傳感器的應(yīng)用1、電阻式觸摸屏電阻式觸摸屏分類 四線：四線觸摸屏包含兩個阻性層。其中一層在屏幕的左右邊緣各 有一條垂直總線，另一層在屏幕的底部和頂部各有一條水平 總線。五線：五線觸摸屏使用了一個阻性層和一個導電層。導電層有一

16、個 觸點，通常在其一側(cè)的邊緣。阻性層的四個角上各有一個觸 點。七線：七線觸摸屏的實現(xiàn)方法除了在左上角和右下角各增加一根線 之外，與五線觸摸屏相同。八線：除了在每條總線上各增加一根線之外，八線觸摸屏的實現(xiàn)方 法與四線觸摸屏相同。電阻觸摸屏結(jié)構(gòu)電阻式觸摸屏屏體部分是一塊與顯示器表面非常配合的多層復合薄膜，其中第一層為玻璃或有機玻璃底層，第二層為隔層，第三層為多元樹脂表層，表面還涂有一層透明的導電層，上面再蓋有一層外表面經(jīng)硬化處理、光滑防刮的塑料層。 電阻式觸摸屏工作原理電阻觸摸屏主要是通過壓力感應(yīng)原理來實現(xiàn)對屏幕內(nèi)容的操作和控制的。輕觸表層壓下時，接觸到底層，控制器同時從四個角讀出相稱的電流及計算

17、手指位置的距離。當手指觸摸屏幕時，平常相互絕緣的兩層導電層就在觸摸點位置有了一個接觸，因其中一面導電層接通Y軸方向的5V均勻電壓場，使得偵測層的電壓由零變?yōu)榉橇?，控制器偵測到這個接通后，進行A/D轉(zhuǎn)換，并將得到的電壓值與5V相比，即可得觸摸點的Y軸坐標，同理得出X軸的坐標。所有的電阻式觸摸屏都采用分壓器原理來產(chǎn)生代表X坐標和Y坐標的電壓。如下圖所示，分壓器是通過將兩個電阻進行串聯(lián)來實現(xiàn)的。上面的電阻(R1)連接正參考電壓(VREF)，下面的電阻(R2)接地。兩個電阻連接點處的電壓測量值與下面那個電阻的阻值成正比。為了在電阻式觸摸屏上的特定方向測量一個坐標，需要對一個阻性層進行偏置：將它的一邊接

18、VREF，另一邊接地。同時，將未偏置的那一層連接到一個ADC的高阻抗輸入端。當觸摸屏上的壓力足夠大，使兩層之間發(fā)生接觸時，電阻性表面被分隔為兩個電阻。它們的阻值與觸摸點到偏置邊緣的距離成正比。觸摸點與接地邊之間的電阻相當于分壓器中下面的那個電阻。因此，在未偏置層上測得的電壓與觸摸點到接地邊之間的距離成正比。檢測有無接觸所有的觸摸屏都能檢測到是否有觸摸發(fā)生，其方法是用一個弱上拉電阻將其中一層上拉，而用一個強下拉電阻來將另一層下拉。如果上拉層的測量電壓大于某個邏輯閾值，就表明沒有觸摸，反之則有觸摸。這種方法存在的問題在于觸摸屏是一個巨大的電容器，此外還可能需要增加觸摸屏引線的電容，以便濾除LCD引入的噪聲。弱上拉電阻與大電容器相連會使上升時間變長，可能導致檢測到虛假的觸摸。2、電子秤在電子秤中，傳感器是最關(guān)鍵的部件，也是設(shè)計中最難處理的環(huán)節(jié)，其性能的好壞直接決定了電子秤的性能。設(shè)計稱重傳