傳感器原理及電阻式傳感器

1、第六章第六章 傳感器原理傳感器原理6.1 傳感器基本概念傳感器基本概念 6.1.1傳感器的定義與組成傳感器的定義與組成 6.1.2傳感器的分類傳感器的分類 6.1.3傳感器的基本特性傳感器的基本特性6.1 傳感器基本概念傳感器基本概念6.1.1傳感器的定義與組成傳感器的定義與組成 一、傳感器的定義一、傳感器的定義 傳感器（傳感器（sensor）是把被測的物理量按）是把被測的物理量按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為相應的容易檢測、傳輸及處一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為相應的容易檢測、傳輸及處理的信號的裝置。理的信號的裝置。 它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)節(jié) 。6.1.1傳感器的定義與組

2、成傳感器的定義與組成 二二. .傳感器的組成傳感器的組成 傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換器件和其他傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換器件和其他輔助器件組成。輔助器件組成。 敏感元件敏感元件（Sensing elementSensing element） 傳感器中直接感受被測量并輸出與被測量傳感器中直接感受被測量并輸出與被測量成確定關(guān)系的其他量的部分。成確定關(guān)系的其他量的部分。 轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件（Transduction elementTransduction element） 能將敏感元件感受或響應的被測量轉(zhuǎn)換成能將敏感元件感受或響應的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。適于傳輸或測量的電信號部分。6

3、.1.2傳感器的分類傳感器的分類1.按工按工作原理作原理分類分類參量傳感器參量傳感器發(fā)電傳感器發(fā)電傳感器特殊傳感器特殊傳感器電阻式傳感器電阻式傳感器電容式傳感器電容式傳感器電感式傳感器等電感式傳感器等熱電偶傳感器熱電偶傳感器壓電式傳感器壓電式傳感器霍爾式傳感器等霍爾式傳感器等超聲波探頭超聲波探頭激光檢測等激光檢測等6.1.2傳感器的分類傳感器的分類2.按被測對象分類按被測對象分類速度傳感器速度傳感器溫度傳感器溫度傳感器壓力傳感器壓力傳感器流量傳感器等流量傳感器等3.傳感器與被測對傳感器與被測對象間的能量關(guān)系象間的能量關(guān)系分類分類能量轉(zhuǎn)換型傳感器能量轉(zhuǎn)換型傳感器能量控制型傳感器能量控制型傳感器6

4、.1.2傳感器的分類傳感器的分類 傳感器的分類方法很多，還有傳感器的分類方法很多，還有按信號變換特征、按傳感器輸出信按信號變換特征、按傳感器輸出信號的形式、按傳感器工作的物理基號的形式、按傳感器工作的物理基礎(chǔ)等分類方法。礎(chǔ)等分類方法。6.1.3傳感器的基本特性傳感器的基本特性 一、傳感器的一、傳感器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性 二、傳感器的二、傳感器的動態(tài)特性動態(tài)特性6.1.3傳感器的基本特性傳感器的基本特性 一、靜態(tài)特性一、靜態(tài)特性 傳感器在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)的輸入傳感器在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)的輸入輸輸出關(guān)系。對于理想傳感器，其靜態(tài)特性可用麥出關(guān)系。對于理想傳感器，其靜態(tài)特性可用麥克勞林技術(shù)表示：克勞林

5、技術(shù)表示： 只有當二階以上的項為只有當二階以上的項為0時，才滿足理想時，才滿足理想的線性關(guān)系。的線性關(guān)系。 6.1.3傳感器的基本特性傳感器的基本特性 衡量傳感器靜態(tài)特性的重要指標是線性度、靈敏衡量傳感器靜態(tài)特性的重要指標是線性度、靈敏度、精確度、重復性、遲滯性和分辨率。度、精確度、重復性、遲滯性和分辨率。 1.線性度線性度 又稱非線性誤差、非線性度，它表示傳感器特性又稱非線性誤差、非線性度，它表示傳感器特性曲線與刻度直線的偏離程度（圖曲線與刻度直線的偏離程度（圖6.1）其表達式為：）其表達式為： 線性度6.1.3傳感器的基本特性傳感器的基本特性圖6.1 傳感器的線性度 刻度直線（擬刻度直線（

6、擬合方法）可用最小合方法）可用最小二乘法、端基法、二乘法、端基法、切線法得到。切線法得到。6.1.3傳感器的基本特性傳感器的基本特性 2.2.精確度精確度 傳感器的精度是指測量結(jié)果的可靠程度，它以給傳感器的精度是指測量結(jié)果的可靠程度，它以給定的準確度表示重復某個讀數(shù)的能力，其誤差愈小，定的準確度表示重復某個讀數(shù)的能力，其誤差愈小，則精度愈高。一般用極限誤差或極限誤差與滿量程則精度愈高。一般用極限誤差或極限誤差與滿量程輸出之比的百分數(shù)表示：輸出之比的百分數(shù)表示：精確度=（極限誤差/量程）*100% 在應用中，為了簡化傳感器的精度的表示方法，在應用中，為了簡化傳感器的精度的表示方法，引用了精度等級

7、的概念，分為：引用了精度等級的概念，分為：0.050.05、0.10.1、0.20.2、0.30.3、0.50.5、1.01.0、1.51.5、2.02.0。精度等級越小精度越。精度等級越小精度越高。高。6.1.3傳感器的基本特性傳感器的基本特性 3.靈敏度靈敏度 表示在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，傳感器輸出變化表示在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，傳感器輸出變化與引起此變化的輸入變化的比值，與引起此變化的輸入變化的比值，K為靈敏度，為靈敏度，即即 6.1.3傳感器的基本特性傳感器的基本特性 4.重復性重復性 指在同一工作條件下，輸入量按同一方指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全量程范圍內(nèi)連續(xù)變動多次所得特性曲線向在

8、全量程范圍內(nèi)連續(xù)變動多次所得特性曲線的不一致性。特性曲線一致，則重復性好，測的不一致性。特性曲線一致，則重復性好，測量誤差小。量誤差小。（圖（圖6.26.2）右圖6.2重復性曲線6.1.3傳感器的基本特性傳感器的基本特性 5.遲滯性遲滯性 在輸入量增加過程中測得的某一點輸出在輸入量增加過程中測得的某一點輸出值，與在輸入減少過程測得的同一點值不一樣，值，與在輸入減少過程測得的同一點值不一樣，這種現(xiàn)象稱為滯后。圖這種現(xiàn)象稱為滯后。圖6.36.3曲線稱為滯環(huán)特性曲線稱為滯環(huán)特性曲線。曲線。右圖6.3滯環(huán)特性曲線6.1.3傳感器的基本特性傳感器的基本特性 6.分辨率分辨率 傳感器能感測到的測量值的最小

9、變化量，傳感器能感測到的測量值的最小變化量，因為變化量是無窮的，小數(shù)點后面有無窮位，因為變化量是無窮的，小數(shù)點后面有無窮位，但傳感器測量的輸出并不是無窮的變化量都能但傳感器測量的輸出并不是無窮的變化量都能分辨出來，能分辨的最小單位就是分辨率。分辨出來，能分辨的最小單位就是分辨率。 【例【例1】一光柵傳感器，測量長】一光柵傳感器，測量長度度10mm，最，最小測量距離小測量距離0.1um，求分辨率。，求分辨率。分辨率=（最小測量距離/測量長度）*100%=0.01%6.1.3傳感器的基本特性傳感器的基本特性 二、動態(tài)特性二、動態(tài)特性 指傳感器的輸出量對于隨時間變化的輸指傳感器的輸出量對于隨時間變化

10、的輸入量的響應特性。入量的響應特性。 傳感器的主要動態(tài)特性指標有：傳感器的主要動態(tài)特性指標有： （1）時域性能指標）時域性能指標 采用瞬態(tài)響應法（階采用瞬態(tài)響應法（階躍響應）躍響應） （2）頻域性能指標）頻域性能指標 采用頻率響應法（正采用頻率響應法（正弦響應）弦響應）6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 電阻式傳感器是將被測非電量轉(zhuǎn)換成電阻值變化電阻式傳感器是將被測非電量轉(zhuǎn)換成電阻值變化的器件或裝置。的器件或裝置。 被測量電阻式 傳感器 電阻值 電阻式傳感器可以測量力、應變、位移、加速電阻式傳感器可以測量力、應變、位移、加速度、扭矩、溫度等非電量參數(shù)。一般來說，電阻式傳度、扭矩、溫度等非電量參

11、數(shù)。一般來說，電阻式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，靈敏度較高，有的還適感器的結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，靈敏度較高，有的還適用于動態(tài)測量。用于動態(tài)測量。 6.2常用傳感器常用傳感器6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 一、應變片式傳感器一、應變片式傳感器 二、壓阻式傳感器二、壓阻式傳感器 三、其他電阻傳感器三、其他電阻傳感器6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 一、應變片式傳感器一、應變片式傳感器 1.電阻應變效應電阻應變效應 長為長為L、截面積為、截面積為A、電阻率為、電阻率為r r的金屬或半導體的金屬或半導體絲，絲，電阻為電阻為 若導線沿著軸線方向受到力的作用而產(chǎn)生變形，則若導線沿著軸線方向受到力的作用

12、而產(chǎn)生變形，則其電阻值也隨之發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為其電阻值也隨之發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為電阻應變效電阻應變效應應。6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 實驗證明，電阻絲及應變片的電阻相對變化量實驗證明，電阻絲及應變片的電阻相對變化量R/R與材料力學中的軸向應變與材料力學中的軸向應變的關(guān)系在一定范圍內(nèi)是的關(guān)系在一定范圍內(nèi)是線性的，即線性的，即 R/R=K（K電阻應變片的靈敏度） 對于不同的金屬材料，對于不同的金屬材料，K略微不同，一般為略微不同，一般為2左右。左右。而對半導體材料而言，由于其感受到應變時，電阻率而對半導體材料而言，由于其感受到應變時，電阻率會產(chǎn)生很大的變化，所以半導體材料靈敏度比金屬

13、會產(chǎn)生很大的變化，所以半導體材料靈敏度比金屬材料大十幾倍。材料大十幾倍。6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 由材料力學可知，由材料力學可知，=F/(AE),則則R/R又又可表示為可表示為R/R=K(F/AE) 若應變片的靈敏度若應變片的靈敏度K和試件的橫截面積和試件的橫截面積A以及彈性模量以及彈性模量E均為已知，則只要測出均為已知，則只要測出R/R的數(shù)值，即可知試件受力的數(shù)值，即可知試件受力F的大小。的大小。例如可用于電子稱的稱重。例如可用于電子稱的稱重。6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 2.應變片的類型結(jié)構(gòu)應變片的類型結(jié)構(gòu)金屬應變片金屬應變片半導體應變片半導體應變片金屬絲式金屬絲式箔式箔式

14、薄膜式薄膜式6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 3.金屬應變片金屬應變片 （1）金屬絲式）金屬絲式 金屬絲式應變片使用最早，有紙基、膠基金屬絲式應變片使用最早，有紙基、膠基之分。由于金屬絲式應變之分。由于金屬絲式應變 片蠕變較大，金屬絲片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢。但價格易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢。但價格便宜，多用于應力、應變的大批量、一次性試便宜，多用于應力、應變的大批量、一次性試驗。如圖驗。如圖6.4所示所示6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器圖6.4 絲式電阻應變片l 稱應變片的標距或工作基長；b稱應變片的工作寬度6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 電阻絲較細，

15、直徑一般在電阻絲較細，直徑一般在0.0150.06 mm，兩端焊有較粗的低阻鍍錫銅絲兩端焊有較粗的低阻鍍錫銅絲( (直徑為直徑為0.10.2 mm) )作為引線，以便與測量電路連接。應變作為引線，以便與測量電路連接。應變片的規(guī)格一般是以使用面積和電阻來表示的，片的規(guī)格一般是以使用面積和電阻來表示的，如如PJ-120型金屬電阻應變片的規(guī)格為型金屬電阻應變片的規(guī)格為13 mm5 mm，120 W W。6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 （2）箔式）箔式 箔式應變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、箔式應變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔的材料多為電阻率高、腐蝕等工藝制成的。箔的材料多為電阻

16、率高、熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金。如圖熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金。如圖6.5所示所示圖6.5 箔式應變片6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 箔式應變片與金屬絲式應變片相比有如下箔式應變片與金屬絲式應變片相比有如下特點：特點： 敏感柵尺寸準確、線條均勻，大批量敏感柵尺寸準確、線條均勻，大批量生產(chǎn)時電阻值離散程度小?？筛鶕?jù)不同測量要生產(chǎn)時電阻值離散程度小?？筛鶕?jù)不同測量要求制成任意形狀。求制成任意形狀。 可制成基長很小的應變片?？芍瞥苫L很小的應變片。 敏感柵彎頭橫向效應可忽略。敏感柵彎頭橫向效應可忽略。6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 箔式應變片表面積大，散熱性能好，在箔式應變片表面積大，散熱性能好，在相

17、同斷面積情況下能通過較大的工作電流，從相同斷面積情況下能通過較大的工作電流，從而能增大輸出信號。而能增大輸出信號。 疲勞壽命長，機械滯后小，蠕變小。疲勞壽命長，機械滯后小，蠕變小。 便于批量生產(chǎn)，而且生產(chǎn)效率高。便于批量生產(chǎn)，而且生產(chǎn)效率高。6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器（3）薄膜式）薄膜式 它它是采用真空濺射或真空沉積等鍍膜技是采用真空濺射或真空沉積等鍍膜技術(shù)將應變電阻材料鍍在基底材料上而形成的術(shù)將應變電阻材料鍍在基底材料上而形成的( (厚度在零點幾厚度在零點幾nm到幾百到幾百nm) )。 這類應變片的顯著特點是靈敏系數(shù)大，允這類應變片的顯著特點是靈敏系數(shù)大，允許的電流密度大，工作溫度范

18、圍廣許的電流密度大，工作溫度范圍廣( (197317 ) )，也可用于核輻射等特殊情況下，易，也可用于核輻射等特殊情況下，易實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 4.半導體式應變片半導體式應變片 半導體應變片分為體型和擴散型。半導體應變片分為體型和擴散型。 體型：利用半導體材料的體電阻制成。體型：利用半導體材料的體電阻制成。如圖如圖6.6所示所示 擴散型：在半導體材料的基片上利用集擴散型：在半導體材料的基片上利用集成電路工藝制成。成電路工藝制成。圖6.6體型半導體式應變片6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 半導體應變片有如下半導體應變片有如下優(yōu)點優(yōu)點： 靈

19、敏度高。靈敏度高。 體積小，耗電省。體積小，耗電省。 具有兩種符號的應力效應具有兩種符號的應力效應( (即在拉伸時即在拉伸時P型硅應變片的靈敏系數(shù)為正值，型硅應變片的靈敏系數(shù)為正值，N型硅的為型硅的為負值負值) )。 主要缺點主要缺點是受溫度的影響大、非線性嚴是受溫度的影響大、非線性嚴重。重。6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 5.電阻應變片的性能參數(shù)電阻應變片的性能參數(shù) （1）電阻值：是指應變片在安裝前及室溫下測定的電電阻值：是指應變片在安裝前及室溫下測定的電阻值，也稱為阻值，也稱為初始電阻值初始電阻值。120 和和350 應用較多。應用較多。 （2）幾何參數(shù)：敏感柵基長）幾何參數(shù)：敏感柵基

20、長1和寬度和寬度b，制造廠常用，制造廠常用b*1表示。表示。 （3）靈敏系數(shù)：表示應變片變換性能的重要參數(shù)。）靈敏系數(shù)：表示應變片變換性能的重要參數(shù)。 （4）絕緣電阻：應變片與試件間的阻值，越大越好。）絕緣電阻：應變片與試件間的阻值，越大越好。一般大于一般大于1010 。 （5）其他性能參數(shù)（允許電流、工作溫度、應變極限、）其他性能參數(shù)（允許電流、工作溫度、應變極限、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命）滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命）6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 6.應變片基本工作特性應變片基本工作特性 （1）橫向效應）橫向效應 將電阻絲繞成敏感柵后，雖然長度不變，將電阻絲繞成敏感柵后，雖然長度

21、不變，但其直線段和圓弧段的應變狀態(tài)不同，其靈敏但其直線段和圓弧段的應變狀態(tài)不同，其靈敏系數(shù)較整長電阻絲的靈敏系數(shù)小，該現(xiàn)象稱為系數(shù)較整長電阻絲的靈敏系數(shù)小，該現(xiàn)象稱為橫向效應橫向效應。上圖為橫向效應的原理圖。上圖為橫向效應的原理圖。6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 （2）溫度效應）溫度效應 把應變片安裝在自由膨脹的試件上，即把應變片安裝在自由膨脹的試件上，即使試件不受任何外力作用，如果環(huán)境溫度發(fā)生使試件不受任何外力作用，如果環(huán)境溫度發(fā)生變化，應變片的電阻也將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象變化，應變片的電阻也將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應變片的稱為應變片的溫度效應溫度效應。由溫度變化引起的應。由溫度變化引起的

22、應變輸出稱為變輸出稱為熱輸出熱輸出，它是虛假應變，在測量中，它是虛假應變，在測量中須設(shè)法予以消除。須設(shè)法予以消除。6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 產(chǎn)生溫度誤差的原因主要有兩個：產(chǎn)生溫度誤差的原因主要有兩個： 敏感柵金屬絲本身的電阻隨溫度變化。敏感柵金屬絲本身的電阻隨溫度變化。 由于敏感柵材料的線膨脹系數(shù)由于敏感柵材料的線膨脹系數(shù)b b與試件材料與試件材料的線膨脹系數(shù)的線膨脹系數(shù)b b不同引起附加變形而使電阻變不同引起附加變形而使電阻變化化6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 （3）蠕變和零漂）蠕變和零漂 粘貼在試件上的應變片，在恒溫恒載條粘貼在試件上的應變片，在恒溫恒載條件下，指示應變量隨時

23、間單向變化的特性稱為件下，指示應變量隨時間單向變化的特性稱為蠕變。蠕變。 當試件初始空載時，應變片示值仍會隨時當試件初始空載時，應變片示值仍會隨時間變化的現(xiàn)象稱為零漂。間變化的現(xiàn)象稱為零漂。6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 （4）滯后）滯后 恒溫條件下，試件承受加恒溫條件下，試件承受加/卸載特性曲線卸載特性曲線不重合的特性。這種不重合性用滯后來衡量。不重合的特性。這種不重合性用滯后來衡量。實測中，可在測試前通過多次重復預加、卸載，實測中，可在測試前通過多次重復預加、卸載，來減小機械滯后產(chǎn)生的誤差來減小機械滯后產(chǎn)生的誤差 6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 7.測量橋路測量橋路 （1）單臂半橋

24、）單臂半橋 R1為應變片，其余電阻為應變片，其余電阻 為固定電阻。為固定電阻。6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 （2）雙臂半橋）雙臂半橋 R1、R2為應變片，為應變片，R3、R4為固定電阻。為固定電阻。應變片應變片R1、R2感感受到受到的應變以及產(chǎn)生電阻的應變以及產(chǎn)生電阻增量正負號相間，可增量正負號相間，可以使輸出電壓成倍增以使輸出電壓成倍增大。大。6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 （3）四臂全橋）四臂全橋 全橋的四個橋臂全橋的四個橋臂均為應變片，如果設(shè)均為應變片，如果設(shè)法使試件受力后，應法使試件受力后，應變變片片R1R4產(chǎn)生的電產(chǎn)生的電阻增量正負號相間，阻增量正負號相間，即可使輸出電壓成

25、倍即可使輸出電壓成倍增大增大6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 （4）橋路溫度補償原理）橋路溫度補償原理 環(huán)境溫度升高時，環(huán)境溫度升高時，橋臂上的應變片溫度同橋臂上的應變片溫度同時升高，溫度引起的電時升高，溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，可阻值漂移數(shù)值一致，可以互相抵消，所以全橋以互相抵消，所以全橋溫漂較小；雙臂半橋也溫漂較?。浑p臂半橋也同樣能克服溫漂。同樣能克服溫漂。6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器8.應變片的應用應變片的應用 應變片的應用可分為兩大類：應變片的應用可分為兩大類：第一類是第一類是將應變片粘貼與某些彈性體上將應變片粘貼與某些彈性體上，并將其接到測，并將其接到測量轉(zhuǎn)換電路，這樣就

26、構(gòu)成測量各種物理量的專量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測量各種物理量的專用應變式傳感器。用應變式傳感器。第二類是將應變片貼于被測第二類是將應變片貼于被測試件上試件上，然后將其接到應變儀上就可直接從應，然后將其接到應變儀上就可直接從應變儀上讀取被測試件的應變量。變儀上讀取被測試件的應變量。6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器a) 柱式傳感器b) 梁式傳感器c）輪輻式傳感器圖6.7 各類應變式傳感器6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器圖6.8 懸臂梁式傳感器實物6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器圖6.9 稱重傳感器實物6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器實例：實例：例例1 應變式傳感器測量位移應變式傳感器測量位移

27、 應變式位移傳感器是把被測位移量變換為彈性元應變式位移傳感器是把被測位移量變換為彈性元件的應變，通過測量應變間接求得位移。件的應變，通過測量應變間接求得位移。圖6.10彈簧組合式位移傳感器6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 如圖如圖6.10所示，以彈簧組合式位移傳感器所示，以彈簧組合式位移傳感器為例，梁彎曲產(chǎn)生的應變與測桿的位移呈線性為例，梁彎曲產(chǎn)生的應變與測桿的位移呈線性關(guān)系。測桿位移包括懸臂梁端部位移量關(guān)系。測桿位移包括懸臂梁端部位移量y1和彈和彈簧伸長量簧伸長量y2兩部分，即兩部分，即yy1y2。根據(jù)應變量。根據(jù)應變量的讀數(shù)值，可求得位移的讀數(shù)值，可求得位移y。6.2.1電阻式傳感器電阻

28、式傳感器 例例2.應變式傳感器測量加速度應變式傳感器測量加速度 在懸臂梁在懸臂梁1的自由端固定一質(zhì)量塊的自由端固定一質(zhì)量塊3。當殼體。當殼體4與與待測物一起作加速運動時，梁在質(zhì)量塊慣性力的作用待測物一起作加速運動時，梁在質(zhì)量塊慣性力的作用下發(fā)生變形，使粘貼于其上的應變片下發(fā)生變形，使粘貼于其上的應變片2阻值變化。檢阻值變化。檢測阻值的變化可求得待測物的加速度。測阻值的變化可求得待測物的加速度。1423圖6.11應變式加速度傳感器6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器例例3.橋梁固有頻率測量。橋梁固有頻率測量。圖6.12 固有頻率測量波形6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 例例4.應變式數(shù)顯扭矩扳手

29、應變式數(shù)顯扭矩扳手 數(shù)顯扳手可用于汽車、摩托車、飛機、數(shù)顯扳手可用于汽車、摩托車、飛機、機械制造和家用電器等領(lǐng)域，準確控制緊固螺機械制造和家用電器等領(lǐng)域，準確控制緊固螺栓的裝配扭矩。量程栓的裝配扭矩。量程2500Nm,耗電量耗電量10mA10mA。圖6.13應變式數(shù)顯扭矩扳手實物圖6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 二、二、 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 壓阻式傳感器有下面兩種類型：壓阻式傳感器有下面兩種類型： 利用半導體材料做成的粘貼式應變片；利用半導體材料做成的粘貼式應變片； 在半導體材料的基片上用集成電路工在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成擴散電阻，稱擴散型壓阻式傳感器。藝制成擴散電阻，

30、稱擴散型壓阻式傳感器。6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 壓阻式傳感器的壓阻式傳感器的優(yōu)點優(yōu)點如下：如下： 靈敏度非常高，有時傳感器輸出不需放大就可靈敏度非常高，有時傳感器輸出不需放大就可直接用于測量；直接用于測量； 分辨力高，例如，可測出分辨力高，例如，可測出1020 Pa的微小壓力的微小壓力變化；變化； 體積小。體積小。 測量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應測量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應高；可測量低頻加速度和直線加速度。高；可測量低頻加速度和直線加速度。 壓阻式傳感器的主要壓阻式傳感器的主要缺點缺點是溫度誤差大，需進行是溫度誤差大，需進行溫度補償或恒溫使用。溫度補償或恒溫使用

31、。6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器1.壓阻效應壓阻效應 壓阻效應壓阻效應固體受到作用力后或固體受到作用力后或沿半沿半導體的某一軸向施加一定的載荷而產(chǎn)生應變時導體的某一軸向施加一定的載荷而產(chǎn)生應變時電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 半導體材料的應變與電阻的相對變化之半導體材料的應變與電阻的相對變化之間的關(guān)系如下間的關(guān)系如下：dr6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器有：有： 是由于電阻絲的電阻率隨應變而改變是由于電阻絲的電阻率隨應變而改變所引起的。對于金屬絲來說，所引起的。對于金屬絲來說， 很小，可忽略。很小，可忽略。則電阻應變片的靈敏度為則電阻應變片的靈敏度為 6.2.1電阻式傳感器

32、電阻式傳感器 2.壓阻式傳感器分類壓阻式傳感器分類 半導體應變片半導體應變片 擴散型壓阻傳感器（固態(tài)壓阻式壓力傳感器）擴散型壓阻傳感器（固態(tài)壓阻式壓力傳感器） 3.擴散型壓阻式傳感器擴散型壓阻式傳感器 為了克服半導體應變片粘貼造成的缺點，為了克服半導體應變片粘貼造成的缺點，采用采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍半導體電阻應變薄膜，制成擴散型面直接蒸鍍半導體電阻應變薄膜，制成擴散型壓阻傳感器。壓阻傳感器。6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 （1）擴散型壓阻式傳感器結(jié)構(gòu)）擴散型壓阻式傳感器結(jié)構(gòu) 圖圖6.13是擴散型壓阻式傳感器，其核心部是擴散型壓阻

33、式傳感器，其核心部分是一塊圓形硅膜片，在膜片上，利用擴散工分是一塊圓形硅膜片，在膜片上，利用擴散工藝設(shè)置有藝設(shè)置有4個阻值相等的電阻，用導線將其構(gòu)個阻值相等的電阻，用導線將其構(gòu)成平衡電橋。膜片的四周用圓環(huán)固定。膜片的成平衡電橋。膜片的四周用圓環(huán)固定。膜片的兩邊有兩個壓力腔，一個是與被測系統(tǒng)相連的兩邊有兩個壓力腔，一個是與被測系統(tǒng)相連的高壓腔，另一個是低壓腔，一般與大氣相通。高壓腔，另一個是低壓腔，一般與大氣相通。6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器a)擴散型硅壓阻傳感器結(jié)構(gòu) b)硅膜片尺寸 c)應變電阻條排列方式圖6.14 壓阻式壓力傳感器6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器（2）擴散型壓阻式傳感

34、器工作原理）擴散型壓阻式傳感器工作原理 當膜片兩邊存在壓力差時，膜片發(fā)當膜片兩邊存在壓力差時，膜片發(fā)生變形，產(chǎn)生應變，從而使擴散電阻的生變形，產(chǎn)生應變，從而使擴散電阻的電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相對應的電壓，其大小就反映了膜片所相對應的電壓，其大小就反映了膜片所受壓力差值。受壓力差值。6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 4.壓阻式傳感器的特性補償壓阻式傳感器的特性補償 由于半導體材料對溫度的敏感性，壓阻由于半導體材料對溫度的敏感性，壓阻式傳感器受到溫度變化影響后，將產(chǎn)生零點漂式傳感器受到溫度變化影響后，將產(chǎn)生零點漂移和靈敏度漂移。移和靈敏度漂移。 零點溫度漂移是因為擴散電阻的阻值溫零點溫度漂移是因為擴散電阻的阻值溫度變化引起的。度變化引起的。 靈敏度漂移是因為壓阻系數(shù)隨溫度變化靈敏度漂移是因為壓阻系數(shù)隨溫度變化引起的。溫度升高時，壓阻系數(shù)變小，則靈敏引起的。溫度升高時，壓阻系數(shù)變小，則靈敏度下降。度下降。6.2.1電阻式傳感器電阻式傳感器 一般可用串、并聯(lián)電阻的方法進行補償。如圖一般可用串、并聯(lián)電阻的方法進行補償。如圖6.14所示，串聯(lián)電阻所示，串聯(lián)電阻Rs起調(diào)零作用，負溫度系數(shù)的并起調(diào)零作用，負溫度系數(shù)的并聯(lián)電阻聯(lián)電阻Rp主要起補償作用。當然主要起補償作用。當然R4上