第3章-電阻式傳感器

1、2012nnyaa xa xa x 第3篇 物理傳感器3章章 電阻式傳感器電阻式傳感器 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 5章章 電感式傳感器電感式傳感器 6章章 壓電式壓電式 傳感器傳感器 7章章 光學(xué)式傳感器光學(xué)式傳感器 8章章 熱電式傳感器熱電式傳感器本篇內(nèi)容：本篇內(nèi)容：按被測量分類（一種宏觀分類方法）按被測量分類（一種宏觀分類方法）物理傳感器物理傳感器: 用于測量血壓、體溫、血流量、生物磁用于測量血壓、體溫、血流量、生物磁場等，場等，被測量都是物理量被測量都是物理量。設(shè)計(jì)時(shí)利用這些非電量的物。設(shè)計(jì)時(shí)利用這些非電量的物理性質(zhì)和物理效應(yīng)。理性質(zhì)和物理效應(yīng)。 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器: 用于測量

2、人體內(nèi)某些化學(xué)成分、濃度、用于測量人體內(nèi)某些化學(xué)成分、濃度、PHPH值等，值等，被測量都屬于化學(xué)量（被測量都屬于化學(xué)量（被測物質(zhì)分子量較?。?。被測物質(zhì)分子量較?。?。設(shè)計(jì)時(shí)多利用電化學(xué)原理或物理效應(yīng)。設(shè)計(jì)時(shí)多利用電化學(xué)原理或物理效應(yīng)。生物傳感器生物傳感器：用于測量酶、抗原、抗體、激素、用于測量酶、抗原、抗體、激素、DNADNA、RNARNA等物質(zhì)，等物質(zhì)，被測量都屬于化學(xué)量被測量都屬于化學(xué)量（被測物質(zhì)分子量較（被測物質(zhì)分子量較大）。大）。對這些物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測的儀器 。生物醫(yī)學(xué)傳感器的分類生物醫(yī)學(xué)傳感器的分類 在這一節(jié)里，介紹電阻傳感器，例如：電位在這一節(jié)里，介紹電阻傳感器

3、，例如：電位器、電阻應(yīng)變片、測溫?zé)犭娮?。它們的基本原理器、電阻?yīng)變片、測溫?zé)犭娮琛Ｋ鼈兊幕驹矶际菍⒏鞣N被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化都是將各種被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化量，然后通過對電阻變化量的測量，達(dá)到非電量量，然后通過對電阻變化量的測量，達(dá)到非電量電測的目的。電測的目的。 利用電阻傳感器可以測量角位移、直線位移、利用電阻傳感器可以測量角位移、直線位移、應(yīng)變、力、加速度、重量、轉(zhuǎn)矩、溫度、濕度、應(yīng)變、力、加速度、重量、轉(zhuǎn)矩、溫度、濕度、氣體成分及濃度、磁場強(qiáng)度等氣體成分及濃度、磁場強(qiáng)度等。本章內(nèi)容3.1 電位器式傳感器3.2電阻應(yīng)變式傳感器3.3 固態(tài)壓阻式傳感器3.4電阻式傳感

4、器的測量電路3.5電阻式傳感器的應(yīng)用前言 ：工作原理電阻式傳感器電阻式傳感器測量原理測量原理: 被測的非電量 R 電量輸出 其其基本基本原理為：原理為：設(shè)設(shè)有一根長度為有一根長度為L L，截面，截面積為積為A，電阻率為，電阻率為的金屬絲，則它的的金屬絲，則它的電阻值電阻值R可用下式表示：可用下式表示：AlR 三個(gè)參數(shù)：長度L，截面積A，電阻率，如果發(fā)生變化，則它的電阻值R隨之發(fā)生變化，構(gòu)成不同電阻傳感器：1、長度L發(fā)生變化電位器式傳感器；電位器式傳感器；2、截面積A、長度L發(fā)生變化電阻應(yīng)變片傳感器；電阻應(yīng)變片傳感器；3、電阻率發(fā)生變化熱敏電阻、光導(dǎo)性光檢測熱敏電阻、光導(dǎo)性光檢測器等。器等。 電

5、位器是一種機(jī)電轉(zhuǎn)換元件，可將位移位移(直線位移或線位移)轉(zhuǎn)換成電阻或電壓輸電阻或電壓輸出。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕，價(jià)格便宜，輸出信號(hào)大，受環(huán)境影響小。 缺點(diǎn)：由于有摩擦，要求輸出信號(hào)大，可靠性和壽命差，動(dòng)態(tài)特性不好，干擾大，一般用于靜態(tài)或緩變量的檢測。電位器分類電位器分類:線性電位器和非線性電位器線性電位器和非線性電位器3.1電位器式傳感器電位器式傳感器電位器接負(fù)載，此時(shí)的輸出特性為負(fù)載特性，不接負(fù)載或負(fù)載無窮大，輸出特性稱空載特性。3.1.1線性電位器空載特性 maxmaxxxRRx 假定全長xmax的電位器，總電阻為Rmax,電阻沿長度的分布是均勻的,則當(dāng)滑臂由A向B移動(dòng)x后,A

6、點(diǎn)到電刷間的阻值為若把它作為分壓器使用,且假定加在電位器A、B之間的電壓為Umax,則輸出電壓為maxmaxxxUUx 右圖為電位器式角度傳感器。作變阻器使用,則電阻與角度的關(guān)系為 maxmaxaaRRa其他內(nèi)容參看教材44-44頁3.1.5 電位器的負(fù)載特性 上面討論的電位器空載特性相當(dāng)于負(fù)載開路或?yàn)闊o窮大時(shí)的情況,而一般情況下,電位器接有負(fù)載,接入負(fù)載時(shí),由于負(fù)載電阻和電位器的比值為有限值,此時(shí)所得的特性為負(fù)載特性,負(fù)載特性偏離理想空載特性的偏差稱為電位器的負(fù)載誤差負(fù)載誤差。 帶負(fù)載的電位器的電路如圖所示。電位器的負(fù)載電阻為Rf,則此電位器的輸出電壓為圖 帶負(fù)載的電位器電路電阻相對變化:

7、電位器的負(fù)載系數(shù)為:maxfRmRmaxRRrx2maxmaxmaxxxffxxfRRRRRRRUU教材中：教材中：a=1/m在未接入負(fù)載時(shí),電位器的輸出電壓Ux為 則接入負(fù)載Rf后的簡化的輸出電壓Uxf表達(dá)式為:)1 ()1 (1maxmaxrraarUrmrrUUxfUx=rUmax 00100 xxfxfUUU比較兩式可知，Rf不是無窮大，負(fù)載與空載輸出之間產(chǎn)生偏差，則負(fù)載誤差為：00100)1 (111rmrf由圖可見,無論m為何值, 電刷在起始和最終位置時(shí),負(fù)載誤差都為零;當(dāng)當(dāng)X=1/2時(shí)時(shí),可求導(dǎo),負(fù)載誤差最大,且增大負(fù)載系數(shù)時(shí),負(fù)載誤差也隨之增加。3.2.電阻應(yīng)變片式傳感器應(yīng)變式

8、傳感器特征：應(yīng)變式傳感器特征： 材料類型：材料類型：金屬應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片金屬應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片 應(yīng)用范圍：應(yīng)變力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、加速度應(yīng)用范圍：應(yīng)變力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、加速度主要優(yōu)點(diǎn)：使用簡單、精度高、范圍大、體積小主要優(yōu)點(diǎn)：使用簡單、精度高、范圍大、體積小工作原理：由彈性元件、電阻應(yīng)變片和其他附件組成。工作原理：由彈性元件、電阻應(yīng)變片和其他附件組成。彈性元件受力彈性元件受力變形變形，張貼在表面的，張貼在表面的應(yīng)變片隨之變形應(yīng)變片隨之變形，并，并產(chǎn)生相應(yīng)的產(chǎn)生相應(yīng)的電阻變化。電阻變化。 應(yīng)變式電阻傳感器作為應(yīng)變式電阻傳感器作為測力的主要測力的主要傳感器傳感器，測力范圍小到肌肉纖維，

9、大到，測力范圍小到肌肉纖維，大到登月火箭，精確度可到登月火箭，精確度可到 0.01-0.1%0.01-0.1%。有。有拉壓式（柱、筒、環(huán)元件）、彎曲式、拉壓式（柱、筒、環(huán)元件）、彎曲式、剪切式。剪切式。 應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式力傳感器 S型力傳感器型力傳感器 FFFF應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及受力變形應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及受力變形各種懸臂梁各種懸臂梁 電子秤電子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)距離顯示顯示電子天平電子天平電子天平的精度電子天平的精度可達(dá)十萬分之一可達(dá)十萬分之一電子秤中的各類彈性元件電子秤中的各類彈性元件 2llRAr金屬絲受拉時(shí)，金屬絲受拉時(shí)，l變長、變長

10、、r變小，導(dǎo)致變小，導(dǎo)致R變大變大 。1 .金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)金屬絲的應(yīng)變效應(yīng) xSKRdR1 .金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng): :金屬導(dǎo)線在受到外界力的作用時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械金屬導(dǎo)線在受到外界力的作用時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形導(dǎo)致其阻值變化，這種因變形，機(jī)械變形導(dǎo)致其阻值變化，這種因形變而使阻值發(fā)生形變而使阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。變化的現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。 根據(jù)應(yīng)力根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變和應(yīng)變的關(guān)系的關(guān)系: 應(yīng)力應(yīng)力=E， 金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)ll+ dl2r2(r-dr)FF xSKRdR金屬的電阻相對變化與金屬的電阻相對變化與應(yīng)變應(yīng)變成成正比關(guān)系。正比關(guān)系。通過通過

11、彈性元件彈性元件，可，可將應(yīng)力轉(zhuǎn)將應(yīng)力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，這是換為應(yīng)變，這是應(yīng)變式傳感器測應(yīng)變式傳感器測量應(yīng)量應(yīng)力力的基本原理的基本原理。1 .金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)金屬絲的應(yīng)變效應(yīng) KS為金屬絲的靈敏系數(shù)，p47注釋金屬的徑向應(yīng)變金屬的軸向應(yīng)變令yxrdrLdL/ / 在彈性范圍內(nèi)金屬絲受拉力時(shí)，沿軸向伸長，沿徑向縮短，則軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系為 y=-x為金屬材料的泊松系數(shù)。為金屬材料的泊松系數(shù)。應(yīng)變式傳感器的核心元件：應(yīng)變式傳感器的核心元件：電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片，試件上的應(yīng)力，試件上的應(yīng)力變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。 應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變是量綱為1的數(shù)。通常應(yīng)變很小，常用10-6來表示。

12、例如，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.000001時(shí)，在工程中常表示為110-6或m/m。在應(yīng)變測量中，也常稱為微應(yīng)變。金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)視頻：應(yīng)變片視頻：應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片又稱為壓阻式傳感器。半導(dǎo)體應(yīng)變片又稱為壓阻式傳感器。基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件?；诎雽?dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件。壓阻效應(yīng)：壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料的電阻率電阻率隨作用應(yīng)力的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。隨作用應(yīng)力的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。 3.3 固態(tài)壓阻式傳感器固態(tài)壓阻式傳感器半導(dǎo)體材料敏感條半導(dǎo)體材料敏感條電阻率的相對變化值與其在軸向所電阻率的相對變化值與其在軸向所受的應(yīng)力之比受

13、的應(yīng)力之比為一常數(shù)。即為一常數(shù)。即xllEdxlERdR)21 （l半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)。式中半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)。式中1+2項(xiàng)隨幾何形狀而項(xiàng)隨幾何形狀而變化，變化，lE項(xiàng)為壓阻效應(yīng)，隨電阻率而變化。項(xiàng)為壓阻效應(yīng)，隨電阻率而變化。當(dāng)半導(dǎo)體材料受軸向力作用時(shí)，電阻相對變化為當(dāng)半導(dǎo)體材料受軸向力作用時(shí)，電阻相對變化為dRdRx)21（ERdRKlxB/實(shí)驗(yàn)證明實(shí)驗(yàn)證明lE比比1+2大近百倍，所以大近百倍，所以1+2可以忽略，因而：可以忽略，因而： xlERdR)（靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式的高5080倍，但半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非線性比較嚴(yán)重，使應(yīng)用范圍受到一定的限制

14、。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)：半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)：體積小，靈敏度高，頻率體積小，靈敏度高，頻率響應(yīng)范圍寬，輸出幅值大，不響應(yīng)范圍寬，輸出幅值大，不需要放大器，可直接與記錄儀需要放大器，可直接與記錄儀連接，使測量系統(tǒng)簡單。連接，使測量系統(tǒng)簡單。 電橋電路電橋電路又叫惠斯登電橋惠斯登電橋，它是將電阻、電容、電感等參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測量電路。 金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測直接用歐姆表測量量其電阻值的變化將十分困難，且其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大誤差很大。 例例：金屬箔式應(yīng)變片的標(biāo)稱阻值金屬箔式應(yīng)變片的標(biāo)稱阻值R R0 0為為1

15、00100 ，靈敏度，靈敏度K K=2=2，粘貼在橫截面積為粘貼在橫截面積為9.8mm9.8mm2 2的鋼質(zhì)圓柱體上，鋼的彈性模量的鋼質(zhì)圓柱體上，鋼的彈性模量E E=2=2 10101111N/mN/m2 2，所受拉力，所受拉力F F=0.2t=0.2t，受拉后應(yīng)變片的阻值，受拉后應(yīng)變片的阻值R R 的變的變化量僅為化量僅為0.20.2 。 所以必須使用所以必須使用不平衡電橋不平衡電橋來測量這一微小的變來測量這一微小的變化量，化量，將將 R /R轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為輸出電壓輸出電壓Uo。 為什么要使用不平衡電橋?yàn)槭裁匆褂貌黄胶怆姌?把對某物理量敏感的電阻應(yīng)變材料加工成傳感器，作為電把對某物理量敏感的

16、電阻應(yīng)變材料加工成傳感器，作為電橋中的某一臂電阻，或某幾個(gè)臂電阻，通過電橋的失衡程度橋中的某一臂電阻，或某幾個(gè)臂電阻，通過電橋的失衡程度（橋路電流或電壓）來判斷該物理量的大小。（橋路電流或電壓）來判斷該物理量的大小。 如果直接測應(yīng)變片電阻的改變，可能很困難。因?yàn)闇y量一個(gè)如果直接測應(yīng)變片電阻的改變，可能很困難。因?yàn)闇y量一個(gè)在很大的基值上附加的在很大的基值上附加的一個(gè)很小的信號(hào)是很困難的一個(gè)很小的信號(hào)是很困難的。利用電橋利用電橋可以把這個(gè)信號(hào)的基值去掉，變成了一個(gè)在零值附近的信號(hào)，可以把這個(gè)信號(hào)的基值去掉，變成了一個(gè)在零值附近的信號(hào)，并且可以通放大電路來增大靈敏度。并且可以通放大電路來增大靈敏度。

17、 （1 1）平衡條件）平衡條件 4332110RRRRRREU一、直流電橋一、直流電橋不平衡電橋法用在動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量中。不平衡電橋法用在動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量中。(2)不平衡電橋法不平衡電橋法 如圖，R1為應(yīng)變片，R2、R3、R4為固定電阻。未承受應(yīng)變時(shí)，R1R4R2R3，電橋平衡，Uo0。承受應(yīng)變后，阻值變?yōu)镽1R1，電橋的不平衡輸出為 設(shè)設(shè)R2/R1n，又因，又因R1R1時(shí)，時(shí)，R1R4R2R3，上，上式簡化為式簡化為電橋的電壓靈敏度電橋的電壓靈敏度(相對靈敏度相對靈敏度)為為 Su與U（供電電壓）成正比，U越高，Su越高。但是U的提高受到應(yīng)變片允許工作電流的限制，通常為15 V。 Su與n有關(guān)。在U

18、一定時(shí)，由靈敏度取極值的條件，可求得n1時(shí)Su最大。即在U一定、R1R2、R3R4時(shí)，Su最大。通常這種情況稱為電橋的第一種對稱形式。此時(shí) 而而R1R3，R2R4則稱為電橋的第二種對則稱為電橋的第二種對稱形式。稱形式。第一種對稱形式有較高的靈敏度，第二種對稱第一種對稱形式有較高的靈敏度，第二種對稱形式線性較好。形式線性較好。 等臂電橋是其中的一個(gè)特例。等臂電橋是其中的一個(gè)特例。 以上都是基于以上都是基于 R1R1，所以得到的是線性關(guān)，所以得到的是線性關(guān)系。但當(dāng)應(yīng)變片感受較大應(yīng)變時(shí)，系。但當(dāng)應(yīng)變片感受較大應(yīng)變時(shí)，分母上的分母上的 R1/ /R1項(xiàng)就不能忽略項(xiàng)就不能忽略，此時(shí)得到的為非線性關(guān)系，此

19、時(shí)得到的為非線性關(guān)系，從而造成非線性誤差。在補(bǔ)償非線性誤差時(shí)常用從而造成非線性誤差。在補(bǔ)償非線性誤差時(shí)常用的措施如下的措施如下 (3)電橋電路的非線性誤差補(bǔ)償電橋電路的非線性誤差補(bǔ)償 采用差動(dòng)電橋。在電橋的相鄰兩臂接入兩個(gè)參數(shù)相同的應(yīng)變片，測量時(shí)一個(gè)受拉應(yīng)力，一個(gè)受壓應(yīng)力，電阻變化量符號(hào)相反，數(shù)值相等，即構(gòu)成半橋差動(dòng)電路。此時(shí)假設(shè)假設(shè)432121RRRRRR，則無需近似即有則無需近似即有 可見，差動(dòng)電橋法不僅補(bǔ)償了非線性誤差，且電可見，差動(dòng)電橋法不僅補(bǔ)償了非線性誤差，且電壓靈敏度提高了壓靈敏度提高了1倍。另外還能起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩１?。另外還能起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?全橋差動(dòng)電路不僅補(bǔ)償了非線性

20、誤差，且電壓靈敏度比全橋差動(dòng)電路不僅補(bǔ)償了非線性誤差，且電壓靈敏度比半橋差動(dòng)電路補(bǔ)償時(shí)又提高了半橋差動(dòng)電路補(bǔ)償時(shí)又提高了1倍。也能起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。倍。也能起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?在四臂都接入相同應(yīng)變片（等臂），在四臂都接入相同應(yīng)變片（等臂），相對兩個(gè)受拉應(yīng)力，另兩個(gè)受壓應(yīng)力，相對兩個(gè)受拉應(yīng)力，另兩個(gè)受壓應(yīng)力，構(gòu)成構(gòu)成全橋差動(dòng)電路全橋差動(dòng)電路。若滿足。若滿足 R1 R2 R3 R4，則，則全橋差動(dòng)電路全橋差動(dòng)電路 1.脈象傳感器脈搏波經(jīng)傳感頂子作用于等強(qiáng)度懸臂梁的自由端，使之彎曲變形。貼在梁上下面的應(yīng)變片接入全橋或半橋，輸出的電壓即反應(yīng)脈動(dòng)規(guī)律。側(cè)視圖上視圖3.5 電阻式傳感器的應(yīng)用 傳感器置于體外的測量。圖所示為傳感器置于體外的有創(chuàng)血壓測量，即用血管外傳感器測量，是一種常用的血壓測量方案。2.血管外血壓傳感器血管外血壓傳感器由插管技術(shù)將血液壓力傳到圓帽，膜片產(chǎn)生位移，帶動(dòng)活動(dòng)元件移動(dòng)，使R1，R4以及R2, R3