CH2_電阻式傳感器ppt

1、1第第2 2章章 電阻式傳感器電阻式傳感器 22.1 應(yīng)變式傳感器2.1.1 工作原理工作原理2.1.2 金屬應(yīng)變片的主要特性2.1.3 測量電路2.1.4 應(yīng)變式傳感器應(yīng)用32.1.1 工作原理1.金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時 其電阻值將發(fā)生變化AlRF l、A 、 RdAldAAldlAdR24電阻的靈敏系數(shù)AAllRR對于半徑為r的圓導(dǎo)體，A=r2，A/A=2r/r又由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)， Errll/,/,/)21 (ERR為導(dǎo)體的縱向應(yīng)變，其數(shù)值一般很小，常以微應(yīng)變度量；為電阻絲材料的泊松比，一般金屬=0.30.5；為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)

2、；為應(yīng)力值；E為材料的彈性模量； 5金屬電阻的靈敏系數(shù)/210RRk21/0k材料的幾何尺寸變化引起的材料的電阻率隨應(yīng)變引起的（壓阻效應(yīng)）金屬材料：k0以前者為主，則k01+2=1.73.6半 導(dǎo) 體：k0值主要是由電阻率相對變化所決定0kRR6位移、力、力矩、加速度、壓力彈性敏感元件 應(yīng)變 外力作用被測對象表面產(chǎn)生微小機械變形應(yīng)變片敏感柵隨同變形電阻值發(fā)生相應(yīng)變化 應(yīng)變片7金屬絲式 金屬箔式金屬薄膜式2. 應(yīng)變片(strain gauge)的基本結(jié)構(gòu)8金屬絲式應(yīng)變片 金屬電阻絲應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 1-基片；2-電阻絲；3-覆蓋層；4-引出線 敏感柵 直徑為0.025mm左右的合金電阻絲絲繞式

3、基 底 絕緣 覆蓋層 保護(hù)9金屬箔式應(yīng)變片 在絕緣基底上，將厚度為0.0030.01mm電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀 箔式應(yīng)變片 10優(yōu)點 ：（1）尺寸準(zhǔn)確，線條均勻，適應(yīng)不同的測量要求， （2）可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵 （3）與被測試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。 散熱條件好，允許電流大，靈敏度提高。（4）橫向效應(yīng)可以忽略。（5）蠕變、機械滯后小，抗疲勞壽命長。 缺點： 電阻值的分散性大 阻值調(diào)整 11金屬薄膜應(yīng)變片 采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1m以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，再加上保護(hù)層，易實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn) 優(yōu)點：

4、應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)問題：難控制電阻與溫度和時間的變化關(guān)系 12應(yīng)變片的電阻值 R應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力情況下，于室溫下測得的電阻值 電阻系列：60、120、200、350、500、1000 可以加大應(yīng)變片承受電壓， 電阻值大 輸出信號大， 敏感柵尺寸也增大 132.1.2 金屬應(yīng)變片的主要特性 （一）靈敏系數(shù)（二）橫向效應(yīng)（三）溫度誤差及其補償14（一）靈敏系數(shù)RRk/“標(biāo)稱靈敏系數(shù)”的測定：受軸向單向力（拉或壓），試件材料為泊松系數(shù)=0.285的鋼等。一批產(chǎn)品中只能抽樣5的產(chǎn)品來測定，取平均值及允許公差值。電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k 電阻絲的靈敏系數(shù)

5、k0 粘結(jié)層傳遞變形失真還存在有橫向效應(yīng) 原因：15 （二）橫向效應(yīng)敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成直線段：沿軸向拉應(yīng)變x，電阻圓弧段：沿軸向壓應(yīng)度y 電阻 K (箔式應(yīng)變片)yxy16橫向效應(yīng) 應(yīng)變片的橫柵部分將縱向絲柵部分的電阻變化抵消了一部分，從而降低了整個電阻應(yīng)變片的靈敏度，帶來測量誤差，其大小與敏感柵的構(gòu)造及尺寸有關(guān)。敏感柵的縱柵愈窄、愈長，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應(yīng)的影響愈小。17（三）溫度誤差及其補償 1、試件材料的線膨脹引起的誤差。當(dāng)溫度變化t時，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片將產(chǎn)生附加拉長（或壓縮），引起的電阻相對變化 。0000()TTgsRR KR KT

6、2200TTgllllT210()TTTgsllllT 0()TTgslTlTllllsTT0011182、敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。當(dāng)環(huán)境溫度變化T 時，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為 ，則引起的電阻相對變化為00TTRRRRT其中其中)1 (0TRRT0TTT19相應(yīng)的虛假應(yīng)變輸出為000/()TTgsRRTTKK可得由于溫度變化而引起的總電阻變化為000()TTTgsRRRRTR KT 20溫度補償 單絲自補償法 自補償法 組合式自補償法 溫度補償 線路補償法電橋補償法、熱敏電阻211) 應(yīng)變片的自補償法 粘貼在被測部位上的是一種特殊應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化時，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?/p>

7、這種應(yīng)變片稱為溫度自補償應(yīng)變片。利用這種應(yīng)變片來實現(xiàn)溫度補償?shù)姆椒ǚQ為應(yīng)變片自補償法。a. 選擇式自補償應(yīng)變片b. 雙金屬敏感柵自補償應(yīng)變片 22a.選擇式自補償應(yīng)變片 優(yōu)點：容易加工，成本低，缺點：只適用特定試件材料，溫度補償范圍也較窄。由式由式(2.1.16)可知，實現(xiàn)溫度補償?shù)臈l件為可知，實現(xiàn)溫度補償?shù)臈l件為 當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)g已知時，通過選擇敏感柵材料，已知時，通過選擇敏感柵材料， 使下式成立使下式成立 (2.1.21) 即可達(dá)到溫度自補償?shù)哪康?。即可達(dá)到溫度自補償?shù)哪康摹?)(0tKtsgt)(0sgK23R1R2組合自補償法b. 雙金屬敏感柵自補償應(yīng)變片

8、 敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成 選用兩種具有不同符號的電阻溫度系數(shù)的金屬絲調(diào)整R1和R2的比例，使溫度變化時產(chǎn)生的電阻變化滿足 t2t1)()(RR通過調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長度來控制應(yīng)變片的溫度自補償，可達(dá)0.45m/的高精度 )()(/111222112221ggttKKRRRRRR24 2) 電橋補償法電橋補償法 U0R1R4R3URbFFR1Rb0143()BUA R RR R01143()()0tBBtUA RRRRRR11RR K引入補償應(yīng)變片構(gòu)成電橋kRARU41025電橋補償法優(yōu)點：簡單、方便，在常溫下補償效果較好缺點：在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補償片

9、處于溫度完全一致的情況，因而影響補償效果。263)熱敏電阻補償 T KRtUiR1RR4R3U0R2RtR5 分流電阻分流電阻 UURt U = Ui - URtK272.1 應(yīng)變式傳感器2.1.1 工作原理2.1.2 金屬應(yīng)變片的主要特性2.1.3 測量電路測量電路2.1.4 應(yīng)變式傳感器應(yīng)用282.1.3 電阻應(yīng)變片的測量電路 1 1 直流電橋直流電橋2 2 非線性誤差及其補償非線性誤差及其補償 291. 直流電橋 直流電橋的工作原理 )()()(-214343214321L3241LRRRRRRRRRRRRRRRRRUI 時電橋平衡平衡條件 :R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4

10、R1+R1R2R4R3UILL0I 30 不平衡直流電橋的工作原理及靈敏度 當(dāng)電橋后面接放大器時, 電橋輸出端看成開路.電橋的輸出式為： URRRRRRRRU)(432132410應(yīng)變片工作時，其電阻變化應(yīng)變片工作時，其電阻變化R )()()(44332211332244110RRRRRRRRRRRRRRRRUU31采用等臂電橋，即采用等臂電橋，即R1= R2= R3=R4=R 。此時式。此時式(2.1.24)可寫為可寫為)2)(2()(4321324143210RRRRRRRRRRRRRRRUU當(dāng)當(dāng)Ri R ( i=1,2,3,4) 時，略去上式中的高階微量，則時，略去上式中的高階微量，則

11、RRRRRRRRUU432104432104UKU32上式表明： Ri(1+)，故(1+)項可以忽略llERR半導(dǎo)體材料的電阻值變化，主要是由電阻率變化引起的，而電阻率的變化是由應(yīng)變引起的. 半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏系數(shù)可表示ERRKl/半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏系數(shù)還與摻雜濃度有關(guān)，它隨雜質(zhì)的增加而減小。582.2 壓阻式傳感器2.2.1 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)2.2.2 體型半導(dǎo)體應(yīng)變片體型半導(dǎo)體應(yīng)變片2.2.3 擴散型壓阻式壓力傳感器2.2.4 壓阻式加速度傳感器2.2.5 測量橋路及溫度補償592.2.2 體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片 結(jié)構(gòu)型式及特點 測量電路 601. 結(jié)構(gòu)型式及特點 主要優(yōu)點主要優(yōu)點 靈敏系數(shù)比金

12、屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍 橫向效應(yīng)和機械滯后極小 溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多 612. 測量電路 恒壓源恒流源)/(0tRRRUURIU0電橋輸出電壓與R / R成正比，輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。電橋輸出電壓與R成正比，環(huán)境溫度的變化對其沒有影響。622.2 壓阻式傳感器2.2.1 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)2.2.2 體型半導(dǎo)體應(yīng)變片2.2.3 擴散型壓阻式壓力傳感器擴散型壓阻式壓力傳感器2.2.4 壓阻式加速度傳感器2.2.5 測量橋路及溫度補償632.2.3 擴散型壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖1低壓腔 2高壓腔 3硅杯 4引線 5硅膜片采用N型單晶硅為傳感器的彈性元

13、件，在它上面直接蒸鍍半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜 64工作原理：工作原理： 膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點產(chǎn)生應(yīng)力。 四個電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡， 輸出相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。)31 ()1(83)3()1(8322022202rrhprrhptr設(shè)計時，適當(dāng)安排電阻的位置，可以組成差動電橋。 四個電阻的配置位置四個電阻的配置位置： 按膜片上徑向應(yīng)力r和切向應(yīng)力t的分布情況確定。 65擴散型壓阻式壓力傳感器特點優(yōu)點: 體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度高，能測出十幾帕的微壓，長期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。測量準(zhǔn)確

14、度受到非線性和溫度的影響。智能壓阻式壓力傳感器利用微處理器對非線性和溫度進(jìn)行補償。 662.2 壓阻式傳感器2.2.1 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)2.2.2 體型半導(dǎo)體應(yīng)變片2.2.3 擴散型壓阻式壓力傳感器2.2.4 壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器2.2.5 測量橋路及溫度補償672.2.4 壓阻式加速度傳感器 它的懸臂梁直接用單晶硅制成，四個擴散電阻擴散在其根部兩面 。擴散電阻質(zhì)量塊基座應(yīng)變梁a682.2 壓阻式傳感器2.2.1 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)2.2.2 體型半導(dǎo)體應(yīng)變片2.2.3 擴散型壓阻式壓力傳感器2.2.4 壓阻式加速度傳感器2.2.5 測量橋路及溫度補償測量橋路及溫度補償692.2.5 測量橋路及溫度補償由于制造、溫度影響等原因，電橋存在失調(diào)、零位溫漂、靈敏度溫度系數(shù)和非線性等問題，影響傳感器的準(zhǔn)確性。減少與補償誤差措施 1.測量電橋用恒流源供電 2. 零點溫度補償 3. 靈敏度溫度補償701. 恒流源供電電橋恒流源供電的全橋差動電路 假設(shè)RT為溫度引起的電阻變化 IIIADCA