第3章 電阻式傳感器

1、 廣泛用于人體生理參數(shù)測(cè)量：呼吸的位移和力、血壓、體重，濃度、速度等。電阻式傳感器按材料不同分為兩大類: 金屬電阻應(yīng)變式傳感器用金屬絲或金屬箔作敏感元件制成的片狀傳感器。用金屬絲或金屬箔作敏感元件制成的片狀傳感器。 半導(dǎo)體壓阻傳感器在半導(dǎo)體膜片上擴(kuò)散成電阻的方法制成在半導(dǎo)體膜片上擴(kuò)散成電阻的方法制成 第一節(jié) 金屬應(yīng)變片式傳感器金屬應(yīng)變式傳感器:由彈性元件、金屬應(yīng)變片和其他附件組成。 當(dāng)彈性元件變形時(shí)，粘貼其上的電阻應(yīng)變片隨之變形，并把變形轉(zhuǎn)化為電阻值的變化。其機(jī)理是電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變效應(yīng)。 一、金屬應(yīng)變效應(yīng)一、金屬應(yīng)變效應(yīng)（一）應(yīng)力（一）應(yīng)力 在一受力物體截面上一點(diǎn)在一受力物體截面上一點(diǎn)A取

2、一微小面積取一微小面積A，若此時(shí)受力為若此時(shí)受力為 F，則，則 F與與 A的比值的比值則為面積則為面積 A上的上的平均應(yīng)力平均應(yīng)力，當(dāng)，當(dāng) A0時(shí)就為時(shí)就為A點(diǎn)的應(yīng)力。點(diǎn)的應(yīng)力。 應(yīng)力可分解為：應(yīng)力可分解為： 為垂直截面的應(yīng)力分量為垂直截面的應(yīng)力分量 為與截面相切的應(yīng)力分量為與截面相切的應(yīng)力分量 單位：牛頓單位：牛頓/米米2（或帕斯卡）（或帕斯卡）（二）應(yīng)變（二）應(yīng)變 物體在外力作用下，其幾何形狀將發(fā)生變化。圍繞物體在外力作用下，其幾何形狀將發(fā)生變化。圍繞物體中任一點(diǎn)取一微小正六面體，其邊長(zhǎng)分別為物體中任一點(diǎn)取一微小正六面體，其邊長(zhǎng)分別為 x 、 y、 z。物體外力作用變形后，其邊長(zhǎng)和棱邊夾。

3、物體外力作用變形后，其邊長(zhǎng)和棱邊夾角都將發(fā)生變化，變形前為角都將發(fā)生變化，變形前為 x的棱邊變形后邊長(zhǎng)為的棱邊變形后邊長(zhǎng)為 x+ l，其相對(duì)形變?yōu)椋?，其相?duì)形變?yōu)椋?xla00limlim稱為稱為x方向的方向的應(yīng)變應(yīng)變。xla其中，其中，a為單位長(zhǎng)度的平均伸長(zhǎng)和縮為單位長(zhǎng)度的平均伸長(zhǎng)和縮短，稱為短，稱為平均應(yīng)變平均應(yīng)變。當(dāng)當(dāng) x0時(shí)極限：時(shí)極限：正應(yīng)力引起材料的伸長(zhǎng)或縮短，剪應(yīng)力引起材料的畸正應(yīng)力引起材料的伸長(zhǎng)或縮短，剪應(yīng)力引起材料的畸變，并使材料發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。變，并使材料發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。( (三三) )應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng) 拉伸金屬導(dǎo)體產(chǎn)生應(yīng)變,在拉伸比例極限內(nèi),金屬導(dǎo)體電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變成正比,即

4、R：無(wú)應(yīng)變電阻值; dR：產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)電阻變化量; :軸向應(yīng)變(=dL/L); k0:金屬材料的靈敏系數(shù)0kRdR公式的推導(dǎo)公式的推導(dǎo) 一段金屬電阻絲,其截面積為A,電阻率為,長(zhǎng)度為L(zhǎng),則其電阻為: LRA 上式取自然對(duì)數(shù):lnlnlnlnRLA 取全微分: AdALdLdRdR電阻值的相對(duì)變化率取決于三個(gè)基本因素: 電阻絲的電阻率相對(duì)變化量(d/)。 電阻絲長(zhǎng)度的相對(duì)變化量(dL/L)。 電阻絲截面積的相對(duì)變化量(dA/A)。lnlnlnlnRLA式中：dL/L長(zhǎng)度相對(duì)變化量，用應(yīng)變表示為 LdLAdALdLdRdRdA/A圓形電阻絲的截面積相對(duì)變化量，設(shè)D為電阻絲的直徑42DADdDAdA2

5、材料力學(xué)材料力學(xué)：在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時(shí)，沿軸向伸長(zhǎng)， 沿徑向縮短， 軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為 ：LdLDdD為電阻絲材料的泊松比， 負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。 LdLDdDAdA22推得：dLdLRdR)21 (/)21(dRdRLdL因則有因形變引起，稱尺寸效應(yīng)因形變引起，稱尺寸效應(yīng)因應(yīng)變使電阻率變化因應(yīng)變使電阻率變化而引起，稱壓阻效應(yīng)而引起，稱壓阻效應(yīng)/)21 (/0dRdRk 受兩個(gè)因素影響：受兩個(gè)因素影響：受力后材料受力后材料幾何尺寸變化幾何尺寸變化所引起，即所引起，即(12 )項(xiàng)；項(xiàng)； 受力后材料受力后材料電阻率變化電阻率變化所引起的，即所引起的，即(d / )/ 項(xiàng)。項(xiàng)

6、。 定義：定義：電阻絲的靈敏系數(shù)電阻絲的靈敏系數(shù)（物理意義）：?jiǎn)危ㄎ锢硪饬x）：?jiǎn)挝粦?yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量。其表達(dá)式為位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量。其表達(dá)式為 一般金屬材料電阻絲在一定變形范圍內(nèi)：一般金屬材料電阻絲在一定變形范圍內(nèi)： 約約0.30.5 k0第一項(xiàng)約為第一項(xiàng)約為1.6-2.0，第二項(xiàng)近似為，第二項(xiàng)近似為0。 靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)k0為常數(shù)為常數(shù)2 第二項(xiàng)因電阻率而引起，可以忽略。第二項(xiàng)因電阻率而引起，可以忽略。 金屬材料：金屬材料：k0主要以第一項(xiàng)為主主要以第一項(xiàng)為主半半 導(dǎo)導(dǎo) 體：體：k0值主要是由電阻率相對(duì)變化所決定值主要是由電阻率相對(duì)變化所決定二、金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)種類二、金屬

7、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)種類（一）基本結(jié)構(gòu)（一）基本結(jié)構(gòu)主要有基片、金屬絲（電阻絲）或金屬箔、覆蓋層以主要有基片、金屬絲（電阻絲）或金屬箔、覆蓋層以及引線組成。及引線組成。金屬絲（箔）金屬絲（箔）是應(yīng)變片的敏感核心；是應(yīng)變片的敏感核心；覆蓋層覆蓋層起到保護(hù)起到保護(hù)和定位作用；和定位作用；引出線引出線作為測(cè)量的連接線；作為測(cè)量的連接線；底基底基起絕緣起絕緣保護(hù)作用。保護(hù)作用。 （二）種類（二）種類1. 絲式應(yīng)變計(jì)絲式應(yīng)變計(jì)回絲式：橫向效應(yīng)較大回絲式：橫向效應(yīng)較大短接式：克服橫向效應(yīng)短接式：克服橫向效應(yīng)是在絕緣基底上，將厚度為是在絕緣基底上，將厚度為0.0030.005mm電阻箔材，電阻箔材，利用照相制版或光

8、刻技術(shù)，利用照相制版或光刻技術(shù)，制成各種需要的形狀。制成各種需要的形狀。2.箔式應(yīng)變計(jì)箔式應(yīng)變計(jì)三、金屬應(yīng)變片的參數(shù)與特性三、金屬應(yīng)變片的參數(shù)與特性 靈敏系數(shù)k是指在一維應(yīng)力作用下,粘貼在試件表面應(yīng)變片單位電阻變化率與試件上應(yīng)變片沿靈敏軸線產(chǎn)生單位變形之比，數(shù)學(xué)式為: LLRRk/k又稱為標(biāo)稱靈敏系數(shù)。(一一)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k 電阻絲的靈敏系數(shù)電阻絲的靈敏系數(shù)k0 粘結(jié)層傳遞變形失真粘結(jié)層傳遞變形失真存在橫向效應(yīng)存在橫向效應(yīng)原因原因敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成直線段：沿直線段：沿x向拉應(yīng)變向拉應(yīng)變x

9、，電阻，電阻圓弧段：除圓弧段：除x向拉應(yīng)變向拉應(yīng)變x，還有，還有y向壓縮應(yīng)變向壓縮應(yīng)變y，使截，使截面積面積 電阻電阻 xK (箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片)y(二二)橫向效應(yīng)橫向效應(yīng) 應(yīng)變極限是指一定溫度下（室溫或極限使用溫度），應(yīng)變片的指示值和真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)誤差值不超過(guò)一定數(shù)值時(shí)的最大應(yīng)變數(shù)值。 (三三)應(yīng)變片的應(yīng)變極限應(yīng)變片的應(yīng)變極限 應(yīng)變片的應(yīng)變極限主要是由特性曲線的非線性來(lái)決定的，超過(guò)應(yīng)變極限不再符合線性。(四四)機(jī)械滯后機(jī)械滯后-對(duì)已安裝好的應(yīng)變片，在一定溫度下，其RR( 指)與真的加載特性與卸載特性不重合，如圖所示。-因此在同一真實(shí)應(yīng)變值下，其對(duì)應(yīng)的RR ( 指)值不一致，這個(gè)加載差值稱

10、為應(yīng)變片的滯后值。-原因：敏感柵材料、基底和黏結(jié)劑在承受機(jī)械應(yīng)變之后所留下的殘余變形引起的。在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí),應(yīng)變是以應(yīng)變波的形式在材料中傳播的,它的傳播速度與聲波相同(對(duì)鋼材V=500Om/s),因此應(yīng)變片要反映應(yīng)變的變化是要一定時(shí)間的。應(yīng)變片的最高工作頻率與應(yīng)變片線柵的長(zhǎng)度(或稱基長(zhǎng))有關(guān)。不同基長(zhǎng)應(yīng)變片的最高工作頻率 (五五)最高工作頻率最高工作頻率 應(yīng)變片在應(yīng)變片在不受外力下不受外力下,室溫測(cè)得電阻值。室溫測(cè)得電阻值。 目前國(guó)內(nèi)應(yīng)變片電阻習(xí)慣用目前國(guó)內(nèi)應(yīng)變片電阻習(xí)慣用60、120、200、350、500、1000,其中以其中以120的為最常用。的為最常用。 電阻值大，可以加大承受的電壓，輸

11、出信號(hào)也可以加電阻值大，可以加大承受的電壓，輸出信號(hào)也可以加大。大。 允許通過(guò)應(yīng)變片而不影響其工作的最大電流值。過(guò)大允許通過(guò)應(yīng)變片而不影響其工作的最大電流值。過(guò)大電流使應(yīng)變片本身過(guò)熱電流使應(yīng)變片本身過(guò)熱,靈敏系數(shù)變化靈敏系數(shù)變化,甚至把應(yīng)變片甚至把應(yīng)變片燒毀。約取燒毀。約取25mA左右。左右。 (六六)應(yīng)變片電阻值應(yīng)變片電阻值(七七)最大工作電流最大工作電流(八八)零漂和蠕變零漂和蠕變 對(duì)于已安裝好的應(yīng)變片，在一定溫度下，不承受對(duì)于已安裝好的應(yīng)變片，在一定溫度下，不承受機(jī)械應(yīng)變時(shí)，其指示應(yīng)變隨時(shí)間而變化的特性，機(jī)械應(yīng)變時(shí)，其指示應(yīng)變隨時(shí)間而變化的特性，稱為應(yīng)變片的稱為應(yīng)變片的零漂零漂。 如果在

12、一定溫度下，使其承受一恒定的機(jī)械應(yīng)變，如果在一定溫度下，使其承受一恒定的機(jī)械應(yīng)變，其指示應(yīng)變隨時(shí)間而變化的特性，稱為應(yīng)變片的其指示應(yīng)變隨時(shí)間而變化的特性，稱為應(yīng)變片的蠕變?nèi)渥儭?這兩項(xiàng)指標(biāo)都是用來(lái)衡量應(yīng)變片特性這兩項(xiàng)指標(biāo)都是用來(lái)衡量應(yīng)變片特性對(duì)時(shí)間的穩(wěn)對(duì)時(shí)間的穩(wěn)定性定性，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量中其意義更為突出。，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量中其意義更為突出。 應(yīng)變片電阻隨溫度變化必造成誤差,稱這種誤差為應(yīng)變片的溫度誤差。 溫度改變引起電阻變化的原因有二個(gè)： 應(yīng)變片的金屬敏感柵電阻本身隨溫度變化； 因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同而造成應(yīng)變片的附加變形使得電阻變化。(九九)電阻應(yīng)變片的溫度特性電阻應(yīng)變片的溫度特性

13、溫度補(bǔ)償?shù)膬煞N方法： 同步補(bǔ)償： 把受力應(yīng)變片貼在受力件上,把補(bǔ)償片貼在不受力但環(huán)境溫度相同的材料上,接入電橋線路相鄰的橋臂上, 相互補(bǔ)償。 電橋輸出只反映應(yīng)變大小,與溫度無(wú)關(guān)。受力R1R2(b)差動(dòng)補(bǔ)償 差動(dòng)補(bǔ)償：將工作應(yīng)變片貼在上表面,補(bǔ)償片貼在對(duì)應(yīng)下表面,彎曲時(shí), 工作應(yīng)變片電阻值增加,補(bǔ)償片電阻值減小,兩個(gè)電阻接在電橋的相鄰兩臂。結(jié)果： 電橋輸出增加一倍,提高輸出靈敏度, 上下溫度一致，補(bǔ)償環(huán)境溫度造成的誤差。 應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形荷重傳感器原理演示荷重傳感器原理演示 荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形

14、。軸向變短，徑向變長(zhǎng)。軸向變短，徑向變長(zhǎng)。應(yīng)變片將試件應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化R/R，由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小，為了進(jìn)一步處理，須把電阻相對(duì)變化R/ R轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。直流電橋是把電阻傳感器的微弱電阻變化轉(zhuǎn)換成電流或電壓變化的變換電路。直流電橋是因?yàn)椴捎弥绷麟娫醋鳛轵?qū)動(dòng)電源而得名。第三節(jié) 電阻傳感器測(cè)量及接口電路假設(shè)輸入端U是一個(gè)恒壓源，由于輸出端接高阻抗的指示表或放大器，近似看成開路：一、直流電橋一、直流電橋434211RRRRRREUo當(dāng)電橋平衡時(shí)，Uo=0，則有： R1R3=R2R4或：或： 3421RRRR電橋平衡條件：電橋平衡條件：欲使電橋平衡， 其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等， 或

15、相對(duì)兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。 下面分別討論橋臂電阻的變化與輸出電壓的關(guān)系：一個(gè)橋臂電阻有變化（單臂電橋）：一個(gè)橋臂電阻有變化（單臂電橋）：例如橋臂R1電阻有R1 的變化（只有一臂工作），成為R1+R1則電橋的輸出電壓為 :若取R1=R2=R3=R4=R0若電橋用于微電阻變化測(cè)量，有：ACBD+-11RR2R3R4R0UU單臂電橋1I2I43421111RRRRRRRRUUoURRRUo1012401RR URRURRUo0101414如相鄰橋臂電阻都有電阻變化（一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變），即R1 變?yōu)镽1+R1 ， R2變?yōu)镽2 - R2，當(dāng)若取R1=R2=R3=R4=R0，且R1= R2=

16、R時(shí)， 這稱為半橋雙臂工作電橋。 兩個(gè)橋臂電阻有變化兩個(gè)橋臂電阻有變化(雙臂電橋雙臂電橋)：ACBD+-11RR22RR3R4R0UU雙臂電橋1I2I00104342211112RRRRURRRRRRRRRUUoURRUo021 四個(gè)橋臂電阻均有變化四個(gè)橋臂電阻均有變化(全橋全橋):全橋差動(dòng)：電橋四臂接入四片應(yīng)變片，即兩個(gè)（相對(duì)臂）受拉應(yīng)變，兩個(gè)（相對(duì)臂）受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接 入 相 對(duì) 橋 臂 上 。 若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4=R0，則其輸出電壓為： ACBD+-11RR22RR0UU44RR33RR全橋1I2I結(jié)論：全橋電路電壓靈敏度為單片工作時(shí)的4倍

17、。 443344221111RRRRRRRRRRRRUUoURRUo0電橋輸出電壓小結(jié)：電橋輸出電壓小結(jié)：?jiǎn)伪垭姌颍簡(jiǎn)伪垭姌颍篣RRU0041 雙臂電橋：雙臂電橋：URRU0021 全橋全橋:URRU00非線性誤差討論以單臂工作為例討論非線性誤差: 上述公式推導(dǎo)的條件是基于R1R1,將公式分母中R1/R1忽略。 實(shí)際上，忽略R1/R1將帶來(lái)誤差。假設(shè)未忽略R1/R1的橋路輸出電壓為UL,忽略R1/R1的橋路輸出電壓為ULURRRUL111,24URRURRUL1111414根據(jù)定義，非線性誤差e為111,21RRRUUUUUeLLLLL對(duì)于非線性誤差很大的情況，必須采用其它處理方法減少非線性誤

18、差 ，例如采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，或者采用恒流源供電代替直流電壓源等。 兩金屬應(yīng)變片R1和R2阻值均為120，靈敏系數(shù)k=2；兩應(yīng)變片一受拉，另一受壓，應(yīng)變均為1000.兩者接入直流電橋組成半橋雙臂工作電橋，電源電壓U=5V。求（1）R和R/R；（2）電橋的輸出電壓U0 。答： = 1000=0.001ACBD+-11RR22RR3R4R0UU雙臂電橋1I2I2 0.0010.002RkR 0.002120 0.0020.24RR00110.002 50.00522RUUVR 右圖為等強(qiáng)度梁測(cè)力系統(tǒng)，右圖為等強(qiáng)度梁測(cè)力系統(tǒng)， R1為電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片靈敏度為電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片靈敏度系數(shù)系數(shù)K2.05，

19、未受應(yīng)變時(shí)，未受應(yīng)變時(shí)，R1=120，當(dāng)試件受力，當(dāng)試件受力F時(shí)，應(yīng)時(shí)，應(yīng)變片承受平均應(yīng)變變片承受平均應(yīng)變800um/m，試求，試求（1）應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化量）應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化量R1和電阻相對(duì)變化量和電阻相對(duì)變化量R1 /R1。（2）將電阻應(yīng)變片）將電阻應(yīng)變片R1置于單臂測(cè)量電橋，電橋電流電壓為置于單臂測(cè)量電橋，電橋電流電壓為直流直流3V，求電橋輸出電壓及電橋非線性誤差。，求電橋輸出電壓及電橋非線性誤差。（3）若要減少非線性誤差，應(yīng)采取何種措施？分析其電橋）若要減少非線性誤差，應(yīng)采取何種措施？分析其電橋輸出電壓及非線性誤差的大小。輸出電壓及非線性誤差的大小。63112.05 800 10

20、1.64 10RKR 33111.64 10120 .64 100.1968RR解：解：4203412121341210.001229()()RRUERRRRRRREVRRRRR 若線性，則若線性，則02134120.00123()()RRUEVRRRR非線性誤差e00082. 0000 UUUe 若要減小非線性誤差，應(yīng)采用差動(dòng)電橋。使一個(gè)受拉，一個(gè)受壓，則，輸出電壓為42203411221120.00246RRRUERRRRRRREVRR 在沒(méi)有輸入信號(hào)的狀態(tài)下，具有盡可能小的輸出信號(hào)，通常將此輸出稱為零位輸出零位輸出。如圖，令先測(cè)得 ，再計(jì)算出應(yīng)增加的補(bǔ)償電阻值電橋產(chǎn)生的零位輸出電壓為這種

21、補(bǔ)償方法適用于橋臂電阻小的直流電橋。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：方法簡(jiǎn)便，電阻絲體積小，可以安放在傳感器的殼體內(nèi)。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：不能隨時(shí)調(diào)節(jié)零位輸出（傳感器使用一段時(shí)間后，其阻值發(fā)生了一定的變化）直流電橋的零位補(bǔ)償直流電橋的零位補(bǔ)償圖(b)中，電位器串接于橋臂中，電位器串接于橋臂R3和和R4中間，電位器的滑動(dòng)臂作為一個(gè)輸出中間，電位器的滑動(dòng)臂作為一個(gè)輸出端，當(dāng)改變電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置后，端，當(dāng)改變電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置后，橋臂橋臂R3、R4的阻值同時(shí)變化，連續(xù)調(diào)的阻值同時(shí)變化，連續(xù)調(diào)節(jié)電位器并觀察輸出電壓，直到零位節(jié)電位器并觀察輸出電壓，直到零位輸出達(dá)到理想后，調(diào)節(jié)結(jié)束。輸出達(dá)到理想后，調(diào)節(jié)結(jié)束。串聯(lián)平衡調(diào)節(jié)串聯(lián)

22、平衡調(diào)節(jié)這種補(bǔ)償方法適用于橋臂電阻較大的直流電橋。這種補(bǔ)償方法適用于橋臂電阻較大的直流電橋。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：滑動(dòng)觸點(diǎn)容易接觸不良；滑動(dòng)觸點(diǎn)容易接觸不良； 電位器體積較大，一般不能放入傳感器內(nèi)；電位器體積較大，一般不能放入傳感器內(nèi)； 傳感器到電位器間的連線容易發(fā)生干擾或帶來(lái)引線傳感器到電位器間的連線容易發(fā)生干擾或帶來(lái)引線電阻的溫度漂移影響。電阻的溫度漂移影響。圖圖(c) 的接法相當(dāng)于橋臂的接法相當(dāng)于橋臂R2和和R4上上各并聯(lián)了一個(gè)電阻，通過(guò)電位器的各并聯(lián)了一個(gè)電阻，通過(guò)電位器的調(diào)節(jié)就可以同時(shí)改變調(diào)節(jié)就可以同時(shí)改變R2和和R4的并聯(lián)的并聯(lián)電阻值，并觀察零位輸出使之達(dá)到電阻值，并觀察零位輸出使之達(dá)到理想

23、的范圍。理想的范圍。并聯(lián)平衡調(diào)節(jié)并聯(lián)平衡調(diào)節(jié)這種補(bǔ)償方法零位調(diào)節(jié)方便、穩(wěn)定，但要注意連接線這種補(bǔ)償方法零位調(diào)節(jié)方便、穩(wěn)定，但要注意連接線應(yīng)該短而對(duì)稱。應(yīng)該短而對(duì)稱。電橋的溫漂補(bǔ)償 (1)熱敏補(bǔ)償法熱敏補(bǔ)償法 在電橋的某一臂串接阻值較小的熱敏元件。有時(shí)在電橋的某一臂串接阻值較小的熱敏元件。有時(shí)選用的熱敏電阻的溫度系數(shù)非常大，其阻值也比選用的熱敏電阻的溫度系數(shù)非常大，其阻值也比需要量大得多，因此常在熱敏電阻上再并聯(lián)一個(gè)需要量大得多，因此常在熱敏電阻上再并聯(lián)一個(gè)非熱敏的小電阻非熱敏的小電阻r1，使得，使得r1與熱敏電阻與熱敏電阻Rt并聯(lián)后達(dá)并聯(lián)后達(dá)到實(shí)際所需的補(bǔ)償范圍，如左圖。到實(shí)際所需的補(bǔ)償范圍，

24、如左圖。 溫度漂移對(duì)于電橋長(zhǎng)時(shí)間聯(lián)系測(cè)量影響很大。溫度漂移對(duì)于電橋長(zhǎng)時(shí)間聯(lián)系測(cè)量影響很大。溫度漂移產(chǎn)生的原因與電橋元件的溫度漂移產(chǎn)生的原因與電橋元件的溫度系數(shù)不一致溫度系數(shù)不一致，環(huán)境溫環(huán)境溫度的變化度的變化，結(jié)構(gòu)零件的，結(jié)構(gòu)零件的熱膨脹系數(shù)不一致熱膨脹系數(shù)不一致，焊點(diǎn)及引出線的，焊點(diǎn)及引出線的電阻值電阻值不對(duì)稱或不穩(wěn)定不對(duì)稱或不穩(wěn)定等都有關(guān)系。等都有關(guān)系。ttRrRrr112用熱敏電阻的阻值變化去補(bǔ)償用熱敏電阻的阻值變化去補(bǔ)償橋臂電阻的溫度變化。橋臂電阻的溫度變化。(2)非熱敏元件補(bǔ)償法非熱敏元件補(bǔ)償法通過(guò)選擇通過(guò)選擇Rs、Rc的數(shù)值就可的數(shù)值就可以達(dá)到補(bǔ)償目的。以達(dá)到補(bǔ)償目的。二、典型接口

25、電路二、典型接口電路由恒流源供電如果傳感器輸出為60-80mV，要求放大器輸出電壓為1V，則放大電路的增益為5.5-17倍。3411VRRARP RP1采用10電勢(shì)差計(jì)。當(dāng)RP1最大時(shí)，增益最小，為5.5倍?？捎?jì)算出R3=R4=22.5K。實(shí)際情況取R3=R4=20K.)(413234RRPRiUUR 413342RRPRUUiR143141312341RPRRRPRRPRUUUUAv1121RPUUiR1212RPiUUR該電路僅放大差動(dòng)電壓，則5678RRRR 為補(bǔ)償傳感器橋路不平衡所產(chǎn)生的電壓，將電勢(shì)差計(jì)RP2所形成的電壓經(jīng)A4進(jìn)行阻抗變換，再通過(guò)R8加到A5的同相輸入端。半導(dǎo)體壓阻傳感

26、器也稱為固態(tài)壓阻式傳感器(solid-state piezoresistive sensor)。原理是基于半導(dǎo)體材料壓阻效應(yīng),也稱為半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器。 半導(dǎo)體材料在機(jī)械應(yīng)力的作用下,使得材料本身的電阻率發(fā)生了較大的變化,這種現(xiàn)象叫做壓阻效應(yīng)。這與金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)有根本的區(qū)別。 第二節(jié) 半導(dǎo)體固態(tài)壓阻式傳感器 原理：晶體在應(yīng)力作用下,晶格間的載流子(空穴、電子)的相互作用發(fā)生了變化,從能量的角度來(lái)看,原子結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的禁帶寬度發(fā)生了變化,這就影響了導(dǎo)帶中載流子數(shù)目,同時(shí)又使載流子的遷移率發(fā)生變化,因此晶體的電阻率變化，通常稱為壓阻式傳感器。 半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)要比金屬應(yīng)變片大幾十

27、倍至一百多倍。 半導(dǎo)體晶片壓阻效應(yīng)的方向性很強(qiáng)。 一、體型半導(dǎo)體應(yīng)變片一、體型半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片在軸向受力作用時(shí)，其電阻相對(duì)變化為: y半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對(duì)變化量與所受的應(yīng)變力有關(guān)：-壓阻系數(shù) y-楊氏模量 -應(yīng)變量dLdLRdR)21 (因此：)21 (yRR實(shí)驗(yàn)證明，y 比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，因而 yRRkB 為半導(dǎo)體應(yīng)變片應(yīng)變系數(shù)。 半導(dǎo)體應(yīng)變片應(yīng)變系數(shù)50200,而一般金屬應(yīng)變片應(yīng)變系數(shù)只有14。 用半導(dǎo)體應(yīng)變?cè)瞥蓚鞲衅鳙@得高靈敏度、低機(jī)械滯后、體積小等優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)：溫度系數(shù)較大，非線性比較大等。yRRkB用用P型或型或N型硅材料按其壓阻效應(yīng)最強(qiáng)的方向切割

28、型硅材料按其壓阻效應(yīng)最強(qiáng)的方向切割成薄片成薄片,將此硅條粘貼在帶有引線焊接箔的底基上將此硅條粘貼在帶有引線焊接箔的底基上,焊接好后成為應(yīng)變片焊接好后成為應(yīng)變片 底基 半導(dǎo)體條引線片 半導(dǎo)體條引線片(a)(b) (c)(a)普通半導(dǎo)體應(yīng)變片; (b)補(bǔ)償式半導(dǎo)體應(yīng)變片;(c)無(wú)底基半導(dǎo)體應(yīng)變片。二、擴(kuò)散式半導(dǎo)體應(yīng)變片二、擴(kuò)散式半導(dǎo)體應(yīng)變片將將P型半導(dǎo)體擴(kuò)散到型半導(dǎo)體擴(kuò)散到N型硅基底上型硅基底上,形成一層極薄形成一層極薄的導(dǎo)電的導(dǎo)電P型層線條型層線條,連接引線后形成擴(kuò)散式半導(dǎo)體連接引線后形成擴(kuò)散式半導(dǎo)體應(yīng)變片應(yīng)變片,通常稱壓敏電阻片。通常稱壓敏電阻片。 B1 B2A1A2 A1 B1 A2 B2

29、金絲鋁電極 氮化硅膜 P型擴(kuò)散條 N型硅襯底 (a) (b)三、傳感器電路三、傳感器電路0()()TTTTTTTU RRRURRRRRRU RRRRRRRRRRURR （一）恒壓源供電直流電橋（一）恒壓源供電直流電橋把擴(kuò)散式壓敏電阻接成惠斯通電橋。當(dāng)有應(yīng)力時(shí)，兩個(gè)電阻把擴(kuò)散式壓敏電阻接成惠斯通電橋。當(dāng)有應(yīng)力時(shí)，兩個(gè)電阻增量為增量為R，另兩個(gè)對(duì)接電阻減小量為，另兩個(gè)對(duì)接電阻減小量為- R。還由于溫度的影。還由于溫度的影響，每個(gè)電阻都有響，每個(gè)電阻都有RT的變化量。的變化量。當(dāng)當(dāng)RT=0時(shí)時(shí)0RUUR 和溫度非線性關(guān)系和溫度非線性關(guān)系恒壓源供電不能消除溫度的影響。恒壓源供電不能消除溫度的影響。（二

30、）恒流源供電直流電橋（二）恒流源供電直流電橋恒流源供電時(shí)，假設(shè)電橋兩個(gè)恒流源供電時(shí)，假設(shè)電橋兩個(gè)支路電阻支路電阻 RABC= RADC= 2(R+RT )，則有，則有輸出和輸出和R成正比，也和電流源電流成正比。成正比，也和電流源電流成正比。電流源供電的優(yōu)點(diǎn)是不受溫度變化的影響。電流源供電的優(yōu)點(diǎn)是不受溫度變化的影響。因此，輸出為因此，輸出為12ABCADCIII011()()22BDTTUUI RRRI RRRI R （三）溫度補(bǔ)償電路（三）溫度補(bǔ)償電路為了補(bǔ)償溫度對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響，需要采取為了補(bǔ)償溫度對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響，需要采取溫度補(bǔ)償線溫度補(bǔ)償線路路。辦法：在電源回路中用辦法：在電源回路中用串

31、聯(lián)二極管（負(fù)溫度系數(shù)）串聯(lián)二極管（負(fù)溫度系數(shù)）進(jìn)行進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償。溫度升高溫度升高 傳感器靈敏度降低傳感器靈敏度降低 使電源電壓提使電源電壓提高高 電橋輸出變大電橋輸出變大 （進(jìn)行補(bǔ)償）（進(jìn)行補(bǔ)償）溫度降低溫度降低 傳感器靈敏度升高傳感器靈敏度升高 使電源電壓降使電源電壓降低低 電橋輸出變小電橋輸出變小 （進(jìn)行補(bǔ)償）（進(jìn)行補(bǔ)償）（四）非線性補(bǔ)償電路（四）非線性補(bǔ)償電路大部分電阻應(yīng)變式傳感器都存在應(yīng)變極限帶來(lái)的非線性，應(yīng)變特性曲線呈現(xiàn)非線性特性，如圖所示，使用時(shí)應(yīng)該對(duì)變式傳感器進(jìn)行非線性補(bǔ)償 一、金屬應(yīng)變式傳感器的醫(yī)學(xué)應(yīng)用一、金屬應(yīng)變式傳感器的醫(yī)學(xué)應(yīng)用 用來(lái)測(cè)量脈搏、呼吸流量、血壓等應(yīng)變片壓力傳

32、感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。 在壓力p作用下，膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變r(jià)和切向應(yīng)變t，表達(dá)式分別為 ：第四節(jié) 電阻式傳感器的醫(yī)學(xué)應(yīng)用yhxRpyhxRptr222222228)(1(38)3)(1(3 膜片式壓力傳感器應(yīng)變變化曲線的特點(diǎn)：當(dāng)當(dāng)x=0時(shí)，時(shí)，rmax=tmax；當(dāng)當(dāng)x=R時(shí)，時(shí)，t=0， r=2rmax。 特點(diǎn)的應(yīng)用：特點(diǎn)的應(yīng)用：一般在平膜片一般在平膜片圓心處切向粘貼切向粘貼R1、R4兩個(gè)應(yīng)變片兩個(gè)應(yīng)變片(承受承受較大的正切向應(yīng)變)， 在在邊緣處沿徑向沿徑向粘貼粘貼R2、R3兩個(gè)應(yīng)變片兩個(gè)應(yīng)變片(承受承受較大的負(fù)徑向應(yīng)變) ，然后，然后接成全橋測(cè)量電路。接成全橋測(cè)量電路。3/Rx 0r2223 (1)8rtPRh y r -