電阻式傳感器

1、第二章第二章 電阻傳感器電阻傳感器電阻式傳感器的電阻式傳感器的基本原理基本原理是將被測量的變化轉換是將被測量的變化轉換成傳感元件電阻值的變化，再經過轉換電路變成成傳感元件電阻值的變化，再經過轉換電路變成電信號輸出。電信號輸出。按工作的原理可分為按工作的原理可分為:變阻器式、電阻應變式、變阻器式、電阻應變式、 熱敏式、光敏式、電敏式熱敏式、光敏式、電敏式等。等。電阻傳感器常用來測量電阻傳感器常用來測量位移位移、力力、壓力壓力、應變應變、 扭矩扭矩和和加速度加速度等非電量。等非電量。2-1 2-1 電位器式傳感器電位器式傳感器 電位器是一個機電傳感元件，它電位器是一個機電傳感元件，它作為傳感器可以

2、將作為傳感器可以將機械位移機械位移或其它能或其它能轉換為位移的非電量轉換為與其有一轉換為位移的非電量轉換為與其有一定函數(shù)關系的定函數(shù)關系的電阻值電阻值的變化，從而引的變化，從而引起起輸出電壓輸出電壓的變化。的變化。一、電位器式傳感器的種類一、電位器式傳感器的種類 由電阻系數(shù)很高的極細的導線按一定規(guī)律繞在絕緣骨架上，用電刷（活由電阻系數(shù)很高的極細的導線按一定規(guī)律繞在絕緣骨架上，用電刷（活動觸點）調節(jié)阻值大小。動觸點）調節(jié)阻值大小。 特點：特點：結構簡單，尺寸小，輸出特性精度高（可達結構簡單，尺寸小，輸出特性精度高（可達0.1%）且穩(wěn)定，輸）且穩(wěn)定，輸出信號大，受環(huán)境影響小。由于電阻元件與電刷間的

3、摩擦，可靠性和壽命受出信號大，受環(huán)境影響小。由于電阻元件與電刷間的摩擦，可靠性和壽命受到影響，分辨力也較低。到影響，分辨力也較低。 由電阻液（用石墨、碳黑、樹脂等材料配置而成）噴涂在絕緣骨架表面由電阻液（用石墨、碳黑、樹脂等材料配置而成）噴涂在絕緣骨架表面上形成電阻膜。上形成電阻膜。 特點：特點：分辨力高、阻值范圍寬、耐磨性好、工藝簡單、成本低，其線性分辨力高、阻值范圍寬、耐磨性好、工藝簡單、成本低，其線性度在度在1%左右（經修刻后，可提高到左右（經修刻后，可提高到0.1% ）；接觸電阻大，抗潮性差，噪聲）；接觸電阻大，抗潮性差，噪聲較大。較大。 在玻璃或陶瓷基體上用真空蒸發(fā)或電鍍的方法涂覆一

4、層金屬復合膜而制在玻璃或陶瓷基體上用真空蒸發(fā)或電鍍的方法涂覆一層金屬復合膜而制成。成。 特點：特點：電阻系數(shù)小，分辨力高，可工作在高溫環(huán)境；耐磨性差、功率電阻系數(shù)小，分辨力高，可工作在高溫環(huán)境；耐磨性差、功率小、阻值較低（小、阻值較低（1K2K）。）。 由塑料粉及導電材料（如金屬合金、碳黑、石墨）的粉料由塑料粉及導電材料（如金屬合金、碳黑、石墨）的粉料經塑壓而成。經塑壓而成。 特點：特點：耐磨性極高，電刷接觸壓力要求較大，抗沖擊振動耐磨性極高，電刷接觸壓力要求較大，抗沖擊振動性能好，分辨力高，線性度一般性能好，分辨力高，線性度一般2%，阻值范圍大，功率大；，阻值范圍大，功率大；阻值易受溫、濕度

5、影響、接觸電阻大、精度不高。阻值易受溫、濕度影響、接觸電阻大、精度不高。 5. 以合金（如鈀銀）、合金氧化物（如二硅化鉬）、難溶化以合金（如鈀銀）、合金氧化物（如二硅化鉬）、難溶化合物（如碳化鎢）等為電阻材料，以玻璃釉粉為粘合劑燒合物（如碳化鎢）等為電阻材料，以玻璃釉粉為粘合劑燒結在陶瓷或玻璃基體上制成。結在陶瓷或玻璃基體上制成。 特點：特點：分辨力很高、耐磨、耐高溫、抗?jié)?、阻值范圍廣、分辨力很高、耐磨、耐高溫、抗?jié)瘛⒆柚捣秶鷱V、電阻溫度系數(shù)?。s電阻溫度系數(shù)?。s2.510-4/）；精度不高、接觸電）；精度不高、接觸電阻大。阻大。 是一種非接觸式電位器，一光束代替常規(guī)的電刷。一般采用氧化鋁作

6、是一種非接觸式電位器，一光束代替常規(guī)的電刷。一般采用氧化鋁作基體，在其上蒸發(fā)一條帶狀電阻薄膜（鎳鋁合金或鎳鐵合金）和一條導電基體，在其上蒸發(fā)一條帶狀電阻薄膜（鎳鋁合金或鎳鐵合金）和一條導電極（鉻合金或銀）。極（鉻合金或銀）。 圖圖1是這種電位器的結構圖。平時無光照時，電阻體是這種電位器的結構圖。平時無光照時，電阻體 和導電電極之間由于光電導層電阻很大而呈現(xiàn)絕緣狀和導電電極之間由于光電導層電阻很大而呈現(xiàn)絕緣狀 態(tài)。當光束照射在電阻體和導電電極的間隙上時，由態(tài)。當光束照射在電阻體和導電電極的間隙上時，由 于光電導層被照射部位的亮電阻很小，使電阻體被照于光電導層被照射部位的亮電阻很小，使電阻體被照

7、射部位和導電電極導通，于是光電電位器的輸出端就射部位和導電電極導通，于是光電電位器的輸出端就 有電壓輸出，輸出電壓的大小與光束位移照射到的位有電壓輸出，輸出電壓的大小與光束位移照射到的位 置有關，從而實現(xiàn)了將光束位移轉換為電壓信號輸置有關，從而實現(xiàn)了將光束位移轉換為電壓信號輸 出。出。 特點：特點：光電電位器最大的優(yōu)點是非接觸型，不存在磨損問題，它不會光電電位器最大的優(yōu)點是非接觸型，不存在磨損問題，它不會對傳感器系統(tǒng)帶來任何有害的摩擦力矩，從而提高了傳感器的精度、壽對傳感器系統(tǒng)帶來任何有害的摩擦力矩，從而提高了傳感器的精度、壽命、可靠性及分辨率。光電電位器的缺點是接觸電阻大，線性度差。由于命、

8、可靠性及分辨率。光電電位器的缺點是接觸電阻大，線性度差。由于它的輸出阻抗較高，需要配接高輸入阻抗的放大器。盡管光電電位器有著它的輸出阻抗較高，需要配接高輸入阻抗的放大器。盡管光電電位器有著不少的缺點，但由于它的優(yōu)點是其它電位器所無法比擬的，因此在許多重不少的缺點，但由于它的優(yōu)點是其它電位器所無法比擬的，因此在許多重要場合仍得到應用。要場合仍得到應用。 1 2 3 132直線型直線型旋轉型旋轉型二、線繞電位器式傳感器工作原理及結構二、線繞電位器式傳感器工作原理及結構圖圖2 線繞電位器結構圖線繞電位器結構圖圖圖3 線繞電位器實物圖線繞電位器實物圖UiRx0Rx(等效電路等效電路)三、線性線繞電位器

9、電輸出特性三、線性線繞電位器電輸出特性VorR(L)Vix圖中：圖中：Vi電位器輸入電壓；電位器輸入電壓； V0電位器輸出電壓；電位器輸出電壓； R電位器總電阻；電位器總電阻； L電位器總行程；電位器總行程； x電刷行程；電刷行程； r電刷行程電刷行程x處對應電阻；處對應電阻； b骨架寬度；骨架寬度； h骨架高度；骨架高度； t線繞節(jié)距；線繞節(jié)距； RL負載電阻。負載電阻。 l 視在分辨力視在分辨力 階躍值為階躍值為視在分辨力；視在分辨力；n 電位器線圈總匝數(shù)電位器線圈總匝數(shù) 如如Vi10V，n100匝，匝， 則則0.1V，這意味著輸出電壓以，這意味著輸出電壓以0.1V的階躍形式增加，即的階躍

10、形式增加，即為輸入電壓的為輸入電壓的1，不能給出小于，不能給出小于0.1V的電壓變化。的電壓變化。 l 負載誤差負載誤差在在RL條件下，輸出電壓的表達式為條件下，輸出電壓的表達式為 顯然顯然RL時，時， 由負載電阻為有限值產生的相對負載誤差為：由負載電阻為有限值產生的相對負載誤差為： 若令負載系數(shù)若令負載系數(shù)mR/RL，行程比，行程比Xr/R=x/L，則有，則有Lr 對對求一階導數(shù)求一階導數(shù) Lr 取取的極大值的極大值 ， ，亦即，亦即可見相對負載誤差在可見相對負載誤差在x=1/2L處有極值。處有極值。 （負載誤差最大）（負載誤差最大）2-2 2-2 應變式傳感器應變式傳感器 應變式式傳感器是

11、基于金屬電阻的應變應變式式傳感器是基于金屬電阻的應變效應制成。效應制成。一、金屬的電阻應變效應一、金屬的電阻應變效應 金屬導體的電阻隨著機械變形（伸長或金屬導體的電阻隨著機械變形（伸長或縮短）的大小發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為縮短）的大小發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為金屬的電金屬的電阻應變效應阻應變效應。llrrFF 設一根長為設一根長為l，截面積為，截面積為S，電阻系數(shù)為，電阻系數(shù)為的電阻絲，其電阻值的電阻絲，其電阻值R為：為：導線兩端受到力導線兩端受到力F作用時作用時將上式取對數(shù)再微分，則引起電阻值變化將上式取對數(shù)再微分，則引起電阻值變化dR：因因由材料力學可知：由材料力學可知： （徑向變化）（徑向變化），式中

12、，式中泊松比泊松比表示電阻絲軸向的相對變化，也就是表示電阻絲軸向的相對變化，也就是應變應變。令令則則K金屬電阻絲金屬電阻絲的相對靈敏度系數(shù)。的相對靈敏度系數(shù)。金屬電阻絲的相對靈敏度系數(shù)受兩個因素影響：金屬電阻絲的相對靈敏度系數(shù)受兩個因素影響：（1）受力后材料的幾何尺寸變化所引起的；即）受力后材料的幾何尺寸變化所引起的；即（2）受力后材料的電阻率發(fā)生變化引起的；即）受力后材料的電阻率發(fā)生變化引起的；即項項項項二、應變片的結構二、應變片的結構 應變片由電阻絲（敏感柵）、基底、引線和粘合劑組成。應變片由電阻絲（敏感柵）、基底、引線和粘合劑組成。 敏感柵由很細的電阻絲（敏感柵由很細的電阻絲（0.010

13、.05mm）或箔式）或箔式金屬片（厚度為金屬片（厚度為310m）組成。）組成。敏感柵常用下列材料制成敏感柵常用下列材料制成：（1）康銅（銅鎳合金）：康銅（銅鎳合金）：最常用；最常用；（2）鎳鉻合金：鎳鉻合金：多用于動態(tài)；多用于動態(tài)；（3）鎳鉻鋁合金：鎳鉻鋁合金：作中、高溫應變片；作中、高溫應變片；（4）鎳鉻鐵合金：鎳鉻鐵合金：疲勞壽命要求高的應變片；疲勞壽命要求高的應變片；（5）鉑及鉑合金：鉑及鉑合金：高溫動態(tài)應變測量。高溫動態(tài)應變測量。電阻應變片電阻應變片的靈敏度系數(shù)定義為：的靈敏度系數(shù)定義為：為軸向應變。為軸向應變。其中其中 實驗證明，實驗證明，電阻絲電阻絲的應變靈敏度系數(shù)不等的應變靈敏度

14、系數(shù)不等于于電阻絲應變片電阻絲應變片的應變靈敏度系數(shù)，即的應變靈敏度系數(shù)，即。l0PP2bar圖圖4 放大的柵狀電阻應變片及彎角放大的柵狀電阻應變片及彎角 部分示意圖部分示意圖縱向應變縱向應變 造成電阻增加，橫向應造成電阻增加，橫向應變變 造成電阻減少。造成電阻減少。經推導得：經推導得：n直線部分柵絲的數(shù)目；直線部分柵絲的數(shù)目；n-1彎角部分的個數(shù)。彎角部分的個數(shù)。 可見可見 ，即應變片存在橫向效應使應變片的靈即應變片存在橫向效應使應變片的靈敏度系數(shù)小于電阻絲的應變靈敏度系數(shù)敏度系數(shù)小于電阻絲的應變靈敏度系數(shù)。小結小結 金屬絲式應變片金屬絲式應變片使用最早，但由于金屬絲式應變片蠕變較大，金使用

15、最早，但由于金屬絲式應變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢。但其價格便宜，多用于應變、屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢。但其價格便宜，多用于應變、應力的大批量、一次性試驗。應力的大批量、一次性試驗。 箔式應變片箔式應變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時間與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時間測量時的蠕變較小，一致性較好，能將溫度影響減小到最小的程度，適測量時的蠕變較小，一致性較好，能將溫度影響減小到最小的程度，適合于大批量生產。合于大批量生產。應用較多應用較多R1RBMMR1RBMMR1RBMMiRoRUoUUoU理想情況下，理想情況下， ，即應變片的輸

16、出電阻是，即應變片的輸出電阻是應變的一元函數(shù)；但實際上應變片輸出電阻還和溫應變的一元函數(shù)；但實際上應變片輸出電阻還和溫度有關，即度有關，即 。 溫度變化引起電阻變化的原因主要有兩點：溫度變化引起電阻變化的原因主要有兩點：（1）電阻絲電阻本身就是溫度的函數(shù)。）電阻絲電阻本身就是溫度的函數(shù)。（2）試件材料與應變片材料熱膨脹系數(shù)不同）試件材料與應變片材料熱膨脹系數(shù)不同產生附加變形而引起電阻的變化，其電阻增量表達式為：產生附加變形而引起電阻的變化，其電阻增量表達式為： 由熱膨脹系數(shù)不同產生的電阻增量；由熱膨脹系數(shù)不同產生的電阻增量； 分別為試件、電阻絲的熱膨脹系數(shù)。分別為試件、電阻絲的熱膨脹系數(shù)。 溫

17、度補償?shù)姆椒囟妊a償?shù)姆椒ǎ?）采用敏感柵熱處理或采用兩種溫度系數(shù)的材）采用敏感柵熱處理或采用兩種溫度系數(shù)的材料相互補償?shù)姆椒?，使得敏感柵與試件熱膨脹系料相互補償?shù)姆椒?，使得敏感柵與試件熱膨脹系數(shù)相似。數(shù)相似。（2）電橋補償法（電路實現(xiàn)）。電橋補償法（電路實現(xiàn)）。R1R2R3R4U若初始電阻若初始電阻 。電橋輸出電壓與各橋臂電阻的增量表達式為：電橋輸出電壓與各橋臂電阻的增量表達式為： 每一個橋臂電阻變化均是兩部分：一部分是每一個橋臂電阻變化均是兩部分：一部分是應變應變引起的；引起的；另一部分是另一部分是溫度溫度引起的。引起的。 若橋臂電阻均在同一溫度場，各橋臂電阻同批制造，材料若橋臂電阻均在同

18、一溫度場，各橋臂電阻同批制造，材料規(guī)格、工藝均相同，則由規(guī)格、工藝均相同，則由溫度變化引起的電阻相對變化相互抵溫度變化引起的電阻相對變化相互抵消消，且不在電橋輸出中反映。，且不在電橋輸出中反映。RWRCR3R4URWRC半橋連接半橋連接RWRCR3R4URWRC差動半橋連接差動半橋連接RWRCRWRCURWRCRWRW全橋連接全橋連接1、幾何尺寸幾何尺寸：敏感柵基長、基寬、應變片的基底長：敏感柵基長、基寬、應變片的基底長 和基底寬；和基底寬；2、初始電阻初始電阻：未粘貼前，在室溫下測得的電阻：未粘貼前，在室溫下測得的電阻 (常常 用用120)；3、絕緣電阻絕緣電阻：敏感柵與基底間的電阻值；：敏

19、感柵與基底間的電阻值；4、允許工作電流允許工作電流：最大的工作電流。：最大的工作電流。2-3 2-3 壓阻式傳感器壓阻式傳感器壓阻式傳感器壓阻式傳感器利用硅的利用硅的壓阻效應壓阻效應和微電子技術制成。和微電子技術制成。特點特點：靈敏度高、動態(tài)響應好、精度高、易于微型化和：靈敏度高、動態(tài)響應好、精度高、易于微型化和 集成化。集成化。半導體應變片制成的粘貼型壓阻傳感器半導體應變片制成的粘貼型壓阻傳感器力敏電阻與硅膜片一體化擴散型壓阻傳感器力敏電阻與硅膜片一體化擴散型壓阻傳感器一、半導體壓阻效應一、半導體壓阻效應壓阻效應：壓阻效應：固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變

20、 化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應?；?，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應。 所有材料在某種程度都呈現(xiàn)壓阻效應，但在所有材料在某種程度都呈現(xiàn)壓阻效應，但在半導體材料中，這種效應特別顯著。半導體材料中，這種效應特別顯著。 金屬應變片發(fā)生應變后，使導體的幾何尺寸發(fā)生改變金屬應變片發(fā)生應變后，使導體的幾何尺寸發(fā)生改變阻值變化阻值變化 半導體材料的電阻大小半導體材料的電阻大小取決于有限數(shù)目的載流子取決于有限數(shù)目的載流子 空穴和電子的遷移?？昭ê碗娮拥倪w移。加在一定加在一定晶向上晶向上的外界應力，引起半導體能帶的的外界應力，引起半導體能帶的變化，使載流子的遷移率產生較大的變化，導致變化，使載流子的遷移率產生較大的變化，導致半

21、導體電阻率產生相應的變化。半導體電阻率產生相應的變化。iN半導體的電阻率半導體的電阻率 與載流子數(shù)與載流子數(shù) 及平均遷移率及平均遷移率avav之積成反比。之積成反比。e 電子電荷量。電子電荷量。aviN 應力作用于半導體時，同時使應力作用于半導體時，同時使 和和 發(fā)生發(fā)生變化，變化的大小和方向取決于半導體的類型、變化，變化的大小和方向取決于半導體的類型、載流子濃度以及作用于半導體某一晶向上的壓力。載流子濃度以及作用于半導體某一晶向上的壓力。l式中：式中： 縱向壓阻系數(shù)縱向壓阻系數(shù) 應力應力由材料力學知：由材料力學知：應力應力應變應變半導體材料彈性模量半導體材料彈性模量這樣這樣金屬電阻絲的相對靈

22、敏度系數(shù)為：金屬電阻絲的相對靈敏度系數(shù)為：代入得到：代入得到：彈性模量彈性模量泊松比泊松比壓阻系數(shù)壓阻系數(shù)金屬應變片金屬應變片 基本不變基本不變金屬應變片金屬應變片半導體應變片半導體應變片 變化變化半導體應變片半導體應變片 常用的單晶硅材料是各向異性的，取向不同時常用的單晶硅材料是各向異性的，取向不同時特性不一樣。取向用特性不一樣。取向用晶向晶向來表示。來表示。 晶向晶向是晶面的法線方向，用是晶面的法線方向，用密勒指數(shù)密勒指數(shù)表示。表示。 密勒指數(shù)密勒指數(shù)是在晶體是在晶體x、y、z 軸上晶面截距的倒數(shù)軸上晶面截距的倒數(shù)化成的三個沒有公約數(shù)的整數(shù)。化成的三個沒有公約數(shù)的整數(shù)。 壓阻系數(shù)隨晶向不同而異，壓阻系數(shù)隨晶向不同而異，晶向不同，壓阻效晶向不同，壓阻效應也明顯不同。應也明顯不同。對對P型硅來說，型硅來說，111晶向的相對晶向的相對靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)K111達達150，而，而100晶向的晶向的K100只有只有10左右。左右。