第2章 電阻式傳感器課件

傳感與測試技術(shù)

第2章電阻式傳感器2.1金屬應(yīng)變式傳感器2.2半導(dǎo)體壓阻應(yīng)變式傳感器2.3測量電路2.4電位器式傳感器介紹第二章應(yīng)變式傳感器第2章電阻式傳感器2.1金屬應(yīng)變式傳感器金屬應(yīng)變效應(yīng)金屬應(yīng)變片類型金屬應(yīng)變片的靜態(tài)特性金屬應(yīng)變片的動態(tài)特性電阻應(yīng)變式傳感器（也稱應(yīng)變片式）是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。屬于電參數(shù)型傳感器（將感受的輸入被測參量轉(zhuǎn)換為電參數(shù)R的變化。）由電阻應(yīng)變敏感元件粘貼在彈性元件上構(gòu)成。廣泛應(yīng)用于測量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)。彈性元件被測量應(yīng)變式變換器圖

電阻應(yīng)變式傳感器組成框圖金屬應(yīng)變式傳感器工作原理

導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種產(chǎn)生機(jī)械變形時，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。設(shè)有一段長為l，截面積為A，電阻率為ρ的導(dǎo)體(如金屬絲)，那么它具有的電阻為:式中：ρ—電阻絲的電阻率；

l—電阻絲的長度；

A—電阻絲的截面積。

當(dāng)它受到軸向力F而被拉伸(或壓縮)時，其l、A和ρ均發(fā)變化，導(dǎo)體的電阻隨之發(fā)生變化，電阻相對變化為：材料的軸向線應(yīng)變:對圓形截面兩邊除以有：

在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短，那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為：

μ為電阻絲材料的泊松比，負(fù)號表示應(yīng)變方向相反，則電阻絲的靈敏系數(shù)Sg影響Sg的因素

(1)應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化（1+2u）；

(2)材料電阻率發(fā)生的變化

金屬材料：

在電阻絲拉伸極限內(nèi)泊松比u=0.5，故Sg

2。半導(dǎo)體材料：

與半導(dǎo)體敏感元件在軸向所受的應(yīng)變力有關(guān)：

半導(dǎo)體應(yīng)變片的K比金屬絲式高50～80倍，但半導(dǎo)體材料溫度系數(shù)大，應(yīng)變時非線性比較嚴(yán)重，使其應(yīng)用范圍受到一定的限制。2.1金屬應(yīng)變式傳感器金屬應(yīng)變效應(yīng)金屬應(yīng)變片類型金屬應(yīng)變片的靜態(tài)特性金屬應(yīng)變片的動態(tài)特性應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)和類型應(yīng)變計的結(jié)構(gòu) (a)絲式

(b)箔式

(c)真空沉積薄膜式1—基底2—敏感柵3—蓋層4—引線應(yīng)變片的種類、結(jié)構(gòu)、材料和粘貼按材料有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片2種金屬電阻應(yīng)變片有絲式、箔式和真空沉積式。結(jié)構(gòu)：由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成。敏感柵有絲式（電阻絲直徑0.01~0.05mm）、箔式（金屬箔柵厚度0.003~0.01mm）和薄膜式（真空沉積厚度0.1um以下）?；透采w層材料：膠膜、紙、玻璃纖維布等絕緣材料。主要有絲式、箔式和真空沉積式三種典型應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)型式(1)基底——為保持敏感柵固定的形狀、尺寸和位置，通常用粘結(jié)劑將它固結(jié)在紙質(zhì)或膠質(zhì)的基底上。一般為0.02～0.04mm。(2)敏感柵——應(yīng)變計中實現(xiàn)應(yīng)變-電阻轉(zhuǎn)換的敏感元件。其電阻值一般在100Ω以上。(3)蓋層——用紙、膠作成覆蓋在敏感柵上的保護(hù)層；起著防潮、防蝕、防損等作用。(4)引線——它起著敏感柵與測量電路之間的過渡連接和引導(dǎo)作用。測量原理用應(yīng)變片測量時，將其粘貼在被測對象表面上。當(dāng)被測對象受力變形時，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，這是用來直接測量應(yīng)變。通過彈性敏感元件，將位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，則可用應(yīng)變片測量上述各量，而做成各種應(yīng)變式傳感器。應(yīng)變片之所以應(yīng)用得比較廣泛，是由于它有如下的優(yōu)點：①測量應(yīng)變的靈敏度和精度高，性能穩(wěn)定、可靠，可測，誤差小于1%。②應(yīng)變片尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量速度快。測量時對被測件的工作狀態(tài)和應(yīng)力分布基本上無影響。既可用于靜態(tài)測量，又可用于動態(tài)測量。③測量范圍大。既可測量彈性變形，也可測量塑性變形。變形范圍可從1%～2%。④適應(yīng)性強(qiáng)?？稍诟邷?、超低溫、高壓、水下、強(qiáng)磁場以及核輻射等惡劣環(huán)境下使用。⑤便于多點測量、遠(yuǎn)距離測量和遙測。⑥價格便宜，品種多，工藝較成熟。金屬電阻應(yīng)變片的材料要求：應(yīng)變范圍大；大；溫度影響小；良好的焊接性能，與其它金屬的接觸電阻??；機(jī)械強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。如：康銅金屬電阻應(yīng)變片的粘貼膠的重要性高溫、低溫情況2.1金屬應(yīng)變式傳感器金屬應(yīng)變效應(yīng)金屬應(yīng)變片類型金屬應(yīng)變片的靜態(tài)特性金屬應(yīng)變片的動態(tài)特性電阻應(yīng)變片的靜態(tài)特性1.敏感元件彈性特性彈性元件：具有彈性變形特性的物體作用：被測量－應(yīng)變（位移）－應(yīng)變片－電阻值剛度：外力作用下變形大小的量度S大，在一定F下彈性元件變形大。彈性元件材料：合金鋼、鈹青銅、不銹鋼2.靈敏系數(shù)F軸向應(yīng)變tR/R應(yīng)變片靈敏系數(shù)Sg0通常實際靈敏系數(shù)Sg<Sg0，柵端圓弧部分橫向效應(yīng)的影響，叫標(biāo)稱靈敏系數(shù)Sg，在規(guī)定條件下實驗確定。3.橫向效應(yīng)在半圓弧段應(yīng)變變化-ut，書上分析較深，自己閱讀。電阻絲繞成敏感柵后，應(yīng)變狀態(tài)相同，但電阻變化減小，使Sg<Sg0。箔式應(yīng)變片可減小橫向效應(yīng)產(chǎn)生的誤差。4.機(jī)械滯后實際應(yīng)用中，由于敏感柵基底和粘結(jié)劑材料性能，或使用中的過載、過熱，都會使應(yīng)變計產(chǎn)生殘余變形，導(dǎo)致應(yīng)變計輸出的不重合。這種不重合性用機(jī)械滯后(zj)來衡量。

機(jī)械滯后是指粘貼在試件上的應(yīng)變計，在恒溫條件下增(加載)、減(卸載)試件應(yīng)變的過程中，對應(yīng)同一機(jī)械應(yīng)變所指示應(yīng)變量(輸出)之差值。通常在室溫條件下，要求機(jī)械滯后zj＜3-10με。實測中，可在測試前通過多次重復(fù)預(yù)加、卸載，來減小機(jī)械滯后產(chǎn)生的誤差。5.蠕變和零漂粘貼在試件上的應(yīng)變計，在恒溫恒載條件下，指示應(yīng)變量隨時間單向變化的特性稱為蠕變(時漂)。當(dāng)試件初始空載時，應(yīng)變計示值仍會隨時間變化的現(xiàn)象稱為零漂。蠕變反映了應(yīng)變計在長時間工作中對時間的穩(wěn)定性，通常要求θ＜3-15με。引起蠕變的主要原因是，制作應(yīng)變計時內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和工作中出現(xiàn)的剪應(yīng)力，使絲柵、基底，尤其是膠層之間產(chǎn)生的“滑移”所致。選用彈性模量較大的粘結(jié)劑和基底材料，適當(dāng)減薄膠層和基底，并使之充分固化，有利于蠕變性能的改善。

應(yīng)變片的機(jī)械滯后特性應(yīng)變片的蠕變（時漂）和零漂特性

零漂

蠕變6.應(yīng)變極限應(yīng)變片的線性(靈敏系數(shù)為常數(shù))特性，只有在一定的應(yīng)變限度范圍內(nèi)才能保持。當(dāng)試件輸入的真實應(yīng)變超過某一限值時，應(yīng)變計的輸出特性將出現(xiàn)非線性。在恒溫條件下，使非線性誤差達(dá)到10%時的真實應(yīng)變值，稱為應(yīng)變極限。如圖所示。應(yīng)變極限是衡量應(yīng)變計測量范圍和過載能力的指標(biāo)，通常要求εlim

≥8000με

。應(yīng)變器的應(yīng)變極限特性7.絕緣電阻和最大工作電流Rm：50～100MImax：25mA（靜態(tài)）75~100mA（動態(tài)）箔式散熱條件好，可更大2.1金屬應(yīng)變式傳感器金屬應(yīng)變效應(yīng)金屬應(yīng)變片類型金屬應(yīng)變片的靜態(tài)特性金屬應(yīng)變片的動態(tài)特性金屬應(yīng)變片的動態(tài)特性疲勞壽命：在一定交變外力下，可以連續(xù)工作的循環(huán)次數(shù)。動態(tài)響應(yīng)特性：臨界工作頻率應(yīng)變片的動態(tài)響應(yīng)特性L與f的關(guān)系容許誤差一定的情況下，l越大，f就得越低f一定的情況下，l越大，誤差就越大2.1金屬應(yīng)變式傳感器2.2半導(dǎo)體壓阻應(yīng)變式傳感器2.3測量電路2.4電位器式傳感器介紹第二章應(yīng)變式傳感器第2章電阻式傳感器金屬材料：

在電阻絲拉伸極限內(nèi)泊松比u=0.5，故Sg

2。半導(dǎo)體材料：

與半導(dǎo)體敏感元件在軸向所受的應(yīng)變力有關(guān)：

半導(dǎo)體應(yīng)變片的K比金屬絲式高50～80倍，但半導(dǎo)體材料溫度系數(shù)大，應(yīng)變時非線性比較嚴(yán)重，使其應(yīng)用范圍受到一定的限制?；驹?.壓阻效應(yīng)和壓阻系數(shù)半導(dǎo)體的k值取決于半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電類型、晶軸方向和雜質(zhì)濃度等。壓阻式傳感器的彈性敏感元件通常都是由單晶硅制作的圓膜片。單晶硅是各向異性材料，取向不同時，特性不同，而取向是用晶向表示的。所謂晶向就是晶面的法線方向。品向確定之后，晶面就是確定的。壓阻式傳感器的特點壓阻式傳感器是20世紀(jì)60年代初出現(xiàn)的，隨著半導(dǎo)體工業(yè)和集成電路的迅速發(fā)展，目前，這種傳感器已在航空、宇航、風(fēng)洞及其他領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，此傳感器有如下顯著特點：(1)靈敏度高。其靈敏系數(shù)比金屬絲式應(yīng)變片高約50～100倍。因此其輸出信號大，可達(dá)200mV左右，有些壓力傳感器的靈敏度高達(dá)50mV/MPa,可不用放大器直接驅(qū)動記錄儀表。(2)固有頻率高，響應(yīng)快。由于這種傳感器小而輕，膜片直徑小，剛度大，機(jī)械滯后小，橫向效應(yīng)小，自振頻率很高。目前頻率一般可達(dá)到500kHz，國外有些公司的產(chǎn)品可達(dá)1500KHz。(3)結(jié)構(gòu)簡單，可方便地實現(xiàn)微型化，易于批量生產(chǎn)。由于壓阻元件的制造是采用半導(dǎo)體集成電路工藝，因此其尺寸可以最大限度地小型化。目前國內(nèi)研制的硅杯直徑為1mm,國外已有多種外徑小于1mm的超小型產(chǎn)品。小尺寸可滿足密集安裝的要求，并能提供準(zhǔn)確的“點”壓力。還可將計算處理電路和傳感器集成在一起，制成“智能傳感器”。(4)精度。它沒有一般傳感器所具有的傳動件、粘結(jié)劑，因此其非線性和滯后誤差都非常小。目前，精度一般為0.1%～0.05%，較高的可達(dá)0.01%。(5)工作可靠，抗振、抗干擾能力。壓阻式傳感器主要缺點是電阻和靈敏系數(shù)的熱穩(wěn)定性差，在溫度變化大的環(huán)境中使用時，必須進(jìn)行溫度補償。其使用溫度范圍受到一定限制，國內(nèi)都在100℃以下，國外多用150℃以下，如采用水冷或溫度補償措施，工作溫度可達(dá)500℃。此外，其量程小，在測量大應(yīng)變時，非線性較嚴(yán)重。受腐蝕性氣體影響大、工藝復(fù)雜、要求嚴(yán)格、成本較高等。2.1金屬應(yīng)變式傳感器2.2半導(dǎo)體壓阻應(yīng)變式傳感器2.3測量電路2.4電位器式傳感器介紹第二章應(yīng)變式傳感器第2章電阻式傳感器電阻應(yīng)變片的測量電路1直流電橋（1）直流電橋平衡條件

電橋平衡條件：Uo=0，則有（2）電壓靈敏度將一個應(yīng)變片接入電橋中構(gòu)成單臂電橋。橋臂比：利用平衡條件并忽略分母的⊿R1n：橋臂比：電橋電壓靈敏度影響因素：E(電橋供電電壓)、n。E越大越好得到：n=1(R1=R2=R3=R4)，Svmax：n：（3）非線性誤差及其補償方法非線性誤差n=1時（四等臂電橋）補償方法1－差動電橋半橋差動電路：

2個應(yīng)變片（1拉、1壓）消除溫度影響：結(jié)論：分母中RT可忽略，分子中無RT項，故減小了溫度變化的影響，具有溫度補償作用。補償方法2－差動電橋全橋差動電路：

4個應(yīng)變片（2拉、2壓）2交流電橋直流電橋的輸出為直流信號，放大時宜產(chǎn)生零點漂移。所以可采用交流電橋。交流電壓源供電，引線有分布電容，應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性Z1、Z2。平衡條件：電阻、電容、電感都平衡交流電橋輸出:平衡條件：輸出電壓：電壓靈敏度：3應(yīng)變片的溫度誤差及補償(1)應(yīng)變片的溫度誤差（環(huán)境引起電阻值變化）電阻溫度系數(shù)a0的影響試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)(βg,βs)的影響溫度變化引起的總附加應(yīng)等效變量t3.電阻應(yīng)變片的溫度補償方法(2)線路補償法實現(xiàn)完全補償?shù)乃膫€條件：(1)(2)(3)補償塊材料和被測試件材料必須一樣;(4)兩個應(yīng)變片要處于同一溫度場。(3)自補償法溫度自補償應(yīng)變片當(dāng)已知被測試件的線膨脹系數(shù)g，合理選擇敏感柵材料（0、K0、s滿足上式）。4.彈性體的結(jié)構(gòu)形式柱形懸臂型環(huán)形輪輻型S型其它復(fù)雜形式5.稱重傳感器的串并聯(lián)串聯(lián)：靈敏度提高N倍誤差擴(kuò)大N倍并聯(lián)靈敏度降低N倍誤差減少